¿Estamos Contaminando Nuestro Generador?

Serie de  recomendaciones sobre Máquinas Sincrónicos

Capítulo 5

Luis O. Corvalán

Tucumán – Enero de 2011

            Hemos tratado en estos artículos el problema de la presencia de armónicos en las instalaciones industriales, sus causas, los efectos y técnicas para mitigarlos. Una de las razones para intentar eliminar el contenido de armónicos o reducirlo a valores aceptables es no afectar las prestaciones de las líneas, transformadores y generadores que conforman la instalación.

            En nuestro medio contamos con muchas industrias que poseen generación propia, como así también generadores comerciales que pueden encontrarse en situaciones de fuerte contaminación. Estas preocupaciones son tratadas en los artículos que comienzan con “Introducción a los Armónicos en Sistemas de Potencia”

            Aquí hablaremos de una contaminación menos evidente, pero presente en algunas usinas industriales y comerciales que pude observar, y en más de uno de esos casos con resultados desastrosos.

            En el capítulo 3 “Muerte Súbita vs. Agonía Lenta” analizamos con cierto detalle las diferencias de comportamientos entre los arrollamientos de corriente continua y los de corriente alterna. Citamos como ejemplo de una máquina que posee ambos tipos de arrollamientos al generador sincrónico. Aquí haremos mención de conceptos vistos en ese artículo por lo que recomiendo se lectura previa.

            Ha sido una práctica bastante difundida en nuestro medio, más allá de lo que considero recomendable, ir reemplazando las originales excitatrices rotativas de los generadores de las usinas por modernas excitatrices electrónicas estáticas. La gran diferencia entre estas excitatrices electrónicas y las viejas excitatrices rotativas es que las primeras producen una rectificación controlada de tensiones alternas trifásicas y las segundas producen una rectificación plena de onda completa polifásica, de casi nulo contenido de armónicos. Recordemos aquí que la inducción solo se produce con campo variable, así que técnicamente no existe el “generador de tensión continua” como máquina rotativa. El dínamo, que genera tensión continua en sus bornes de salida, no es más que un alternador con un sofisticado rectificador mecánico (colector y escobillas) incorporado, ya que técnicamente es imposible “inducir tensión continua”. Las excitatrices compuestas por un alternador con un puente rectificador giratorio son conceptualmente idénticas a las más viejas excitatrices de corriente continua, donde el colector y escobillas se reemplazaron por un puente de diodos. Tan es así que es una técnica muy simple convertir las excitatrices de continua en alternadores con rectificadores sin necesidad de alterar los arrollamientos originales. Ver la nota “Eliminando las molestias de mi generador sincrónico”.

            Sigamos. Un señor de portafolio con buena presencia y argumentos sólidos nos convence de reemplazar la vieja excitatriz por un moderno equipo estático que trae hasta el regulador de tensión y las protecciones incorporadas. Hacemos la inversión, (que entre paréntesis no es menor) y dejamos arrumbada y acumulando polvo la vieja excitatriz. Nuestro generador se convierte en una máquina briosa, de rápidos reflejos, nuestra tensión estable, todos contentos. Descubrimos el viagra de los generadores.

            Pero nuestra querida máquina, concebida en planos azules, dibujados con tiralíneas y diseñada con operaciones matemáticas resueltas pacientemente con reglas de cálculo entre las décadas de 1920 y 1940, tiene para prestar buenos servicios por muchas décadas más y con rendimientos superiores a las máquinas actuales (ver “Precauciones con los nuevos aislantes”). El nuevo dispositivo, moderno él, nos está acortando la vida útil de nuestro generador de manera considerable. Veamos porqué.

            Los habitués a mis columnas técnicas saben que tarde o temprano aparecerán conceptos y fórmulas. Juro que trato de limitarlas al mínimo y a darles un tratamiento lo más conceptual posible, ameno y amigables. Recuerden.

“…un manejo sólido de conceptos teóricos es la principal ayuda para el diagnóstico y la prevención de fallas y un excelente complemento a las buenas técnicas de mantenimiento”                    

