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Se abordarán en este artículo los elementos electromecánicos de una central hidroeléctrica, desde los equipos que permiten transformar la energía hidráulica en energía eléctrica como los que se utilizan para el funcionamiento adecuado de la central. Con base en lo anterior se estructura este artículo, comenzando con los equipos electromecánicos relacionados con la generación eléctrica, luego los equipos propios de la regulación, control y protección, finalizando con el monitoreo y control a distancia.
Turbina, generador, transformador, línea eléctrica
Los equipos electromecánicos generalmente están ubicados dentro de la casa de máquinas, siendo los más relevantes las turbinas, el generador y el transformador. A continuación se describen cada una de estas obras.
Turbina
La turbina es la componente de la central hidroeléctrica que transforma la energía potencial del agua en energía mecánica. Esta energía mecánica es generada debido al movimiento de rotación la turbina, la que a través de un eje conectado al generador se transforma en energía eléctrica. Existen diferentes turbinas las cuales varían según las condiciones de altura de carga y caudal que se quiera aprovechar, sin embargo, todas operan con la misma lógica de funcionamiento.
Generador
Como se ha indicado anteriormente, los generadores son los componentes que transforman la energía mecánica del eje de la turbina en energía eléctrica. Los generadores están compuestos esencialmente por dos partes:
- Rotor o inductor móvil: que genera un campo magnético al girar debido al movimiento transmitido por la turbina.
- Estator o inductor fijo: que es la parte donde se genera la corriente eléctrica del generador.
A su vez, los generadores pueden ser de dos tipos dependiendo de su funcionamiento:
- Generadores sincrónicos: el rotor gira con una velocidad constante, la cual es independiente de la potencia generada. Debido a lo anterior es necesario que la turbina tenga un regulador de velocidad para mantenerla constante.
- Generadores asincrónicos: el rotor gira con una velocidad variable y está relacionada con la potencia generada, mientras mayor es la velocidad de rotación mayor es la potencia.
Los generadores sincrónicos son los de mayor aplicación en centrales hidroeléctricas, sin embargo, los generadores asincrónicos se están utilizando cada vez más por su simpleza de funcionamiento, son más livianos y menos costosos que los generadores sincrónicos. Uno de los inconvenientes de los generadores asincrónicos es que necesitan conectarse a una red energizada, por este motivo en sectores aislados se emplean los generadores sincrónicos dado que no dependen de la red.
Transformador
Los transformadores son los equipos que permiten cambiar la tensión de las corrientes eléctricas. Dependiendo de la tensión de trabajo del generador será necesario elevar la tensión al nivel de la red existente permitiendo la transmisión minimizando las pérdidas y hacer más rentable el proyecto. La transformación puede ser de baja a media o de media a alta tensión dependiendo del generador.
Generalmente, son los equipos de mayor peso de las centrales, por lo tanto, se deberán tener en consideración en las etapas iniciales de la evaluación de factibilidad de la central hidroeléctrica dado que definirán los caminos y carreteras que se utilizarán para su transporte por posibles restricciones de carga. En las centrales hidroeléctricas pequeñas el transformador generalmente se instala dentro de la casa de máquinas, sin embargo, hay veces que por su tamaño se dispone a la intemperie. Es imprescindible que los generadores se dispongan sobre un foso de tamaño capaz de recibir la totalidad del aceite que se encuentra en su interior.
En caso de que se disponga dentro de la casa de máquinas se deberá encontrar un recinto totalmente hermético, provisto de un sistema de extinción contra incendio que permita controlar la inflamación del aceite. Debido a las altas temperaturas que se generan es importante considerar elementos que disipen el calor para no afectar la aislación y la vida útil del generador. Para ello se usan los siguientes sistemas de refrigeración:
- Transformador autoenfriado en seco.
- Transformador autoenfriado sumergido en aceite.
- El transformador sumergido en aceite con agua circulando a presión.
- Transformador sumergido en aceite con enfriamiento de aire forzado.
Los transformadores de mayor uso en las centrales hidroeléctricas son los sumergidos en aceite con agua circulando.
Casa de máquinas
Las casas de máquinas se clasifican dependiendo de su emplazamiento, en exteriores o subterráneas. Las casas de máquinas exteriores pueden estar total o parcialmente sobre nivel de terreno, mientras que las subterráneas se sitúan en una caverna excavada. Se optará por una casa de máquinas exterior en el caso de disponer de un terreno plano con la capacidad de fundar esta obra.
Además, debe estar en un lugar protegido de crecidas, aluviones, caídas de rocas, erupciones volcánicas, etc. Por otro lado, para las casas de máquinas subterráneas, es necesario contar con un macizo rocoso de buena calidad geotécnica con una cobertura suficiente para no requerir refuerzos para la estructura. Esta alternativa es ventajosa porque brinda protección contra los fenómenos naturales y no impactan visualmente el entorno.
Sin embargo, la inversión es mayor debido a la excavación, al requerimiento de sistemas de ventilación y túneles de acceso. La ubicación de la casa de máquinas dependerá de las condiciones geológicas, geotécnicas y ambientales aceptables del lugar, además de que se cumpla con la altura de carga económicamente óptima para la generación hidroeléctrica.
Línea eléctrica
Las líneas eléctricas permiten la transmisión de la energía eléctrica desde la central hidroeléctrica hasta el centro de consumo o al empalme con el sistema eléctrico. Estas líneas podrán ser de baja, media o alta tensión, dependiendo de la distancia de transmisión y se deberán diseñar para transmitir la energía al voltaje apropiado de manera de minimizar las pérdidas en la conducción.
En la evaluación de factibilidad es crucial cuantificar este componente debido a que los costos pueden ser muy elevados dependiendo de la longitud de transmisión y de la orografía. En muchas ocasiones, el emplazamiento de las centrales es poco accesible. Por ello, el transporte de piezas de gran envergadura puede obligar a realizar inversiones significativas para mejorar, reforzar o construir nuevos caminos.
Equipos de regulación
Los equipos de regulación permiten proteger los equipos ante los aumentos o descensos de voltaje que se genera en la central. Además, permiten regular la electricidad producida por el generador para cumplir con los requisitos de la demanda. Esto es que su frecuencia sea constante dentro de un rango de tolerancia de a lo más ±2%; por lo que es necesario una velocidad de giro constante dado que la frecuencia eléctrica depende de la velocidad de rotación. La regulación del voltaje se puede realizar a través de equipos que controlan el caudal o la carga.
El sistema de regulación mediante la variación del caudal se ejecuta controlando el caudal que ingresa a las turbinas mediante un elemento regulador de caudal. De esta manera, al restringir el caudal turbinado se reduce también la velocidad de rotación del generador y, por lo tanto, la frecuencia de la tensión generada. La velocidad de respuesta sobre la frecuencia es generalmente baja cuando se regula el caudal. Esto, ya que depende de la velocidad de apertura o cierre del elemento regulador. Por otro lado, la regulación de frecuencia por medio de la carga se ejecuta sometiendo al generador a un estado de carga constante sin modificar el caudal turbinado.
Lo anterior se hace con una carga balasto que es alimentado por el generador. Así, manteniendo de esta manera la potencia generada variando la potencia que se deriva a la carga balasto. Si la frecuencia generada es mayor que la que se necesita el sistema de regulación deriva más energía a la carga balasto. En caso contrario se deriva menos energía. El sistema de regulación por carga no tiene problemas de velocidad de respuesta en comparación con el sistema de regulación por caudal. Por esto, se reduce el volumen de almacenamiento de la cámara de carga.
Elementos electromecánicos de una central desde el punto de vista profesional
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