Ebook - Regulación de Velocidad Grupo Hidroeléctrico

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ELEMENTOS DE REGULACION DE UN GRUPO H I DROELECTRI CO

Departamento mecánico y civil 1985

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EMPRESA NACIONAL DE ELECTRICIDAD s. A.

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Esquema del bucle de regulación

Elemento de estabilización

Estatismo

Carga-Velocidad

Acelerómetro

Recapitulación

Propiedades del regulador

Sensibilidad

Fidelidad

Estabilidad y prontitud

Autorregulación

Prontitud

Tiempo muerto del servomotor

Regímenes de funcionamiento

ANEXO

Consideraciones sobre el funcionamiento de los grupos hidroeléctricos.

La producción de energía eléctrica

Ventajas de la interconexión

Limitación de funcionamiento

Cargas críticas

Torch

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ELEMENTOS DE REGULACION DE

UN GRUPO HIDROELECTRICO

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De acuerdo a lo mencionado en la publicación "consideraciones sobre el funcionamiento de los grupos hidroeléctricos", vemos que un regulador de velocidad es en realidad un adaptador permanente de la producción al consumo. Se ha determinado que el parámetro que sirve de imagen para detectar la diferencia entre la potencia demandada en el sistema y la potencia generada es la frecuencia o velocidad, que en adelante emplearemos como sinónimos.

En consecuencia, el primer órgano que debe comprender el regulador será un elemento que detecte la velocidad y sus variaciones con una alta sensibilidad y sin retardos en el tiempo (sin desfase). Adicionalmente la información entre la unidad y el detector deberá trasmitirse también sin retardos ni deformaciones.

Los reguladores de velocidad de los grupos fabricados desde principios de siglo hasta los fabricados alrededor de 1960, eran mecánicos. El organo detector estaba constituído por un tacómetro, conjunto de masas centrífugas que al girar establecían una fuerza que era equilibrada por resortes antagonistas. Para cada valor de la velocidad de giro se establecía una posición única del tacómetro por efecto de este equilibrio.

En los primitivos reguladores, la información era trasmitida desde la unidad a los tacómetro mediante una correa. Este sistema estaba expuesto a fallas debido a la posibilidad de cortadura de ella y además se trasmitían irregularidades, por la forma de su pega. En los modelos más desarrollados se llegó a la trasmisión eléctrica entre la unidad y la cabeza del regulador, mediante un generador de imanes permanentes (GIP) , accionado por el eje de la unidad que alimentaba en forma exclusiva un motor eléctrico que, a su vez, accionaba directamente el tacómetro.

Los tacómetros, a su vez, fueron mejorando su estructura, diseñ~ndose modelos en que todos los apoyos y pivotes eran montados en rodamientos, incrementando su sensibilidad. Incluso, en los modelos más avanzados, se habían eliminado los puntos de pivote, no existiendo roce, con lo que se logró un tacómetro, de alta sensibilidad, como ser el tacómetro NEYRPIC de Sauzalito •

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Trazando un esquema global simplificado del bucle de regulaci6n, esquema 1, vemos que a continuaci6n se tiene el regulador propiamente tal, encargado de elaborar las ordenes correctivas de acuerdo a la informaci6n recibida del tac6metro. Finalmente encontramos una etapa de potencia, necesaria para accionar el distribuidor de la turbina, venciendo las fuerzas importantes creadas por las reacciones hidráulicas. Esta etapa de potencia, que clásicamente emplea energía en la forma oleohidráulica, está precedida por varias etapas de amplificaci6n, las que se encargan de llevar las señales de salida del elaborador de ordenes a un nivel necesario de potencia para operar la etapa de accionamiento final, que se presenta generalmente en forma de un servomotor. El servomotor puede ser único (Abanico) o múltiple, como El Toro donde existen seis, uno por cada inyector.

Empezaremos ahora a modificar este esquema elemental del bucle de regulaci6n, para destacar los diferentes organos que lo componen.

De partida debemos aclarar que el regulador efectúa una comparaci6n entre un valor que se ha fijado para ser mantenido y el valor que tiene en realidad el elemento regulado. Este valor, que por ahora vamos a considerar fijo, lo llamaremos "consigna". En el hecho, el regulador de velocidad compara este valor con la velocidad que tiene el grupo, según la informaci6n del tac6-metro. De aqui resulta uno de los hechos fundamentales en estos sistemas, el regulador inicia una acci6n correctiva s6lo cuando detecta una diferencia entre la consigna y el valor actual de la velocidad, que es su variable regulada.

Vemos entonces que los reguladores de velocidad pertenecen a los sistemas de regulaci6n con retroalimentaci6n (feedback control systems). Es destacable el hecho que todos los sistemas de control del organismo humano, para el mantenimiento de su funcionamiento básico, son bucles de control con retroalimentaci6n.

Volviendo a nuestro regulador, podemos establecer una de las primeras características que debe cumplir: la sensibilidad. Cuanto más pequeño sea el error de velocidad a partir del cual inicia su acci6n correctiva, más sensible será. Destacamos que inicia su acci6n correctiva, faltando muchas otras características para considerar la correcci6n realizada correctamente.

En el esquema 2 se ha incluido el GIP y la consigna. El signo Q9significa sumador algebraico (comparador). Más adelante, cuando los sumandos sean más numer6sos lo reemplazaremos por~, que significa lo mismo.

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Si se contara con un regulador construído según este esquema para controlar una turbina hidráulica, su regulación sería muy deficiente, aún cuando fuera extremadamente sensible.

El problema sería que no cuenta con ningún elemento de estabilización que tome en cuenta el comportamiento de las masas rotatorias debido a su inercia. Una vez que se aplica un torque correctivo, positivo o negativo, las masas toman un tiempo para alcanzar de nuevo la velocidad de consigna.

Este problema puede volverse sumamente complejo si, además, las características de la obra hidráulica son restrictivas. Vale decir,si debido a la geología del lugar se tiene una tubería larga, respecto de la caída bruta, siendo además el diámetro reducido debido a imposiciones económicas. En este caso sería relevante el comportamiento transiente del agua en la aducción que precede al distribuidor (yen el conducto de descarga en las máquinas de reacción). Fundamentalmente estas características adversas nacen de la inercia del agua, debido a su gran masa volum~trica y al caracter ondulatorio que toman las variaciones de presión engendradas al variar el gasto, lo que podemos denominar sensibilidad al golpe de ariete.

Si quisieramos aumentar la potencia de la turbina abriendo el distribuidor desde 50 a 60%, sería necesario aumentar la velocidad del agua en la tubería, ya que considerando constantes los parámetro Hn y Hz, debemos aumentar el gasto; a su vez para aumentar el gasto, como la sección de la tubería es constante se debe finalmente incrementar la velocidad del escurrimiento. Podemos pensar que toma un cierto tiempo para que toda la columna de agua alcance la nueva velocidad, lo que será función de su largo.

Si por otra parte inscribimos la presión inmediatamente aguas arriba del distribuidor, veríamos que al efectuar en forma rápida el incremento de abertura entre 50 y 60%, se produci~ ría una súbita disminución de la presión, por ende, de la altura neta. La disminución de la altura neta opera en sentido contrario a nuestros deseos de incrementar la potencia. Además esta disminución de la presión se trasmite como una onda que recorre la tuberia hacia aguas arriba, se refleja en la cámara de carga o chimenea de equilibrio, es decir se transforma en una onda positiva y regresa hacia la turbina. Como este recorrido toma un tiempo en llevarse a cabo, cuando regresa como onda de sobrepresión (semi-periodo), es probable que incremente la potencia más allá de lo que deseabamos originalmente, provocando el inicio de una corrección en sentido de disminuir por parte del regulador.

