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Investigación: Gira de Principios de Electromecánica 2012 A. Venegas, R.Cambronero, J. Solano, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Costa Rica Resumen— Este documento consiste en un informe de la gira de campo realizada a distintos aprovechamientos energéticos entre ellos: Geotérmicos, Eólico e Hidráulico. Se busca crear un concepto básico sobre los pasos a seguir para encender una turbina de generación eléctrica, tales como comprobar todos los sistemas de operación y de alarma, así como las propiedades de la fuente a explotar, ya sea nivel del embalse, velocidad del viento o temperatura del manto freático. Por otra parte, se pretende dar una pequeña introducción a los principios de funcionamiento de los turbogeneradores, brindando valores de voltaje y frecuencia utilizados normalmente, de manera que aseguren el buen desempeño de la máquina, sin provocar daños a la misma. Finalmente, se expone los métodos utilizados para conectar los generadores que están en producción al sistema interconectados de Costa Rica, el cual opera a la frecuencia de 60 Hz, para ello se hace la diferencia entre generadores sincrónicos y asincrónicos, marcando las diferencias y requerimientos específicos para cada uno en especial. Palabras claves— Generación de potencia distribuida, generación de potencia geotérmica, generación de potencia Hidroeléctrica, Generación de potencia Eólica, turbogeneradores, cogeneración. Abstract— This document consists in an investigation related to several aspects related to the field trip to different cogeneration power plants such as: Geothermal, wind and Hydroelectric. The goal is to create a basic concept in the steps in order to start generation using a generation turbine in the different power plants starting with the different operation and alarm systems, the properties of the exploited source, such as a Dam, wind speed or freatic mantle. On the other hand this document pretends to give the basics in turbo generators, giving the normally used voltage and frequency, this normally used values are the required for an optimum performance of the machinery to reduce damage. Finally the different methods used to connect the generators to the Costa Rica interconnected system that works at 60Hz. Therefore a different explanation is made between synchronic and asynchronic generators in requirements and differences. Index Terms— Distributed power generation, Geothermal power generation, Hydroelectric power generation, Turbo generators, Wind energy generation, Wind power generation, Cogeneration.

I.

INTRODUCCIÓN

En los procesos de generación eléctrica de la actualidad las plantas hidroeléctricas, geotérmicas y los parques eólicos marcan el paso dentro de la generación de energía amigable con el ambiente, esto si hablamos en comparación con otras formas de producción contaminantes a nivel mundial como la

producción a partir de energía térmica, es por eso que resulta importante mantener e incrementar los proyectos de generación antes mencionado e incrementar los procesos de investigación e implementación de nuevas formas de producción amigables con el ambiente. En el presente informe se presentan algunos hechos relevantes con respecto a plantas hidroeléctricas, geotérmicas y parques eólicos. La información aquí presentada se inspira en visitas de campo realizadas en el mes de mayo del 2012 a la planta geotérmica Miravalles III, Proyecto Hidroeléctrico Arenal Etapa I, Parque eólico MOVASA, esta información se complementa con investigación realizada para integrar algunas consideraciones de las visitas con consideraciones generales de los diferentes tipos de plantas, con lo que se logra una perspectiva general de algunas ideas importantes.

II. DESCRIPCIÓN PROCESO DE ENCENDIDO DE UNA TURBINA. La operación de plantas de generación eléctricas exige un conocimiento amplio y riguroso para la manipulación de todos los sistemas y subsistemas que conforman la planta, es así como el proceso de encendido, operación y parado de las turbina, elemento primordial en la conformación de las plantas generadoras hidroeléctricas, geotérmicas y eólicas, es de vital importancia con el fin de no afectar su operación confiable o producir fallas que conllevarían a cierres del sistema de generación no deseadas y hasta una posible falla estructural en las turbinas [1]. Se expondrá de manera general el tema del proceso de encendido de turbinas tanto para el caso de turbinas eólicas, hidroeléctricas y geotérmicas. A.

