Como elegir un grupo turbina-generador para mi industria

Generación Industrial – Parámetros Eléctricos – Carga – Selección de Turbina o Motor
Luis Octavio Corvalán - Agosto de 2005

Proceso de generación de energía eléctrica

Este proceso consiste en convertir la energía mecánica provista por una máquina de impulso a través del eje mecánico en energía eléctrica disponible en bornes del dispositivo conversor o generador. La máquina más apta para este proceso es el generador sincrónico.
Las leyes que intervienen y definen este proceso son las leyes de electromagnetismo definidas en un primer momento por Faraday en 1835.
Para producir una tensión (potencial) eléctrica en los bornes del generador necesitamos disponer de un campo magnético variable. Este se logra generando un campo continuo estático en el rotor o rueda polar del generador y haciendo girar este respecto del estator o parte estacionaria de la máquina, de tal manera que sus arrollamientos en reposo “ven” alternativamente pasar un campo de un signo y otro del signo opuesto, o sea, yo produzco una “alternancia” o un campo magnético variable en el tiempo partiendo de un campo continuo y fijo en la rueda polar, gracias a la rotación de ésta. El generador se llama también, por este motivo, alternador, ya que la tensión generada en este proceso, al igual que el campo que la produce, es alterna.

La placa del Generador Sincrónico – Su interpretación

La capacidad del GS está limitada por factores térmicos, principalmente. Los parámetros denominados nominales son definidos por el fabricante, no son características inherentes a la máquina determinables por ensayo, como sí lo son otros parámetros como resistencia óhmica de los arrollamientos, corriente de excitación en vacío, relación de corto circuito, reactancia sincrónica, etc.
Las normas, sin embargo, indican que una máquina eléctrica debe poder entregar los valores nominales especificados en placa sin que la temperatura que alcanzarán sus partes dañe la misma, en particular los materiales aislantes que son los más frágiles desde el punto de vista térmico.
El calentamiento del generador, al igual que todas las máquinas eléctricas, proviene de las pérdidas producidas en sus materiales activos, cobre y hierro (o en algunas máquinas, el aluminio en lugar del cobre).

La carga en un sistema eléctrico de tensión constante.

Los sistemas eléctricos de potencias, tanto domiciliarios como industriales, son sistemas de tensión constante, definidos por la tensión de servicio y su frecuencia. Las cargas se conectan todas en paralelo entre los conductores del sistema y la demanda se determina por la corriente que cada carga tomará de esta red.
La tensión alterna generada tiene una forma de onda sinusoidal, que es la técnicamente más aceptada, ya que define a su vez la forma de onda de la corriente. Como la relación entre ambas se define por ecuaciones del tipo diferenciales e integrales, la forma sinusoidal de la variación de tensión garantiza formas de onda sinusoidales de corriente, ya que tanto la derivada como la integral de una sinusoide son también sinusoides.
Una carga puramente activa que puede ser el calor disipado en una resistencia o un esfuerzo mecánico en un motor tiene una corriente en fase con la tensión generada, es decir, que el valor de corriente aumenta y disminuye exactamente al mismo tiempo que la tensión aplicada. Si yo represento ambos valores por un fasor o vector giratorio, como se acostumbra en trigonometría, ambos estarán colineales, lo que significa que el ángulo de desfasaje es cero (0º), o lo que es lo mismo, que el coseno del ángulo de desfasaje es uno.
Una bobina pura, que no entrega ni potencia mecánica ni genera calor (idealmente), produce una corriente que varía con la derivada de la tensión aplicada, con signo invertido, lo que significa que cuando ésta pasa por cero y su pendiente es por lo tanto máxima, el valor de corriente por la bobina tiene su máximo valor negativo, y por el contrario, cuando la tensión alcanza su valor máximo y su pendiente es cero, la corriente por la bobina valdrá cero, a partir de ahí mientras la pendiente se hace cada vez más negativa, el valor de corriente crece en valores positivos hasta un máximo que coincide con el cruce por cero de la onda de tensión.
Si representamos esta corriente con un fasor giratorio, este estará desfasado del fasor de tensión en -90º, o sea retrasado respecto de la tensión. El coseno de este ángulo es cero (0).
El producto de tensión y corriente reactiva se llama potencia reactiva, que en el caso de una bobina o inductor puede llamarse también potencia reactiva inductiva o potencia inductiva.
Un capacitor ideal, que no entrega ni potencia mecánica ni genera calor (idealmente), produce una corriente que varía con la integral de la tensión aplicada, lo que significa que varía en función del área que abarca la forma de onda de la tensión aplicada. Para simplificar este análisis supongamos que el instante inicial de nuestro estudio empieza con la onda de tensión en su máximo positivo. A medida que el tiempo transcurre vamos barriendo de manera bastante rápida el área encerrada debajo de la curva de tensión (definición de integral de la misma) pero a medida que avanzamos también disminuye el valor de ésta por lo tanto el área abarcada aumenta cada vez menos, hasta llegar al cruce por cero de la tensión donde habremos abarcado nuestra máxima superficie, a partir de ahí la superficie total comienza a disminuir, porque empezamos a abarcar áreas negativas, que se restan a la superficie abarcada en el primer cuarto de ciclo, por lo tanto, el valor de corriente de carga por el capacitor comienza a disminuir, hasta que llegamos al punto de máxima tensión negativa, en donde ambas áreas (positiva y negativa) se igualan, dando como resultado, corriente cero en ese punto. Luego el proceso sigue, dando una forma de onda senoidal de corriente.
Si representamos esta corriente con un fasor giratorio, este estará desfasado del fasor de tensión en +90º, o sea adelantado respecto de la tensión. El coseno de este ángulo es cero (0). El producto de tensión por la corriente del capacitor resulta en potencia reactiva capacitiva.
Las cargas reales están compuestas por una combinación de estas tres situaciones ideales, o sea, por cargas activas y reactivas, que a su vez pueden ser inductivas o capacitivas. Se puede aprovechar el hecho de que las cargas inductivas y capacitivas están desfasadas 180º entre ellas para compensar o anular sus efectos sobre el generador. Esta técnica se conoce como la “compensación del factor de potencia”. Tema que está desarrollado en otras partes del presente blog.