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Para que no se produzca ésto,en una magnitud que sea nociva para la estabilidad, es decir, para que no aparezcan oscilaciones de carga y frecuencia mantenidas o crecientes, tendremos que efectuar las variaciones de abertura del distribuidor, no rápidamente, sino a una velocidad que asegure que las ondas sean pequeñas y se amortiguen.

Es más o menos claro que si la correCC10n de la potencia sólo se puede hacer lentamente, la irregularidad provocada por una diferencia entre la demanda y la generación, no sólo va a ser de mayor magnitud sino durará más tiempo hasta completar su corrección, apareciendo como defectuosa la regulaci6n de la frecuenc ia (velocidad).

Tocamos aquí uno de los problemas de regulación de frecuencia y ajustes de los reguladores de velocidad que es más dificil hacer comprender a la mayor parte del personal técnico relacionado con esta materia. Esto es: las aptitudes para regular frecuencia (velocidad), cuando se comparan instalaciones, es dependiente de las limitaciones impuestas por las características de la instalación y no del regulador de velocidad instalado.

Volviendo a nuestro regulador primitivo, según el esquema 2, supongamoslo trabajando en una instalación sin graves restricciones de la obra hidráulica. Como decíamos su comportamiento sería inadecuado por falta de elementos de estabilización. En el esquema 3 aparece los resultados de este comportamiento, mostrán dose la historia de la velocidad y de la posición del distribuidor en función del tiempo. Estamos suponiendo que hasta el instante A la máquina funcionaba en régimen permanente,permaneciendo constante la velocidad, esto implica igualdad de potencia demandada y generada.

En ese instante (A) se produce una disminución de la demanda y la velocidad (Hz) aumenta.

Como nuestro regulador es sensible comienza de inmediato su acción correctiva, dando inicio al cierre del distribuidor con una velocidad dada. En B la frecuencia (velocidad) pasaba por su máxima discrepancia respecto de la consigna, error máximo, y el regulador continúa cerrando el distribuidor. Entre B y C se mantiene el error y como este es positivo, continúa el cierre del distribuidor. En C coincide la velocidad con la consigna, pero como las masas rotatorias venían reduciendo la velocidad, por efecto de la inercia, ella continúa bajando más allá de la consigna. A partir del instante C el regulador detecta un error negativo y su corrección hará abrir el distribuidor. Entre C y D la frecuencia se mantiene bajo la consigna y durante todo este tiem po el regulador hará abrir el distribuidor. En D la velocidad corresponde nuevamente a la consigna pero debido a la inercia, la velocidad irá más allá de la consigna y se repetirá todo el ciclo.

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Vemos que es necesario que el regulador incluya un elemento que en alguna forma detenga el distribuidor entre B y C y que lo mantenga detenido mientras la velocidad vuelve a su valor de régimen. Por ejemplo que lo detenga en el punto c', esquema 4, con lo cual la velocidad volvería a la consigna según C' D'.

Para esto el elemento de estabilización, tendría que hacer cero el error en el elaborador de ordenes y luego ir haciendo desaparecer su intervención mientras el verdadero error entre la velocidad y la consigna se reduce a cero entre C' y D'.

Esto se ejecuta clasicamente en los reguladores mecánicos mediante un dash - pot, que toma la señal de salida del distribuidor, la multiplica por un factor constante y la reinyecta antes del elaborador de ordenes, (retroalimentar = feed-back), de modo que se anule mo~entáneamente el error que detecta el elaborador de ordenes. A continuación el dash-pot debe recobrar su longitud primitiva, relajación. Esta relajación debe efectuarse considerando la forma como la velocidad se normaliza, es decir, de tal modo que no exista error de salida en el sumador entre C' y D' esquema Nº 4. Ver esquema Nº 5.

Un regulador construído según este esqu.ema, ya podría funcionar satisfactoriamente, siempre que trabaje sólo en red aislada. CO-.TIO siempre la velocidad volvería al valor de consigna, sin importar el valor de la carga entre O y 100%, se dice que su regulación sería plana o "astática"o

Hemos alabado la interconección de grupos y redes, luego nuestro regulador debe poseer los elementos que permitan su funcionamiento en paralelo con otro grupo o grupos de generación en condiciones satisfactorias.

Si dos unidades con reguladores como el del esquema 5 se lograran poner en paralelo, 10 que sería dificil, podría suceder lo siguiente: la consigna del primero podría ser más elevada que la del segundo, como los dos grupos rw~cionan a la misma frecuencia (velocidad) ella estaría comprendida entre ambas, luego el grupo 1 detectaría un error negativo de velocidad procediendo a abrir el distribuidor al máximo, en cambio el 2 vería un error ~:)Qsi t i vo __ y botaría toda su carga.

El elemento que permite el funcionamiento de dos o más grupos en paralelo es el ESTATISMO. Este dispositivo recibe una señal desde la salida del servomotor (más adelante veremos que se podrá derivar desde la potencia en bornes del grupo), y la retroalimenta dosificada al sumador, de modo de modificar su salida, la que ahora será dependiente de la carrera del distribuidor, o

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bien, su salida será una función de la abertura del distribuidor (o de la potencia en bornes). Esta retroalimea±ación se hace con signo negativo, es decir, a medida que se abre el distribuidor (aumenta la potencia), se resta un valor mayor, tal como si se hubiera bajado la consigna. En otras palabras, produce una disminución del punto de funcionamiento estable cuando la potencia pasa de cero a plena carga.

En el esquema 6 aparece el diagrama de bloques de un regulador que contiene el estatismo. En este esquema la señal de salida del servomotor se retroalimenta al primer sumador, modificando en el hecho la consigna. Consideremos un grupo funcionando aislado y veamos como es la relación entre la frecuencia (velocidad) y la abertura del distribuidor (carga) cuando se varia entre O y 100%. Esquema Nº 7.

Supong~mos que el estatismo fijado (ajustado) fuese 4%. Supongamos, además, una serie de regímenes estables entre O y 100%. Para cero· carga la frecuencia sería 50 Hz, conincidiendo con la consigna original. Si la carga sube a 25%, la frecuencia caería a 49,5 Hz. Igualmente al subir sucesivamente a 50, 75 y100%, vemos que la frEcuencia baja a 49, 48,5 y 48 Hz respectivamente. O sea la frecuencia entre cero y plena carga ha variado desde el valor original 50 Hz a 48 Hz., esto es, 2 Hz que es el 4% de 50 Hz y que define el valor nominal que hemos dado al estatismo. Ahora si la carga de esta uniaad aislada variara a 50% la frecuencia volvería a 49 Hz. La curva APQ, curva de estatismo, define entonces el valor de la consigna equivalente que posee la unidad, siendo ya no un valor fijo como veíamos al principio, sino un valor dependiente de la abertura del servomotor. Vemos que aparece la propiedad más destacable del estatismo, existe un valor único de la frecuencia para la condición de régimen permanente para cada valor de la abertura (potencia), esta relación 1:1 (uno a uno) o biunívoca establece una relación estable. Para nuestro ejemplo si la frecuencia de funcionamiento es 49 Hz la unidad tiene 50% de su carga y no otra, en régimen aislado esta caída de la frecuencia (de 2 Hz en el ejemplo), sería inaceptable, tendremos que considerar la inclusión de un dispositivo que nos permita variar la consigna de modo de compensar la disminución provocada por el estatismo. Así en nuestro ejemplo, podríamos llevar la consigna desde P a P', volviendo el valor de la frecuencia a 50 Hz. En este caso la curva de estatismo se ha desplazado a A'P'Q'. Si ahora la carga sube a 100% la frecuencia de régimen permanente sería 49 Hz. Tendríamos que variar nuevamente la consigna para restablecer la frecuencia a 50 Hz.