            Nuestro generador está compuesto por una rueda polar, o rotor, encargado de crear el campo magnético necesario para mantener la tensión de servicio en bornes del estator, tanto en régimen de vacío como con carga. Se genera mediante un grupo de bobinas (la cantidad depende de la velocidad de la máquina) de corriente continua montadas en el núcleo del rotor, que conforma parte del circuito magnético del generador. Este rotor se alimenta de tensión continua provista originalmente por su excitatriz rotativa. Al ser una tensión continua (frecuencia igual a cero) casi perfecta, vimos que no produce tensiones autoinducidas. Al no existir éstas últimas no hay corrientes de circulación (llamadas de Foucault) y por ende no hay pérdidas en el hierro rotórico. Por esta razón las máquinas se construyen generalmente con rotores de hierro macizo o de piezas grandes de hierro. El circuito equivalente del arrollamiento rotórico, como el de cualquier bobina, es la de la figura. Tiene una resistencia propia del conductor que forma la bobina y una inductancia que depende de su configuración, número de espiras, forma geométrica, etc. La caída de tensión en uno y otro componente del circuito responden a las siguientes sencillas ecuaciones:

U_R =  I . R                     U_L = I . 2 . π . f . L

            Es fácil observar que para una frecuencia f = 0 el circuito se comportará como si fuera una resistencia pura, y en la inductancia no hay caída de tensión.

            Pero ahora veamos que ocurre cuando eliminamos nuestra fuente de tensión limpia y la reemplazamos por la excitatriz estática, que está formada por un rectificador controlado de lazo cerrado. Consideremos que nuestra máquina está girando en vacío o con poca carga. La excitatriz estará haciendo un recorte importante en la onda de tensión alterna, para mantener bajo el valor de la tensión continua a la salida. Como resultado tengo una componente de continua y una sucesión importante de armónicos a la salida de la excitatriz y en bornes de nuestro arrollamiento rotórico. Aplicado eso al circuito equivalente anterior, vemos ahora que no solo hay una caída de tensión en la resistencia (I . R) sino que el producto que define el valor de U_L ha dejado de ser cero, para convertirse en algo considerable. La inductancia del rotor es un valor muy elevado, ya que es una masa grande de hierro abrazado por bobinas compuestas de muchas espiras. Esto produce un filtrado muy grande de la corriente de carga y si aplicamos un osciloscopio para ver su forma de onda observaremos una forma tranquilizadoramente lineal. Si la corriente es casi lineal, también lo será la tensión en R que no es otra cosa que el producto mencionado IR.

            Ahora, según el viejo Kichhoff, en un circuito cerrado serie como el de la figura, la suma de las tensiones debe dar 0. Si aplicamos una tensión con fuerte contenido de armónicos en los bornes y la caída en R es una continua, eso significa que necesariamente toda la tensión variacional cae en la inductancia L. Aquí nos encontramos con un dilema. Nos detengamos un poco.

            Una tensión variacional aplicada en bornes de una inductancia está indicando que hay un campo magnético variacional vinculado a esta tensión, por lo que nos dice Faraday (artículo mencionado “Muerte Súbita…”). Pero si la corriente por la inductancia es casi lineal, ¿cómo se crea ese campo variable? No estamos violando ninguna ley física todavía. La corriente que vemos circulando por el arrollamiento no es la única corriente. Por el núcleo macizo de hierro ahora circulan corrientes, las necesarias para hacer cumplir la correspondencia entre tensiones, campos magnéticos y corrientes. No lo analizaremos en detalle aquí ya que nos toparíamos con el infranqueable Maxwell, pero conceptualmente esto es así. Esas corrientes de circulación por el núcleo magnético no estaban presentes con una excitatriz rotativa, pero si están presenten con la excitatriz estática.

El señor de portafolio si nos ve dudoso en nuestra decisión de comprar su aparato, nos prometerá una corriente de excitación “limpia” y cumplirá con su palabra mostrándola en un osciloscopio, pero eso no es garantía de un funcionamiento libre de pérdidas en el hierro por corrientes parásitas. Hemos contaminado nuestro circuito principal de excitación.

El núcleo magnético del rotor no está concebido para este tipo de campos, y no tiene una configuración que limite las corrientes parásitas, por lo que éstas generarán pérdidas que provocan calentamiento en un sector de la máquina donde antes no lo había, produciendo sobretemperaturas de funcionamiento aun con cargas menores a la nominal. En definitiva, estamos acortando de manera considerable la vida útil de nuestro antiguo, pero otrora confiable, eficiente y longevo generador.

El señor de portafolios se aleja sonriente por la operación realizada.  Vamos a ser generosos y digamos que no es consciente de habernos dejado junto con su equipo una sentencia de muerte prematura de nuestra máquina.   

Un método fácil para saber si estamos contaminando nuestra máquina:

En general se instala una excitatriz estática en un generador que tiene su rotor accesible por anillos y escobillas. Es muy poco probable que un generador del tipo libre de escobillas o “brushless”, como su denominación en inglés, sea víctima de una reforma de este tipo. En los primeros, tenemos como medir tensión y corriente de excitación de manera sencilla y la mayoría de los tableros de mando tienen estos instrumentos incorporados. Sería recomendable contrastarlos o verificar por algún método confiable que la lectura de estos instrumentos sea correcta.