Criterio eficiente de generación, aprovechamiento óptimo del generador.

El general, en los procesos productivos, lo que más interesa es la transformación de energía de una fuente (generadora) a una aplicación determinada (carga) que en la mayoría de los casos es un movimiento mecánico (motor), iluminación y calor, y en menores proporciones otras aplicaciones.
La potencia activa o real proviene de la fuente de energía. Esta está almacenada en el combustible empleado en una caldera o una máquina de combustión interna. La máquina de impulso de encarga de convertir esta energía en energía mecánica en su eje de salida que está acoplado al generador. El medio de transformación de esta energía mecánica en eléctrica es el generador. La limitación de la capacidad del generador (siendo de tensión constante) es su corriente nominal, que es la que genera pérdidas en su arrollamiento y por lo tanto calor y sobreelevación de temperatura que es la que puede dañar el material aislante. El generador, para poder producir la transformación de la energía mecánica aplicada a su eje por la máquina de impulso en energía eléctrica en sus bornes necesita generar un campo magnético, encargado de "vincular" al rotor con el estator del generador. Este campo lo genera la rueda polar del generador, que se alimenta de una fuente de tensión continua llamada excitatriz.
Cada motor eléctrico que cargamos al sistema alimentado por el generador necesita a su vez, un campo magnético para funcionar, ya que su proceso de transformación es similar a nuestro generador, tomando energía eléctrica de la red y transformándolo en energía mecánica en su eje. Este campo magnético lo provee también el generador, pero no tomándolo de la máquina de impulso sino de su excitatriz, que es la encargada de generar el campo magnético necesario para mantener la tensión de servicio en bornes del generador. La necesidad de crear campo magnético en un motor demanda energía reactiva inductiva. Esta deberá ser provista por el generador, que “ve” a esta carga como “desmagnetizante”, es decir, que trata de disminuir su propio campo magnético resultante, lo que tiene el efecto de disminuir la tensión generada. Esto hace que entre en juego el sistema de regulación automático de tensión del generador aumentando la corriente de excitación para que el campo magnético resultante en el entrehierro del generador se mantenga constante. Como resultado también aumenta la corriente total del generador en sus bornes, con lo cual estoy ocupando una proporción mayor de la corriente total que puede suministrar la máquina para crear el campo magnético que requiere mi carga, en este caso un motor eléctrico.
Pero, si a cada aumento de demanda de potencia reactiva “inductiva” vamos conectando a nuestra red capacitores, que son capaces de proveer energía reactiva “capacitiva”, podemos equilibrar nuestra demanda resultante de energía reactiva sin necesidad de que el generador la provea, lo que disminuye la demanda de corriente total que debe aportar éste. De esta manera, la potencia que está entregando nuestro generador es casi completamente “activa”, es decir, que se convierte en calor o trabajo mecánico. Esta potencia, como mencionamos, la provee la máquina de impulso.
Con este esquema de trabajo, a un generador cuya placa dice Potencia Nominal 1000kVA vamos a poder hacerla entregar 1000kW. Si la compensación de cargas reactivas no es perfecta, es preferible que compensemos por defecto, dejando el factor de potencia dentro de las proximidades de 0,95, con lo que nuestra potencia real en kW que podrá entregar el generador será del 95% de la potencia nominal de su placa en kVA. Una sobrecompensación de potencia reactiva (convirtiendo la resultante de carga en capacitiva) va a afectar la estabilidad del generador al disminuir demasiado el campo magnético resultante en el entrehierro de la máquina, dejando el vínculo entre rotor y estator muy débil, volviendo inestable el funcionamiento del conjunto máquina de impulso-generador.