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Cabe preguntarse si estando la unidad en el punto de funcionamiento Q", opera algún elemento que desconecta la unidad ¿ a que frecuencia se la tendría funcionando una vez pasado el transiente y alcanzado el régimen permanente de unidad en vacío ? sencillamente según la curva de estatismo A"P"Q" , para la condición cero carga, se establece que la unidad quedaría en vacío con 52 Hz. Esquema Nº 7 (b).

Si en vez de hacer funcionar esta unidad en red aislada, la deseamos conectar a un sistema interconectado en el cual operan otros grupos de generación, primero mediante el variador de consigna de frecuencia (velocidad) deberíamos reducir su velocidad para que coincida con la que tiene dicha red. El valor que tiene la frecuencia de la red en todo instante es., en realidad, una variable aleatoria, que queda determinada principalmente por la coincidencia de la potencia demandada con la potencia generada, la consigna que se haya establecido en cada grupo, etc. En nuestro sistema interconectado la frecuencia se mantiene en 50 Hz más 0,2 Hz menos 0,2 Hz el 9~,8 % del tiempo. Considerando que esta banda es pequeña, podemos pensar que la red tiene una frecuencia estable de 50 Hz, se dice en estos casos que se considera una red infinita. ¿ Que pasa ahora al variar la consigna de nuestro grupo una vez conectado? Tenemos el grupo con cero carga en A, del esquema 7b, y 50 Hz. Si subimos la consigna de velocidad, esta no cambiará ya que estamos en una red infinita, pero esta señal introducida en la consigna crea una salida (error) que hace que el grupo abra el distribuidor y se incremente la potencia que entrega, por lo cual podríamos llevar la potencia a 50% y como la frecuencia se mant~ene en 50 Hz tendríamos la unidad funcionando en el punto P'. En realidad lo que hemos hecho al variar la consigna ha sido desplazar la curva de estatismo original desde APQ a A'P'Q'. Si continuamos subiendo la consigna podremos llevar la unidad a 100% de carga, osea al punto Q". En el hecho habremos desplazado la curva de estatismo a A"P"Q".

Vemos que con el dispositivo para variar la consigna, que primitivamente se había incluído para variar la velocidad del grupo, podemos variar su carga una vez conectado a la red. Es por eso que este dispositivo recibe el nombre de "carga-velocidad" en los reguladores mecánicos. Más adelante se verá que en los reguladores con elaborador de ordenes electrónico se ha incluído dos variadores de consigna, uno con el nombre de velocidad y otro con el nombre de consignador de carga, en el fondo operan exactamente igual pero se obtienen algunas ventajas adicionales, por ejemplo, en la indicación de los valores consignados.

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Observando la curva de estatismo, que cambia la consigna en fución de la abertura del distribuidor (o de la carga) siendo mayor la consigna a medida que se reduce la abertura, vemos que es máxima para la unidad en vacío. Comparando esta variación de la consigna con el trabajo que hace un dash-pot, resulta que tambi~n el dash-pot modifica la consigna, trabajo que ejecuta en forma transiente (momentáneamente). Por esto tambi~n el dash-pot recibe el nombre de "estatismo temporal" y a aquel que permanece se le designa con el nombre de "estatismo permanente " para diferenciarlo. En el esquema Nº 6 se ha incluido estos nombres equivalentes.

Volvamos atrás y consideremos nuevamente un grupo aislado dotado de un regulador primitivo según el esquema Nº 2. Supongamos que se mantiene estable su velocidad hasta el punto A del esquema Nº 8. En el tiempo A se produce una disminución de la demanda y por efecto de la diferencia a la generación la velocidad crece. El regulador, al igual que antes, detecta el error y corrige reduciendo la abertura (carga). Tracemos en la curva que muestra la velocidad en función del tiempo, las rectas tangentes ~ , T~ T3 Y T~. Vemos que ellas tienen diferente inclinación. Así T~representa la forma como está cambiando en A la velocidad en función del tiempo y en ese instante, T~ como cambia la velocidad en el instante B. El cambio de la velocidad en función del tiempo es ciertamente la aceleración y las tangentes trazadas representan a la aceleración instantánea en cada uno de esos puntos.

Vemos que la aceleración es mayor en el inicio A, en B y D la magnitud es igual pero en B la velocidad va en aumento, luego la aceleración es positiva, y en D la velocidad disminuye luego es negativa. En cambio en C la aceleración es cero, no hay cambio instantáneo de la velocidad.

Con estas observaciones se podría pensar en la construcción de un regulador de velocidad que tubiera un elaborador de órdenes que además de considerar el valor y sentido del error de velocidad, considerara el valor y sentido (signo) de la aceleración. Esto es, en tanto la velocidad y la aceleración fueran del mismo signo se adicionaran y si fuesen de sentido contrario se restasen. Para el caso del esquema Nº 8, mientras la aceleración es positiva, entre A y C, se suman los efectos de la velocidad y aceleración. Pero entre C y D la aceleración se restaría de la señal de error de la velocidad o tacom~trica. Se podría dar a la señal acelerom~trica un valor tal que anulara la señal tacom~trica en el punto D', no tendría salida el elaborador de órdenes y el distribuidor se detendría, igual que en el esquema Nº 4, con lo cual lograríamos tambi~n la estabilización.

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Estas ideas se tenían claras desde principios de siglo, pero por las dificultades tecnológicas de construir un acelerómetro cuya sensibilidad correspondiera a la alcanzada en los tacómetros, no fueron muchas las soluciones realizadas que mantengan su actualidad. Los reguladores fabricados según este principio reciben el nombre de "Acelero-tacométricos".

En el esquema Nº 9, se presentan disposiciones típicas de un regulador tacométrico con estabilización por dash-pot y un regulador acelero-tacométrico. En el esquema Nº 10 se muestra en diagrama de bloques la disposición de un regulador acelero-tacométrico. Se puede observar que la señal de velocidad del GIP se transmite a un tacómetro y a un acelerómetro, el error de velocidad es compuesto en el sumador beta, obteniendose en su salida el error de velocidad más o menos la aceleración. Se hace notar que de todas formas se conserva en este esquema el bucle adicional del estatismo permanente (DROOP), para permitir el trabajo en paralelo de la unidad equipada con este tipo de regulador.

Haciendo una recapitulación podemos establecer que los reguladores de velocidad pertenecen a un conjunto de sistemas de control denominados controladores con retroalimentación (Feed-back control systems) o servomecanismos, cuya característica principal es la continua comparación de la variable controlada, que en general es una imagen del comportamiento del sistema regulado, respecto de un valor preestablecido o consigna.

Vemos que la acción correctiva se establece a pa~ tir de una discrepancia entre estos valores, lo que se denomina error.