Proceso de encendido de turbina hidroeléctrica.

Previamente del encendido de la turbina se deben verificar todas las condiciones necesarias para el correcto puesto en marcha de esta, condiciones como el nivel de embalse, presión de tuberías, niveles de aceites de lubricación y refrigeración, sistema de frenado desaplicado, y algunas condiciones de sistema de control automáticas o manuales dependiendo de la configuración de la represa, satisfechas todas las condiciones iniciales se procede a realizar los pasos expuestos a continuación [1]. Se procede a abrir la válvula de bypass, con el objetivo de regular las presiones del distribuidor y las tuberías de presión, cuando se logra el equilibrio de presiones se procede a abrir la

válvula esférica de la tubería principal. Seguidamente se procede a abrir las válvulas esféricas que anteceden a cada una de las turbinas con lo que se inicia el giro de la unidad, con este paso se comienza el proceso de la regulación de las velocidad a partir de la alineación de los alabes directores con lo que se modifica el ángulo de ataque a la turbina modificando así la velocidad de giro de la turbina. Cuando se ha alcanzado la velocidad requerida de la turbina se procede al proceso de excitación del generador con lo cual se da inicio al proceso de producción energética, durante el cual se tiene control automático de la velocidad por medio de los alabes directores. [1], [2]. B.

Proceso de encendido de turbina de eólicas.

Para la puesta en marcha de las turbinas eólicas es necesario como es de esperarse comprobar todos los sistemas y subsistemas de funcionamiento de la góndola del aerogenerador, tales como sistema de lubricación, de captación de viento, de transmisión de potencia, de orientación del aerogenerador, sistemas de controles automáticos, sistemas de soporte, sistemas hidráulicos y sistemas de refrigeración [3]. Comprobados todos los sistemas de forma satisfactoria se procede a poner en funcionamiento el aerogenerador, con lo cual conforme la velocidad y dirección del viento el anemómetro de la turbina procede a brindar información al control de giro para colocar esta en dirección al flujo de viento, con lo que al presentarse un caudal de determinado el control automático da la orden de soltar los frenos y así permitir el giro de la turbina a partir de la fuerza de empuje que cusa el viento en los alabes de la turbina, alabes que dependiendo de la turbina pueden ser ajustables automáticamente para maximizar el ángulo de ataque del viento [3],[4]. C. Proceso de encendido de turbina de vapor. Primeramente para poner en funcionamiento la turbina de vapor es necesaria como se ha descrito anteriormente revisar todos los sistemas propios de la turbina así como sistemas auxiliares, entre ellos se pueden nombrar la válvula de regulación, sistemas de lubricación, sistemas de amortiguación y rodamientos, sistema de refrigeración, sistemas de sellado de vapor, compensador y virador, con la certeza de la correcta funcionalidad de estos sistemas se procede con la puesta en marcha de la turbina [5]. Anticipadamente a la puesta en marcha se debe saber que por el gran peso del rotor de la turbina este no debe de estar en posición estacionaria, motivo por lo que se pone a girar a partir de un motor eléctrico al que normalmente se le nombre virador, este proceso además de procurar mantener recto el rotor busca el calentamiento de los rodamientos y verificación de todos los sistemas de enfriamiento. Debido a que esta turbina trabaja con vapor, se trabajan temperaturas elevadas lo que producirá que el metal se expanda por lo tanto el rotor cuenta con un compensador que amortigüe los efectos de dilatación y contracción lo que permite la transmisión del rotor

de la turbina al resto del proceso de generación. Con la verificación del sistema de transmisión y la turbina en un giro continuo para evitar su pandeo, se procede a abrir el paso de agua como refrigerante a los depósitos de aceite con lo cual se abe paso a las bombas de aceite y sistemas de lubricación, la turbina debe de calentarse de acuerdo a los requerimientos de operación por lo que se deja operando solo con el movimiento de virador por un periodo determinado [6]. Cumplido el periodo de calentamiento se debe de abrir la válvula de paso de vapor de forma gradual para evitar golpes en la turbina y procurar no crear un golpe térmico de igual manera sobre la turbina, ya en este punto el motor virador es apagado con lo cual la turbina girara por acción de empuje de la presión de vapor [7].