El cos φ de la placa del GS

Se describió como el generador debe proveer toda la potencia que la red demande, tanto activa como reactiva, y vimos una manera de no demandar o demandar muy poca potencia reactiva al generador para poder entregar mayor potencia activa sin sobrepasar el límite de corriente nominal del estator del generador.
En condiciones de servicio, sin embargo, a medida que la máquina se carga, debemos compensar el efecto que produce la propia corriente de carga por los arrollamientos del estator del generador, llamado “reacción del inducido”, aumentando la corriente de excitación en la rueda polar. Esta rueda polar o rotor tiene a su vez un límite de corriente máxima admisible y está especificado en la placa del generador. Con el estator entregando corriente nominal, o sea, con el generador entregando su potencia aparente de placa (kVA), la corriente necesaria en el rotor será mayor cuanto más sea la potencia reactiva inductiva demandada por la carga, lo que es lo mismo decir, cuanto más bajo sea el cos φ de la carga. Podemos deducir que para la potencia nominal de placa, que corresponde con la corriente nominal del estator, la corriente del rotor aumentará a medida que baja el valor del cosφ hasta llegar a su valor máximo admisible o corriente de excitación nominal. El valor de cosφ mínimo que no haga sobrepasar la corriente nominal de excitación es la que el fabricante especifica en la placa. O sea que la máquina puede entregar potencia nominal (en kVA) siempre y cuando el factor de potencia de la carga sea igual o mayor que el valor especificado en placa. O sea, con este valor especifico una condición de carga que marca el límite de capacidad de excitación, pero de ninguna manera es una característica propia del funcionamiento del generador. De la potencia aparente total disponible en bornes del generador, cuanto se convertirá en kW en la carga depende de las condiciones de la carga.

La elección de la máquina de impulso:

Teniendo en cuenta lo tratado anteriormente y que la potencia activa que podemos extraer del generador va a provenir de la máquina de impulso, es importante considerar el valor máximo de factor de potencia que estamos dispuestos a lograr en nuestra instalación para poder elegir adecuadamente la potencia nominal del impulsor.
Si esperamos compensar hasta valores próximos a 0.95, la turbina o motor deberá poder entregar de manera continua en kW un 95% de la potencia de placa en kVA del generador.
Hay que tener en cuenta que hasta la década de 1960 y en muchos casos hasta décadas posteriores, era muy frecuente dimensionar la turbina para el 80% de la potencia en kVA del generador. Pero las exigencias de las empresas de servicios públicos y la popularización de las técnicas de compensación de factor de potencia que existen en la actualidad han convertido en obsoleto este criterio. De aplicarlo hoy, cuando la turbina esté a plena carga (100% de potencia nominal), el generador, para el caso de un factor de potencia de la carga de 0,95 estará en un 84% de su carga nominal. No se podrá aprovechar su plena potencia sin sobrecargar la turbina.
Es importante conciliar con el proveedor y adecuar su oferta a las necesidades de nuestro sistema de potencia antes de adquirir un equipo de generación (máquina de impulso/generador), verificando que la potencia activa de la primera en kW y la potencia aparente de placa en kVA de la segunda se adapte al factor de potencia esperado de nuestra instalación.
La experiencia que pude tener en Tucumán, mi provincia, en los últimos años en que varias industrias azucareras adquirieron equipamiento nuevo para sus usinas, este criterio estuvo totalmente ausente. Ante mi reclamo a los proveedores de éstos equipos, su respuesta fue: "ese estudio corresponde a los departamentos de ingeniería de los clientes". De ahí la necesidad de este artículo: es responsabilidad del comprador imponer el criterio de selección de las potencias nominales de máquinas de impulso y generadores, de lo contrario estamos dejando en manos del proveedor una decisión que tomará sin tener en cuenta las necesidades y el estado de la instalación de nuestra industria, quitándole eficiencia a la inversión realizada.