El valor de consigna fue considerado en un princi pio fijo, pero se Vl0 que era necesario modificarlo para adaptar el regulador a ciertas condiciones de trabajo, en especial el trabajo de grupos en paralelo. El mecanismo que permite hacer esta variación recibe en el caso de los reguladores de velocidad mecánicos, el nombre de carga-velocidad.

Las acciones que efectúa el regulador actúan sobre lo que se denomina sistema regulado o planta. Para nuestros fines podemos considerar la planta como compuesta por el grupo turbina-generador. No mencionamos por el momento a la tubería debido a las complejidades que implicaría, esperando para más adelante hacer un esbozo de su influencia.

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La planta recibe a su vez la acción de los elemen tos con los que trabaja concadenada. En el caso de un grupo turbi~ na-generador recibe el efecto de la carga del sistema eléctrico en el cual actúa. A las acciones externas que influencian la planta se les denomina perturbaciones.

Se ha visto que la acción correctiva que emprende el regulador, debe realizarse de tal forma que tome en cuenta como la planta reaccionará a las señales de corrección. Vimos que en el caso más elemental, el regulador debe comprender elementos compensa dores que consideren la respuesta inercial de la planta, es decir, que tomen en cuenta el hecho que al darse un cambio en la variable de regulación, posición del servomotor, pasará un tiempo hasta que la planta alcance la nueva condición de operación que corresponde a la nueva posición del distribuidor.

Este elemento está compuesto, en los reguladores mecánicos, por un dash-pot que crea un estatismo temporal, bastante mayor que los valores normales del estatismo permanente, cuya influencia es hecha desaparecer en función del tiempo por el by-pass. Se mencionó que para lograr este fin, algunos reguladores mecánicos poseían un elemento totalmente diferente constituído por un aceleró metro. La acción realizada ya sea por el dash-pot o por el acelerb metro se concreta a modificar el error, diferencia entre la consigna y la variable regulada, de modo de hacerlo temporalmente cero mientras la planta alcanza naturalmente su nuevo estado de equilibrio.

Se dice también que el acelerómetro actúa en la cadena de acción directa, mientras que el dash-pot actúa en la cade na de reacción.

Propiedades que debe cumplir un regulador de velocidad

Sensibilidad

Ya hemos mencionado una de las propiedades básicas que debe cumplir un regulador, sea del tipo que sea, esto es sensibilidad. Que puede visualizarse como la más pequeña variación de la variable regulada que es capaz de detectar para iniciar su acción correctiva. Observando la fig. Nº 11 vemos que se puede estipular la sensibilidad al punto 1, lo que nos daría la sensibilidad del de tector, al punto 2 donde tendríamos la sensibilidad a la salida da elaborador de ordenes o al punto 3, donde tendríamos la sensibilidad global del sistema de regulación.

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El valor de la sensibilidad se expresa mediante el antónimo, es decir, lo que se mide es la insensibilidad. En los reguladores modernos el valor comúnmente obtenido es bastante pequeño, del orden de 4 x 10- 4 en valor relativo. De acuerdo a la norma CEI J08, sobre reguladores de velocidad de instalaciones hidroeléctricas, es la mitad de la llamada zona muerta de velocidad.

Para determinar la insensibilidad contractual la norma especifica el empleo de aparatos de inscripción de gran preciSl0n. Se puede tener una idea de la sensibilidad haciendo senci llas pruebas estáticas. Podemos pensar que la insensibilidad se debe a la existencia de roces anormales y de recubrimiento exagera dos en válvulas distribuidoras. Se puede reemplazar, con la uni-dad detenida, el tacómetro por una varilla que comanda directamente la válvula distribuidora que lo sigue. Midiendo a la centésima de milímetro el desplazamiento que tendría que efectuar el tacómetro para que su señal alcance el servomotor de la turbina, se tendría en esta forma una idea de la insensibilidad global estática.

Fidelidad

Es la permanencia en función del tiempo de la señal de salida del sistema de regulación cuando se mantienen las con diciones de la entrada o consigna. En otra forma se puede decir -que no deben existir variaciones notables en función del tiempo cuan do se mantengan las condiciones de consigna en régimen permanente. -

La falta de fidelidad se llama deriva y es común en reguladores mecánicos con relés de persecución cuando la posición relativa es influenciada por la variación de viscosidad del aceite con la temperatura. Esto fué también uno de los problemas de los primeros reguladores eléctricos y electrónicos, los cuales variaban su punto de operación luego de ser puestos en servicio, debido al corrimiento de los amplificadores.

Estabilidad y prontitud

Se mencionan juntas estas dos características por que ellas interactúan entre sí, es decir, no puede incrementarse iñ dependientemente una sin menoscabo de la otra. Por otra parte que~ remos recalcar que ellas dependen solo parcialmente de los regulado res de velocidad y preponderantemente de las características de la planta. En nuestro caso, regulación de frecuencia o velocidad de un grupo hidroeléctrico, son determinantes el tipo de turbina y su aducción hidráulica.

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Se puede imaginar que si una planta presenta malas características para intervenir en la regulación de frecuencia, dotándola de un regulador perfeccionado que contenga elementos compensadores eficientes, se podría corregir su respuesta. Esto es cierto en parte, ya que lo que se pOdrá lograr será hacer menos mala su intervención, sin poder alcanzar, digamos, las respuestas de los grupos de una Central cuya obra hidráulica no tenga restricciones, aun cuando sólo tengan reguladores corrientes. En el hecho las malas características para intervenir en la regulación de frecuencia, sólo pueden ser corregidas en la etapa de proyecto. Como la longitud de la tubería en las diferentes soluciones de un proyecto dado, es casi similar, la variable que interviene es el diámetro de la tubería, el que debería seleccionarse para dar las características de regulación. Esto quiere decir que incrementando el diámetro se obtienen mejores características. Pero el costo es fuertemente dependiente del diámetro, por lo cual la determinación de su valor apropiado es un problema de estudio económico.

Por otra parte también es un problema económico la determinación del otro factor que interviene en las características de estabilidad de un ~rupo, el GD2 o momento de inercia del mismo. Vale decir a mayor GD mejores características y facilidad de regulación. Las soluciones impuestas por el criterior económico generalmente desembocan en solo alcanzar las condiciones mínimas de es tabilidad que permitan el funcionamiento del grupo sin alterar el sistema eléctrico en que funcionará. Finalmente se pretende que la "planta" tenga estabilidad, aun a costa de una prontitud pobre que haga impracticable su participación en la regulación de frecuencia.

Tratemos ahora de definir estabilidad. Para ésto la consideraremos ligada sólo a la "planta" o sistema regulado. Po dríamos hablar así de la estabilidad "intrínseca" de la planta, en ausencia de la acción de un regulador. Así la estabilidad de un sis tema sería la habilidad del sistema, o de sus elementos constituti-vos, para que en presencia de una perturbación desarrolle fuerzas restauradoras iguales o mayores que las producidas por la perturbación, de modo que se restasblezca el estado de equilibrio entre los elementos del sistema.