Paso siguiente vamos a la placa del generador. Si es una máquina de calidad con una placa característica bien concebida, deberá decir el valor de tensión y corriente de excitación nominales. Esto corresponde a plena carga y a 75ºC de temperatura en los arrollamientos. Si dividimos estos valores Ue/Ie obtenemos el valor de R de nuestro circuito equivalente anterior (referido a 75ºC). En funcionamiento normal, la relación entre tensión y corriente en todo momento deberá conservar esta proporcionalidad. Para cualquier valor de corriente y tensión, siempre su cociente U/I deberá dar el valor de R, corrigiendo las discrepancias por temperatura.

Esto que acabamos de afirmar es para una alimentación limpia, libre de armónicos. U_e = I_e. R.

Si tenemos en cambio una tensión contaminada esta última expresión deja de ser válida y pasamos a la expresión completa siguiente:

U_e = I_e . R + U_L

Si como dijimos, I_e es casi lineal, el primer sumando lo será, y el segundo sumando correspondiente a la caída en la reactancia tendrá los componentes de alterna que estén presentes en la tensión de salida de la excitatriz U_e . Recordemos que esta suma es vectorial y en este caso son fasores que giran a diferentes velocidades analizables solo mediante series de Fourier.

Lo que sale de esta consideración es que ahora la relación entre tensión y corriente ya no da como resultado R sino un valor bastante mayor. El valor del cociente U_e/I_e nos da ahora un valor Z que es la impedancia equivalente del rotor para ese tipo de tensión aplicada. Z es mayor que R en todos los casos que la tensión aplicada no sea una continua pura. Estas lecturas deben realizarse con instrumentos de verdadero valor eficaz, aunque el síntoma ya se hará presente con las lecturas de los instrumentos mencionados de bobina móvil. Y aquí podemos definir un grado de contaminación de nuestro rotor:

G_CR  =  (Z – R)/R . 100 (%)

Así, como al descuido, hemos planteado una manera sencilla de determinar, contando con el instrumental convencional, cuánto estamos contaminando el sistema de excitación de nuestro generador y si es un tema de preocupación en el mediano plazo. Notemos que hemos restado algebraicamente ya que nos interesa valores relativos de las magnitudes totales, no buscamos resultantes vectoriales.

Recordemos que una excitatriz convencional tendrá un G_CR ≈ 0.   Cuando analicemos la incidencia de una excitatriz electrónica podemos seguir criterios parecidos a los que tenemos en cuenta en instalaciones industriales: nos debería preocupar cuando este valor supere unos 6 a 8%.

Técnicas de mitigación: Si la excitatriz estática ya está en operaciones y nos da pereza reciclar las viejas excitatrices, o algún gitano ya se las llevó, un método sencillo para atenuar los efectos de las pérdidas indeseables en el rotor es colocar en serie con el circuito de excitación una inductancia que tenga un valor de L grande. Esto en algunas industrias es sencillo de solucionar porque los viejos sistemas de control thiristorizados de motores de corriente continua tenían reactancias de filtrado serie con una capacidad de corriente importante que pueden servir a tal fin y probablemente esté en desuso. De esa manera hacemos caer la tensión variacional en un elemento externo al rotor. Si hacemos esto y medimos luego la Z del rotor, teniendo la precaución de medir tensión en los anillos, ya filtrada, observaremos un importante descenso de nuestro recién bautizado índice G_CR.

 Para concluir solo resta mencionar que hay generadores nuevos que fueron concebidos en fábrica para ser alimentados por excitatrices estáticas, incluso algunos generadores de gran potencia tienen dicha excitatriz montada sobre su eje para lograr una configuración del tipo “brushless” incluso con una excitatriz electrónica. Estas máquinas tienen su circuito magnético rotórico preparado para este tipo de ondas contaminadas. Los rotores son laminados y poseen jaulas de amortiguación de un material conductor (cobre o latón) en las expansiones polares para darles un camino de bajas pérdidas a las corrientes de Foucault y a otras corrientes transitorias producto del normal funcionamiento y así evitar pérdidas en el hierro no deseadas.

Los sistemas electrónicos solucionan muchos problemas y hacen más sencillo y eficiente muchos procesos productivos. Pero a la hora de incorporar sistemas modernos de control en máquinas eléctricas que no fueron concebidas para ese uso hay que tomar ciertas precauciones y profundizar un poco el análisis antes de realizar la reforma.