III. TURBOGENERADORES ELECTRICOS Los generadores sincrónicos convierten potencia mecánica en potencia eléctrica. Los motores sincrónicos convierten potencia eléctrica en potencia mecánica y los condensadores sincrónicos suplen potencia reactiva para estabilizar los voltajes del sistema. En los tres casos su desempeño es similar, a excepción de las carcasas pesadas de los devanados de los rotores de los motores y condensadores para el autoarranque. [8]

A. Construcción del rotor y del estator El rotor de una máquina sincrónica es un ensamble de alta ingeniería capaz de rotar satisfactoria mente a velocidad de sincronización. En la sección media del rotor se encuentra el núcleo del mismo el cual posee los polos magnéticos fijos. [8] Cuando el rotor es completamente redondo es llamado de “polo no saliente”, o de construcción de turbina generadora. Este tipo de construcción posee dos o cuatro polos magnéticos, creados directamente por una corriente directa en los devanados localizados en ranuras en el diámetro externo del rotor. Los devanados del estator, alimentados o conectados a una carga multifase de potencia eléctrica, crean polos electromagnéticos rotatorios.

Fig. 1. Diseño esquemático de la construcción de una máquina sincrónica.

La corriente directa excita los devanados del rotor en motores y generadores. Esta corriente de excitación es suplida al rotor a través de anillos colectores un excitador sin escobillas montado en el eje. Las barras o cables de polaridad positiva y negativa pasan a lo largo y a través del eje para suplir la corriente de excitación a los devanados de los polos [9]. En el generador el nivel de la corriente de excitación es controlada por el regulador de voltaje. Cuando el rotor esta en velocidad de sincronismo, los polos fijos del rotor giran igual que los polos rotatorios del estator, haciendo que el torque sea transmitido magnéticamente a través de la brecha de aire del ángulo de potencia hacia el estator, rezagándose en los generadores y guiando en motores [8],[9]. Para el cálculo de la velocidad del rotor en RPMs se utiliza la siguiente ecuación: (1) La velocidad en RPMs los rangos varían normalmente entre 40 RPM para generadores de ruedas de agua y 3 600 RPM en turbinas generadoras. El cuerpo del rotor esta hecho de hierro sólido para una rigidez mecánica y transferencia de calor. Las ranuras del estator, en generadores sincrónicos grandes, generalmente están abiertas (Figura 1.). Éstas a veces vienen con cuñas magnéticas para las ranuras con el fin de reducir los armónicos de los fuerzas electromagnéticas y pérdidas en la caja del amortiguador del rotor. En estado estable las corrientes de la caja del amortiguador tienden a cero. Sin embargo si llegara a ocurrir una carga o movimiento mecánico transitorio, corrientes de Eddy se presentan en este amortiguador para atenuar las oscilaciones del rotor cuando el estator está conectado a una red de frecuencia constante y voltaje (alta potencia) [8], [9]. Los voltajes pueden variar hasta 1 500 V DC en el rotor. La frecuencia normalmente ronda los 50- 60 Hz para los generadores. Sin embargo pueden existir variaciones para unidades pequeñas.