Para aclarar esta definición consideramos el caso elemental de una unidad hidroeléctrica sirviendo sola un consumo aislado. Supongamos que el consumo está compuesto principalmente por motores eléctricos acoplados a cargas inerciales, como ser moli nos de tratamientos de minerales. Al presentarse una perturbación~ desconexión de algún equipo, por ser mayor el torque motor que el resistivo de la carga, todo este sistema, grupo hidráulico y resto del consumo tenderá a incrementar su velocidad. La forma en que se incremente la velocidad en función del tiempo, que no es otra cosa que la aceleración angular, será inversa a la inercia total del sis

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tema y en este caso será pequeña debido al agregado inercial de la carga. Por otra parte, este tipo de carga tiene como característica el exigir un aumento del torque al aumentar la velocidad y sabemos que el torque motor entregado por una turbina hidráulica es decreciente en función de la velocidad y de hecho se hace cero a la velocidad de embalamiento. Por lo tanto se puede pensar que se podrá alcanzar un nuevo valor de velocodad en que se equilibrará el torque resistivo y el motor, aún en ausencia de un regulador de velocidad. Es evidente que el nuevo punto de funcionamiento puede te ner un valor de frecuencia o velocidad inaceptable, haciendo necesa ria la intervención del regulador de velocidad, que en este casotendría una tarea más liviana debido a la colaboración del sistema. Esta característica relativa a un sistema dado se denomina "autorre gulación" •

En el otro extremo podríamos suponer que existirán sistemas eléctricos que tendrán características pobres de autorregu lación. Por ejemplo un sistema cuyas cargas sean resistivas puras~ tendrá baja autorregulación dado que el torque requerido bajará al subir la velocidad y no existirá tendencia a alcanzar un nuevo esta do de funcionamiento en régimen permanente. Será en estos casos -que el sistema de regulación de velocidad tendrá una labor más difí cil y sus ajustes serán más críticos.

Podemos hablar ahora de la estabilidad referida al conjunto "planta y regulador". La estabilidad respecto de este conjunto será "al presentarse una perturbación el regreso del sist~ ma, sin alteraciones exageradas ni retardos anormales y en una forma impuesta por el regulador, a un régimen de equilibrio estable que coincida con la consigna, obtenido con el mínimo de oscilaciones".

Hasta aquí hemos hecho sólo una descripción cuali tativa de la estabilidad y faltaría su cuantificación, es decir, p~ der expresar un valor, una cifra que la represente.

Desgraciadamente no existe tal cifra. Incluso la Norma citada, CEI 308, no se refiere a la estabilidad como un parámetro medible, ni menos como un valor contractual exigible.

En la teoría general de los servomecanismos apare ce lo que se denomina "criterios de estabilidad". Basados en el an1l lisis del modelo matemático o "función de transferencia", del conjunto planta-regulador, se establecen condiciones que deben cumplir los valores resultantes de estas ecuaciones, necesitándose para su comprensión el dominio de matemáticas avanzadas.

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Como criterio práctico para evaluar la estabilidad de un bucle planta-regulador, nosotros emplearemos uno de los métodos utilizables en terreno, que tiene la ventaja de poder ser realizado con los medios de inscripci6n local de las centrales hidráulicas. Este método se denomina "respuesta a una señal esca16nl' Consiste en introducir una señal brusca de cambio con el elemento carga-velocidad, equivalente a 0,5 Hz (1% de variaci6n). La condici6n más desfavorable de estabilidad se tienen con la unidad en vacío, desconectada de la red y con estatismo permanente cero. Es en estas condiciones que debe ser realizada esta prueba, ya que siendo fácilmente reproducible este estado, servirá además para conocer en funci6n del tiempo si la estabilidad ha sufrido variaciones que determinen la necesidad de intervenci6n en el equipo.

En la fig. Nº!.3 aparece la respuesta ideal (a), en (b) una respuesta mala,ya que la unidad presenta una oscilación permanente indeseable, en (c) una respuesta mediocre, ya que la estabilidad se alcanza después de varias oscilaciones, en (d) una res puesta también mediocre ya que el tiempo que dura la etapa hasta al canzar el nuevo punto de funcionamiento es exagerado. Finalmenteen (e) tenemos una respuesta real aceptable.

La prueba se realiza,entonces, con la unidad en vacío excitada para inscribir la velocidad en el frecuencímetro ins criptor de sala de comando. Se somete a la unidad a variaciones es ca16n de 0,5 Hz dentro del rango del inscriptor, generalmente 48 a 52Hz. Las variaciones pueden ser en ambos sentidos y debiera obte nerse respuestas simétricas. La cuantificaci6n se puede hacer como lo indica la fig. NºL4-, donde aparece indicado el "sobrepaso" y la 'raz6n de amortiguaci6n".

Nos referiremos ahora a la "prontitud". La norma citada define lo que denomina "Tiempo característico de la prontitud", que es el cuociente entre el error de frecuencia expresado en valor relativo y la velocidad relativa de desplazamiento del servomotor de la turbina,alcanzada en régimen permanente provocada por ese error de frecuencia.

En esta forma se puede evaluar la prontidud que puede alcanzar un grupo y compararla con el obtenido en otra instalaci6n.

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Tiempo muerto del servomotor

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Finalmente nos referimos al tiempo muerto del servomotor de la turbina, valor suceptible de especificación contractual de acuerdo a la Norma lEC 308. Se define como el interva lo de tiempo que separa una variación específicada de velocidad o de la señal de consigna y el primer movimiento detectable del servomo tor resultante de esta variación.

Regímenes de funcionamiento exigidos a un regulador de velocidad

Existen cuatro regímenes de funcionamiento que de be cumplir un regulador de velocidad, los que se logran con difereIi tes características y ajustes.

1. Régimen permanente. Corresponde en general al caso en que todos los parámetros de la instalación regulada y del regulador son constantes. El grupo funciona a carga, consigna y altura neta constantes. En este régimen las características importan tes serán la precisión, la ausencia de oscilaciones propias mañ tenidas o bien de valor reducido, la ausencia de derivas quemodifiquen el punto de funcionamiento y por ende la carga.

2. Régimen variable de pequeña amplitud. Este régimen se presenta cuando el conjunto instalación regulada y regulador es sorne tido a pequeñas variaciones, como ser fluctuaciones de la carga del alternador provocadas por la red, modificación de las señales de consigna, etc. Las variaciones son de amplitud suficientemente pequeña para que ningún componente del regulador alcance la saturación. Vemos que este régimen corresponde a la condición en que la instalación participa de la regulación de frecuencia del sistema eléctrico en que entrega el alternador. En este caso son preponderantes tanto la prontitud como la estabilidad. La respuesta del conjunto regulador-planta de be caracterizarse por una rápida acción de modo de disminuir -la magnitud de una incidencia, error entre la frecuencia del sistema y el valor de consigna, y además de modo de alcanzar el nuevo estado de equilibrio con el mínimo de oscilaciones, acor tando de este modo la duración de la incidencia.

En este régimen hemos diferenciado para los grupos conectados a nuestro sistema, dos tipos de funcionamiento, en base a la

• forma como se regula la frecuencia hasta ahora. Aparece aS1 lo que hemos denominado como "unidad reguladora piloto" y "uni dad colaboradora".

Unidad reguladora piloto. Es aquella unidad que funciona conectada a la red con estatismo permanente cero, vale decir su consigna es única independiente de la carga y su prontitud ha sido incrementada para responder con una tasa de variación mayor de su potencia para la misma señal de error.

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Este incremento se hace a expensas de la estabilidad del grupo el que se "apoya" en el resto del sistema para lograr la estabilidad adecuada del conjunto de unidades y carga.

Se deduce entonces que con estos ajustes no es conveniente que la unidad funcione en vacío fuera de la red, ya que podría alcanzar oscilaciones peligrosas de velocidad y presión en la aducción.

De acuerdo ~ lo analizado sobre el estatismo permanente, se po drá visualizar que sólo una unidad del Sistema Interconectadopodrá funcionar como "unidad reguladora piloto". Además se ve rá que esta unidad es la encargada de absorber, en régimen pe~ manente, las variaciones de carga del sistema.

Por extensión denominamos "Central reguladora piloto", aquella Central que tiene una de sus unidades como reguladora piloto.

Unidad colaboradora. En general todas aquellas unidades que se encuentran generando en el sistema deslimitadas funcionan como colaboradoras. Su estatismo permanente es diferente de cero y su prontitud es la normal. La acción de estas unidades se manifiesta en tanto dura una incidenica, vale decir, sólo mientras la frecuencia del sistema difiera del valor de la con signa 50,00 Hz. Como hemos visto, la intervención o colabora= ción de cada grupo estará condicionada por su estatismo permanente y sabemos que la variación de su potencia será inversa al estatismo. Por extensión hemos designado como Central cola boradora aquellas cuyos grupos tengan estatismo diferente de cero y funcionen deslimitadas.

Régimen de funcionamiento de unidad enclavada. Representa la situación más simple desde el punto de vista del regulador, el servomotor de la turbina queda impedido de moverse, no respondiendo a las variaciones de frecuencia normales del sistema. Para lograr ésto la consigna se sube sobre la equivalente a la carga a través del estatismo permanente. La única exigencia que se pide al regulador es la ausencia de oscilaciones en el servomotor, de modo de no perturbar al resto de las unidades. En estas condiciones la carga es fija independiente de la frecuencia. Las unidades enclavadas aportan al sistema su efecto volante o GD2, complementando en esta forma la estabilidad gl~ bal del sistema.

4. Régiman variable de gran amplitud. Este régimen se presenta cuando las variaciones de carga o de frecuencia tienen una amplitud suficiente para "saturar" algún elemento de la cadena del regulador. En los reguladores de turbinas hidráulicas existen imposiciones en los valores de velocidad máxima de des plazamiento de los órganos de salida o servomotores.

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Los parámetros importantes serán ahora, los valores de la señal de entrada necesarios para provocar la saturación y el tiem po en que se logra esta condición. En este caso se especifican los tiempos de maniobra del regulador para las carreras de cie rre y abertura del servomotor principal, el tiempo mu~rto del regulador y los tiempos de cierre amortiguado al final de la ca rrera de cierre. En estas condiciones los requerimientos máxi~ mas del regulador serán el rechazo instantáneo de la carga máxi ma)con la altura neta máxima que puede existir en la instala- -ción para la unidad,y la toma de carga brusca. El primer caso queda condicionado por dos valores antagónicos, la sobrevelocidad máxima que puede soportar el grupo normalmente y el golpe de ariete o sobrepresión máxima que ha sido especificado para la tubería. Cuanto menor sea el tiempo de cierre menor será la cantidad de energía que acelerará el grupo, siendo menor su velocidad final. Por otra parte a menor tiempo de cierre mayor será la sobrepresión que se creará en la tubería.

En el caso q,e la toma brusca de carga, condicionada por la velocidad máxima de abertura que alcanza el servomotor, es también importante el golpe de ariete negativo o depresión y el golpe de ariete positivo en que se transforma la onda después del pri mer cuarto de perlada.

Es por eso que los valores de los tiempos de cierre y abertura son fijados en las pruebas de recepción, mediante ensayos de dis paro y toma de carga. Ellos no pueden ser modificados y será -importante su control y verificación periódica.

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ANEXO

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CONSIDERACIONES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DE LOS GRUPOS HIDROELECTRICOS

La industria de la producción de energía eléctrica pre senta una característica muy especial, que la distingue de todas las demás industrias, inclusive de aquellas que trabajan en el c,ampo energético, como ser el petróleo, el gas, el carbón, etc. Esta característica es que en todo momento la producción debe igualarse a la demanda.

Cualquier otra industria, por ejemplo la de gas licuado, puede adecuar su producción de modo de mantener existencias (stocks) acordes con las demandas extremas. Además al presentar se el caso que un usuario quede sin lograr el gas que necesita,su falta no afecta directamente al resto de los usuarios. En cambio la producción de energía eléctrica no puede, al menos has ta ahora, acumularse de modo de satisfacer las variaciones de la demanda. En otras palabras si en un cierto instante un usuario incrementa su necesidad de potencia eléctrica de 2000 a 20000 KW, ésta debe ser de inmediato cubierta incrementando la producción en 18000 KW aproximadamente.

Esto, como es de imaginarse, crea una serie de inconvenientes:

- Se debe permanentemente estar variando la producción para ada~ tarla a la demanda.

- Los grupos no pueden explotarse en sus puntos de mejor rendimiento en forma permanente.

- Se deberá buscar medios para estimar las variaciones que sufri rá la demanda.

Será necesario contar con equipos adicionales que harán, en forma automática, el acondicionamiento de la producción a la demanda. Podemos mencionar los dos de acción mas directa: el regulador de velocidad y el regulador de voltaje.

En los grupos hidroeléctricos debemos distinguir carac terísticas estáticas y características dinámicas. Es decir aque llas que se presentan cuando el régimen no varía y aquellas quese manifiestan al pasar de un régimen de funcionamiento a otro.

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Un régirruen de funcionamiento estará definido por:

- La altura neta ~n que trabaja la turbina

- El gasto o cauda.l que absorbe la turbina

- La velocidad deJL grupo

- El voltaje en bornes del alternador

- La corriente por- fase del alternador

- La corriente de excitación

Cuando r1inguno de estos parámetros varía en un tiempo dado, mas o menos largo, decimos que estamos en un régimen de fun cionamiento permanente.

Al pasar de un régimen permanente a otro, todos estos parámetros varían en función del tiempo y, lo que es notable, interactúan unos y mtros creando modificaciones adicionales.

A decir verdad, casi nunca los grupos hidroeléctricos (en general los grupos de generación eléctrica) conectados a una red de suministro eléctrico funcionan en régimen permanente, ellos están fluctuando ~u potencia, debido a la característica aleatoria de la demanda.

De toda.s maneras supongamos que s( es posible que este régimen permanent e existiera. Arbitrariamente, podemos ahora representar el grup o como una caja y pensar que lo que realiza es transformar un ti:po de energía en otro tipo, con mejores condicio nes para su trans'porte y aprovechamiento. Así quedarán definidos unos parámetros d e entrada a esta caja y parámetros de salida que están determinados, en ambos casos, por la forma de energía. Esquemáticamente te nemos:

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Vemos que la energía hidráulica queda caracterizada por la altura neta y el gasto. Se puede también visualizar que al producirse una variación en uno de los parámetros de entrada, este interactúa modificando el otro. Así si incrementamos el gasto que se entrega a la turbina se reducirá para la condición estable, la altura neta. Dentro de los límites normales, la variación en la altura neta será menos importante que la variación de gasto provocada.

Modificada la energía de entrada a la turbina cambiará la energía eléctrica de salida, debiendo variar los parámetros voltaje, corriente y frecuencia.

De aquí se desprende que para hacer que un parámetro de salida retome su valor original, se deberán adecuarse nuevamente los otros parámetros, tanto de salida como los de entrada.