IV. UNA VEZ QUE EL GENERADOR PRODUCE ENERGÍA, ¿CÓMO SE CONECTA AL SISTEMA INTERCONECTADO? El Instituto Costarricense de Electricidad (ICE), es la entidad encargada de regular la producción de energía a nivel nacional, tanto en aspectos económicos y comerciales como técnicos [10]. En nuestro país el ICE opera el sistema interconectado a 60 Hz, a diferencia de otras partes del mundo tales como Europa, donde utilizan 50 Hz; Esto quiere decir que el sentido de la corriente en Costa Rica varía a una razón de 60 veces por

segundo. Este dato es de gran importancia a la hora de querer sumar un generador a la red nacional, ya que el operario se debe de asegurar cumplir con un conjunto de condiciones para evitar que el generador sea expuesto a graves daños [11]. Así mismo, antes de detallar como se debe realizar la conexión a la red, cabe destacar que los generadores se dividen en dos familias: sincrónicos y asincrónicos, los primeros necesitan que la turbina opere a una velocidad específica determinada y fija con respecto a los 60 Hz del sistema interconectado o en otras palabras la frecuencia eléctrica depende la frecuencia mecánica, mientras que los segundos no requieren cumplir con esa condición [12], [13]. Durante la gira de campo se realizaron tres visitas a diferentes tipos de aprovechamientos energéticos: geotérmico, eólico e hidráulico; Donde, en el Proyecto Geotérmico Miravalles 3 y P.H. Arenal se utilizan generadores sincrónicos, mientras que en el Parque Eólico Movasa se usan generadores asincrónicos. Lo anterior se debe a que la cantidad de vapor o de agua que inciden sobre las turbinas se puede regular mediante válvulas u otros accesorios como compuertas, de manera que siempre se mantenga un caudal constante, que genere energía mecánica estable que a su vez permite mantener una velocidad constante del campo magnético en el generador, permitiendo cumplir con las condiciones de velocidad específica para operar con generadores sincrónicos, entonces los operarios una vez que ponen en marcha el generador deben ajustar su frecuencia a los 60 Hz que opera la red nacional antes de conectarse, para ello utilizan un instrumento llamado sincronómetro, el cual indica la frecuencia a la cual está trabajando el generador. A la hora de conectar el generador puede estar operando un poco por arriba de la frecuencia de 60 Hz que igual se puede conectar al sistema, sin embargo nunca puede estar por debajo de ese valor, ya que, se producirían grandes daños sobre el generador, de acuerdo a discusiones con el Ingeniero Frank Daniels de la Planta Geotérmica Miravalles 3, [14]. Por otra parte, la energía mecánica generada por el viento no es constante, sino que varía cada segundo debido a condiciones atmosféricas, es por ello que en los proyectos eólicos se requieren generadores asincrónicos que no demandan por parte de la turbina una velocidad específica determinada para poder conectarse a la red nacional, sino que simplemente se desactivan los frenos y se deja que el viento mueva las aspas, una vez que alcanzan cierta velocidad se enciende el motor (que luego pasa a ser generador después de cierta velocidad angular), para hacerlas girar a mayor velocidad, asimismo al ser encendido requiere corriente continua proporcionada por el mismo sistema de la red nacional, la cual ya opera a una frecuencia de 60 Hz, por lo tanto ya no está presente el problema de sincronizar, ya que cuando los generadores comiencen a operar inician a 60 Hz inmediatamente. Por lo tanto lo único que se requiere para poder conectarse al sistema nacional es que el viento mueva las aspas a la velocidad suficiente para que los generadores (que ya están a 60 Hz) se activen. Como la velocidad de las aspas en sí no es muy alta, se utiliza una caja multiplicadora que eleve las revoluciones que mueven el rotor del generador;

Cabe especificar que en los generadores asincrónicos se da un fenómeno de deslizamiento entre la frecuencia del rotor de inducción y la frecuencia eléctrica del estator, y es este ¨desfasamiento¨ entre frecuencias el que permite generar potencia [15]. Otros aspectos importantes a tomar en cuenta al conectar un generador a la red interconectada es conocer la cantidad de polos que posee el generador, de manera tal que se pueda realizar un cálculo veraz de la velocidad específica de la turbina, utilizando la (1) descrita anteriormente [16]. Después, conocer bien las características del generador, las cuales siempre deben venir especificadas mediante una placa sobre la carcasa del mismo, a continuación se muestran las placas con información técnica de los generadores sincrónicos instalados en el P.H. Arenal y el Proyecto Geotérmico Miravalles 3, por otra parte para los generadores asincrónicos utilizados en el Parque Eólico Movasa, no fue posible obtener información directa, ya que, no había ninguno en mantenimiento y era imposible acceder a las torres eólicas.