Como consecuencia lógica para el mejor aprovechamiento de la energía eléctrica, queda estrictamente definida la frecuen cia, que para nuestro sistema interconectado corresponde a 50 Hz. Es decir queda fijado el parámetro velocidad, ya que en cada uni dad debe corresponder al valor que hace que la potencia eléctri~ ca sea producida en esa frecuencia. Luego al existir variaciones en la demanda, deberá corregirse la potencia entregada y se deberá adecuar los parámetros de entrada y salida, de tal modo que resulte un retorno a la condición en que la velocidad corres ponde a 50 Hz.

Se puede considerar aproximadamente que todas las máquinas rotatorias sincrónicas, conectadas a una misma red eléctrica, funcionan a la misma frecuencia. Es decir, se encuentran "amarradas" por la frecuencia. Esto se traduce en que este conjunto se comporta como si fuera una sola masa inercial o volante, que debido a su inercia se opondrá a cualquier variación de la velocidad. Vemos que inclusive aquellas unidades que no participan activamente de la regulación de frecuencia, al menos contribuyen a la estabilidad con sus masas rotatorias.

Cuando se produce un cambio en la demanda, ya sea aumento o disminución en la potencia consumida, se traduce en una desaceleración o aceleración de las masas rotatorias de todo el sistema. Cuanto mayor sea el conjunto de estas masas, mayor será la oposición a la variación.



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Este efecto, que se manifiesta en los primeros instantes de una variación de demanda, permite a los elementos que deben modificar y adecuar los otros parámetros de funcionamiento, hacerlo con una velocidad apropiada para que el retorno al funcionamiento de régimen sea estable. Estos elementos, como ya lo indicamos, son el regulador de velocidad y de voltaje.

Aparece aquí una de las ventajas de la interconexión de redes de suministro eléctrico, de modo de incrementar el número de equipos rotatorios afectados por una misma frecuencia.

Otras ventajas, no menos importantes, de la interconexió son:

- Al crecer el número de usuarios, en una misma red, las variaciones aleatorias de sus demandas, que son por aumento o disminución tienden a cancelarse entre sí.

- La posibilidad de distribución de la carga entre diferentes Centrales de modo de aprovechar al máximo la producción de las Centrales de paso. O sea, de aquellas que no poseen en su obra hidráulica la posibilidad de almacenamiento y deben descargar sin producir el exceso de agua entre su programa y su capacidad máxima de generación, si no hubiera consumo suficiente en su zona.

- Permitir que aquellas instalaciones que tengan limitaciones impo~ tantes en su funcionamiento, ya sea por condiciones en su obra hi dráulica de aducción o bien por imposiciones en el funcionamiento de la turbina, puedan trabajar a carga fija, sin participar en la regulación de frecuencia en forma activa, lo que no les permitiría funcionar adecuadamente si estuvieran alimentando su consumo aislado.

Ejemplo del primer caso, se presenta en Cipreses cuando la cota de la Laguna de la Invernada se acerca a su valor mínimo. Se deben evitar las variaciones de carga, ya que estos transientes se trasmiten hasta el túnel lo que provocaría la entrada de aire, creándose variaciones peligrosas de presión que pueden afectar el recubrimiento de palastro del mismo.

En el segundo caso, limitaciones de funcionamiento de las turbinas para cier~as aberturas, debemos distinguir las turbinas de chorro libre de las llamadas de reacción. En estas últimas el escurrimiento del agua desde la admisión a la descarga queda ligado por la posibilidad de trasmisión de variaciones de presión en dire~ ción contraria al €scurrimiento, es decir, hacia aguas arriba.

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En efecto en las turbinas Pelton no se presentan limitaciones de funcionamiento para ciertas aberturas. En ellas la ener gía hidráulica se convierte totalmentp en energía cinética, o sea~ se transforma en velocidad del agua y la desviación del chorro que se produce en los álabes del rodete crea irregularidades que no se trasmiten hacia aguas arriba, no hay variaciones de pres10n que se trasmitan hacia las condiciones de escurrimiento en la zona que precede al inyector.

Por otra parte, en una turbina Pelton, la velocidad abso luta de aproximación del agua al rodete, no varía notablemente con el cambio de abertura del inyector. Es decir los coeficientes de las velocidades en el rodete tampoco sufren grandes modificaciones, lo que se traduce en que este tipo de turbinas presenta una curva de rendimiento bastante "plana".

Esto permite el funcionamiento a abertura variable en buena forma.

Además en las unidades Pelton de chorros múltiples, es po sible mejorar el rendimiento global, reduciendo el número de chorros en funcionamiento al reducir la carga de la unidad.

Es el caso de las unidades del Toro, que podemos considerar, para estos efectos, como compuesta de 6 turbinas de 17 MW. Si se hacen funcionar pares diametrales de chorros, la unidad presenta el mismo rendimiento para 34,68 y 102 MW, o bien para 30,60 y 90 MW. Se puede concluir que una turbina Pelton puede funcionar eficientemente en una gama de aberturas bastante amplia.

No es generalmente el caso en las tubinas de reacción, Francis, de Hélice y Kaplan. Si consideramos el punto de diseño o cálculo en estos tipo, en el cual están fijados la altura neta, el caudal y la velocidad, será sólo en este punto que la presión en el distribuidor creará un escurrimiento tal que los vectores velocidad coinciden con los espacios creados por las inclinaciones o ángulos del anillo de velocidad, los álabes directrices y el borde de entr~ da a la rueda. De este modo no se producen choques ni se generan torbellinos que deformen el escurrimiento.

Igualmente en este punto, el agua al abandonar el rodete, como resultado de la inclinación del álabe de la rueda y de la componente de la velocidad de giro en cada punto, lo hace de modo que entra al tubo difusor, coincidiendo su dirección con el eje de este tubo, sin presentar choques ni componentes de giro, Así la recuperación de la energía cinética, al disminuir la velocidad, no prese~ ta fluctuaciones.


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De los tres parámetros que determinan la potencia hidráu lica, el utilizado para obtener su variación es el gasto, ya quede los otros dos uno permanece prácticamente fijo: la velocidad, y el otro sería inconveniente variarlo lo necesario para ir de cero a plena carga.

Esto se logra mediante el distribuidor que comporta el conjunto de los álabes directrices móviles. Por su forma construc-tiva el distribuidor de estos tipos de turbinas, provoca una varia-ción en los ángulos que dirigen el agua hacia el rodete. Esta variación crea la aparición de choques y torbellinos en el interticio I que determinan una disminución del rendimiento. I

Pero la parte más notable de la modificación que se produ I ce al variar el gasto en estas turbinas será la modificación de la- ~ componente con que el agua abandona la rueda. Así cuando el gasto es menor que el de diseño se produce una componente en el mismo sen tido de giro, lo que hace que el agua escurra en el difusor como uñ anillo pegado a la pared.

Es más o menos claro que esta componente será mayor a medida que más se reduce el gasto del de diseño.

El fenómeno también se produce en el otro sentido, es decir sí el gasto es superior al de diseño, se obtendrá una componente de giro en contra del sentido de giro del rodete.

El punto de diseño de la turbina, vale decir la especificación del Qo, Hno y Wo, se selecciona a partir de una estimación de la condición de carga más frecuente que tendrá la unidad y clási camente se encuentra entre el 75 y 90% de la abertura total del dis tribuidor.

Por lo tanto las variaciones relativas del gasto entre Qo y la plena abertura son generalmente bajas, no detectándose problemas mayores hacia la descarga máxima. Para fijar ideas podemos decir que Qmáx. puede alcanzar un 30% mas de Qo.

En cambio en el sentido de disminución, el gasto puede va riar entre el correspondiente a la marcha en vacío, del orden de 0,1 Qo hasta Qo. Esto es la variación es de más 10 veces.

Felizmente los problemas de funcionamiento no se presentan en toda esta gama, sino en una zona bien determinada, generalmente alrededor del 30% de abertura.

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Esta condición se denomina en general régimen de cargas críticas. Se manifiesta por fuertes variaciones de presión en el aspirador (tubo difusor). Estas variaciones se trasmiten aguas arriba hacia la tubería, engendrando vibraciones en los tubos que hacen temer por la estabilidad de la tubería de presión.

Las variaciones de presión a la entrada de la turbina engendran, además, variaciones del gasto que acrecentan el probl~ ma y pueden crear variaciones de potencia importantes. Estas oscilaciones de la potencia se trasmiten a la red y pertuban el fun cionamiento de los otros grupos.

En la práctica esto impone limitaciones al funcionamien to en la abertura en que se excita el problema. La unidad debe funcionar enclavada en otra abertura que asegure que por la acción automática de su regulador de velocidad no se llegue a la zona con flictiva. Es evidente que al funcionar enclavada esta unidad no participará de la regulación de frecuencia rigidizando el sistema.

Hasta aquí se ha presentado este fenómeno en las turbinas Francis de Sauzal, Rapel, Isla, Antuco, Pullinque y 5º unidad de Pilmaiquén.

Ha sido mas notable en Isla y Pullinque.

Por ejemplo Isla funcionó durante bastante tiempo con li mitaciones en las zonas de potencia de 10 y 32 MW (Potencia máxima 34 MW).

De acuerdo a las investigaciones y pruebas efectuadas por EPMH, el fenómeno se puede describir de la siguiente forma:

Cuando la unidad está en vacío, el agua que descarga de la rueda presenta una fuerte componente rotacional en el sentido de giro de la unidad, ocupando un delgado anillo no mayor del 10% del radio del tubo difusor. En estas condiciones en el centro se crea una zona de alto vacío que hace que un chorro vertical hacia arriba circule hasta el rodete. Este efecto de circulación inversa por el centro se ha denominado "efecto boma". En la Central Pu llinque gracias a la excelencia del agua se logró fotografiar est~ fenómeno.

Estas condiciones de escurrimiento son mas o menos estables, presentándose oscilaciones pequeñas de presión de alta frecuencia.



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SANTIAGO DE CHILE

A medida que se abre el distribuidor, se incrementa el gasto, el anillo que circula pegado a la pared crece en espesor y se va debilitando el chorro ascendente. La inclinación del agua que abandona la rueda va decreciendo respecto del eje del difusor. Con aberturas cercanas al )0% se produce gran inestabilidad en el escurrimiento, manifestándose en el centro el término de la circulación ascendente y dando lugar al nacimiento de un haz giratorio de vacío, que contiene vapor de agua y burbujas de agua, llamado "torch", que nace, se desarrolla y alcanza la pared del difusor colapsándose. Esto es, desapareciendo bruscamente, lo que crea las fuertes variaciones de presión que se trasmiten hacia aguas arriba, excitando la vibración de la tubería y otros elementos tales como el descanso de empuje y puente de empuje.

A medida que se sigue aumentando la abertura, desaparece la circulación hacia arriba por el centro del difusor, la torch se hace mas estable ocupando el centro sin colapsarse. La torch desa parece o se reduce al llegar a la zona de diseño, con lo cual el escurrimiento se establece con un mínimo de variaciones.

Para aberturas mayores que el punto de diseño, se vuelve a establecer la torch, que gira esta vez en el sentido contrario al normal de la unidad.

La forma clásica de eliminar o reducir el efecto de la I torch, es mediante la inyección de aire desde la atmósfera, de mo-do de crear en el corazón de la torch una mezcla aire, vapor de agua yagua que sea más elástica y cuyo colapso no sea brutal, evi- ~ tando así la generación de ondas de presión agudas.

En el diseño de este tipo de turbinas viene incorporado I los elementos que permiten la inyección de aire, ya sea a través ~ del eje y rodete al cono de la rueda o mediante un tubo que atravi~-sa diametralmente el difusor. El problema es encontrar una inyec-ción óptima entregando el aire en zonas específicas. Además la in yección debe ser mínima para no redu~ir la potencia de salida ni el rendimiento. Es así como después de numerosas pruebas, se ha modificado la inyección en todas las Centrales mencionadas, mejorando o complementando los diseños originale~ de modo de obtener además diseños con mayor resistencia estructural. Por ejemplo, se logró un nuevo diseño de tubo de aireación para Isla, que ha permitido el funcionamiento sin limitaciones en toda su gama de abertura. La vi bración de la tubería ha sido reducida de 2,7 mm a 0,6 mm doble am~ plitud.

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SANTIAGO DE CHILE

Respecto de las turbinas de Hélice y Kaplan, podemos agre gar que una turbina de este 61timo tipo es esencialmente una turbi na de Hélice, que presenta la característica de poder variar, enfuncionamiento, el ángulo de las palas que forman la rueda.

El ángulo de las palas se modifica de acuerdo al ángulo que presentan lbs álabes directrices que conforman el distribuido~ de modo de acondicionar, para cada abertura, el paso o trayectoria del agua evitando al máximo la generación de choques y torbellinos.

Con ésto se consigue "aplanar" la curva de rendimiento, manteniendo en una zona amplia de aberturas, valores de rendimiento cercanos al máximo. Además se consigue disminuir la posibilidad de aparición de regímenes de cargas críticas.

Este acondicionamiento de la inclinación de las palas al ángulo de los álabes directrices o abertura del distribuidor, se de nomina "conjugación álabes-palas". Esta conjugación es realizada automáticamente por el regulador de velocidad.

ENDESA posee dos instalaciones con turbinas Kaplan, Sauza lito y Machicura. La unidad de Sauzalito debido a su baja capaci~ dad, 10 MW, ha sido explotada siempre enclavada y cerca de su plena carga, no detectándose problemas de cargas críticas. Los grupos de Machicura han sido recientemente puestos en servicio y no se co noce su regimen normal de explotación.

A continuación se presenta una serie de fotografías que muestran la formación de la torch en el modelo de una turbina Francis. El modelo tiene la pared del difusor transparente de modo de permitir la observación del escurrimiento aguas abajo delpl~ no de descarga del rodete.

Las fotografías 1, 2 Y 3 presentan la torch a diferentes aberturas del distribuidor. La turbina funciona a altura ne-ta traspuesta Hp constante y cota de descarga traspuesta también constante. Se puede observar que en la plena abertura la torch es pequeña y totalmente centrada. En la fig. 2 se puede observar el giro de la torcho En la figura 1 la torch es bastante desarrollada.

En las fotografías 4, 5 y 6 se compara la torch cuando se varía el nivel de la descarga, conservando la altura neta anterior con una abertura de 48,25%. Se observa que la torch crece al decrecer la cota de la descarga.


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Las fotografías 7, 8 y 9 corresponden a las variaciones de la torch para plena abertura, variando el nivel de descarga. Además la altura neta traspuesta se ha incrementado de 166 a 176,6 m. Si se compara con la fotografía 3 se observa que la torch se ha hecho más importante.

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DEPARTAMENTO MECÁNICO Y CIVIL

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