Fig. 2. Placa informativa para el generador sincrónico de Proyecto Hidroeléctrico Arenal.

Fig. 3. Placa informativa para el generador sincrónico de Proyecto Geotérmico Miravalles 3.

V. REFERENCIAS. [1] Suescún, Centrales Hidráulicas Modos de control,[online]. Disponible : http://jaibana.udea.edu.co/grupos/centrales/ files/capitulo%208.pdf , 19 junio 2012.

[2] R. Cambronero, J. Solano y A. Venegas, Notas visita técnica a plantel Arenal, Tilarán, Costa Rica. [3] Parque eólico experimental sotavento, Área técnica funcionamiento, [online]. Disponible: http://www.sotaventogalicia.com/area_tecnica/tecnologias_fu ncionamiento.php , 19 junio 2012 [4] R. Cambronero, J. Solano y A. Venegas, Notas visita técnica a plantel MOVASA, Tilarán, Costa Rica. [5] Renovetec, CURSO DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS INDUSTRIALES, ENERGÉTICAS Y UNIDADES PAQUETE,[online]. Disponible: http://www.renovetec.com/partesturbinavapor.html , 19 junio 2012 [6] Renovetec, CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LA OPERACIÓN DETURBINAS DE VAPOR, [online]. Disponible: http://www.renovetec.com/arranqueturbinasvapor.html , 19 junio 2012. [7] R. Cambronero, J. Solano y A. Venegas,, Notas visita técnica a Planta Geotérmica Miravalles III, Bagaces, Costa Rica. [8] Nippes, P. I. (2012). Synchronous Machinery. En L. L. Grigsby, Electric Power Generation, Transmission, and Distribution, Third Edition (págs. 6-1;6-8). [9] Boldea, I. Principles of Electric Generators. En I. Boldea, Synchronous Generators (págs. 2-1; 2-29). CRC Press. [10] GRUPOICE, Historia del Instituto Costarricense de Electricidad, [online]. Disponible: http://www.grupoice.com/wps/portal/gice/acerca_ice/acerca_i ce_asi_somos/acerca_ice_asi_somos_historia/!ut/p/c5/04_SB8 K8xLLM9MSSzPy8xBz9CP0os_gQL0N_D2cLEwN_Vy8XA 08zY09TUzNTi1BnI6B8JC55gwBjE5J0GwRYugLlXX0tg8x cDQwMiNJtgAM4GhDQ7eeRn5uqX5AbGhpR7qgIAPkP-s!/dl3/d3/L2dBISEvZ0FBIS9nQSEh/. 20 de junio 2012. [11] R. Cambronero, J. Solano y A. Venegas, Notas visita técnica a plantel MOVASA, P.H. Arenal, Proyecto Geotérmico Miravalles 3, Guanacaste, Costa Rica. [12] Seifert, W. Generador y motor: Fundamentos Físicos y formas mecánicas. vol. I. Episodio 24. Berlín, Alemania, Siemens Aktiengesellschaft, 1988 , pp. 43. [13]Chapman, S.J. Máquinas Electricas. vol. I. Bogotá, Colombia. McGraw-Hill Latinoamericana, S.A, 1987, pp. 555-556. [14] R. Cambronero, J. Solano y A. Venegas, Notas visita técnica a, P.H. Arenal y Proyecto Geotérmico Miravalles 3, Guanacaste, Costa Rica. [15] Chapman, S.J. Máquinas Electricas. vol. I. Bogotá, Colombia. McGraw-Hill Latinoamericana S.A, 1987, pp. 560. [16] Chapman, S.J. Máquinas Electricas. Vol. I. Bogotá, Colombia. McGraw-Hill Latinoamericana, S.A., 1987, pp. 380.