Estructura de los juegos de barras en redes de distribución de MT

Las redes de MT están compuestas por cuadros (o celdas) y enlaces de alimentación a estos cuadros. Trataremos seguidamente los diferentes tipos de alimentación de estos cuadros y las diferentes estructuras de redes que permiten alimentar dichos cuadros.

NOTA:

Los seccionadores de aislamiento y los sistemas de desconexión que permiten efectuar el mantenimiento de la instalación no están representados en los esquemas.

Tipos de alimentación a los cuadros de MT.

Identificaremos las principales soluciones de alimentación a un cuadro de MT independientemente de su emplazamiento en la red.

El número de líneas y  complejidad del cuadro difieren según el grado de seguridad de funcionamiento deseado.

Los esquemas están clasificados en un orden tal que la seguridad de funcionamiento mejora con el aumento del coste de la instalación.

● 1 juego de barras, 1 fuente de alimentación (fig. 1)

Figura 1: juego de barras, 1 fuente de alimentación

Funcionamiento: en caso de avería de la fuente de alimentación, el juego de barras queda fuera de servicio hasta su reparación.

● 1 juego de barras sin acoplamiento, 2 fuentes de alimentación (fig. 2)

Figura 2: 1 juego de barras sin acoplamiento, 2 fuentes de alimentación

Funcionamiento: las dos fuentes pueden funcionar en paralelo o una en socorro de la otra. En caso de defecto sobre el juego de barras (o de su mantenimiento), las salidas no estarán alimentadas.

● 2 semi juegos de barras con acoplamiento, 2 fuentes de alimentación (fig. 3)

Figura 3: 2 semi juegos de barras con acoplamiento, 2 fuentes de alimentación.

Funcionamiento: el disyuntor de acoplamiento puede estar cerrado o abierto.

Si está abierto, cada fuente alimenta medio juego de barras. En caso de pérdida de una fuente, el disyuntor de acoplamiento podrá cerrarse y la otra fuente alimentará los 2 semi juegos de barras.

En caso de defecto sobre un semi juego de barras (o de su mantenimiento), una parte solamente de las salidas no estarán alimentadas.

●  1 juego de barras sin acoplamiento, 3 fuentes de alimentación (fig. 4)

Figura 4: 1 juego de barras sin acoplamiento, 3 fuentes de alimentación

Funcionamiento: las 3 fuentes pueden funcionar en paralelo o una en socorro de las otras dos. En caso de defecto sobre el juego de barras (o de su mantenimiento), las salidas no podrán estar alimentadas.

●  3 secciones de barras con acoplamiento, 3 fuentes de alimentación (fig. 5)

Figura 5: 3 secciones de barras con acoplamiento, 3 fuentes de alimentación

Funcionamiento: los 2 disyuntores de acoplamiento pueden mantenerse abiertos o cerrados.

Si están abiertos, cada fuente alimenta su sección de barras. En caso de pérdida de una fuente, el disyuntor de acoplamiento asociado podrá cerrarse, una fuente alimenta 2 secciones de barras y la otra 1 sección de barras.

En caso de defecto sobre una sección de barras ( o su mantenimiento), una parte solamente de las salidas no estarán alimentadas.

●  Fuentes y salidas en “dúplex” (fig. 6)

Figura 6: Fuentes y salidas en “dúplex”

Funcionamiento: el disyuntor de acoplamiento estará abierto en funcionamiento normal.

Cada fuente puede alimentar uno u otro de los juegos de barras a través de sus dos celdas de disyuntores desenchufables. Por ahorro económico, sólo existe un disyuntor sobre carro para las dos celdas desenchufables. Se facilita así el desplazamiento del disyuntor de una celda a la otra. De esta forma, si se quiere que la fuente 1 alimente el juego de barras JDB2, se desplaza el disyuntor a la otra celda asociada a la fuente 1.

El mismo principio se realizaría para las salidas. Cada salida tiene asociadas dos celdas desenchufables y un solo disyuntor. Cada salida puede ser alimentada por uno u otro de los juegos de barras según el emplazamiento del disyuntor. Por ejemplo, la fuente 1 alimenta el juego de barras JDB1 y las salidas Dep1 y Dep2. La fuente 2 alimenta el juego de barras JDB2 y las salidas Dep3 y Dep4.

En caso de pérdida de una fuente, el disyuntor de acoplamiento estará cerrado, la otra fuente asegura la totalidad de la alimentación.

En caso de defecto sobre un juego de barras (o de su mantenimiento), el disyuntor de acoplamiento estará abierto y cada disyuntor situado sobre el juego de barras en servicio, con el fin de que todas las salidas estén alimentadas.

El inconveniente del sistema “dúplex” es que no permite las conmutaciones automáticas. En caso de defecto, cada conmutación se efectúa durante varios minutos y es necesaria la parada de servicio de los juegos de barras.

●  2 juegos de barras, 2 ramas por salida, 2 fuentes de alimentación (fig. 7)

Figura 7: 2 juegos de barras, 2 ramas por salida, 2 fuentes de alimentación

Funcionamiento: el disyuntor de acoplamiento  se mantiene abierto en funcionamiento normal. Cada salida puede ser alimentada por uno u otro de los juegos de barras según el estado de los seccionadores asociados, un sólo seccionador por salida deberá estar cerrado.

Por ejemplo, la fuente 1 alimenta el juego de barras JDB1 y las salidas Dep1 y Dep2.

La fuente 2 alimenta el juego de barras JDB2 y las salidas Dep3 y Dep4.

En caso de pérdida de una fuente, el disyuntor de acoplamiento está cerrado, la otra fuente asegura la totalidad de la alimentación.

En caso de defecto sobre el juego de barras (o su mantenimiento), el disyuntor de acoplamiento estará abierto y el otro juego de barras alimenta la totalidad de las salidas.

●  2 dobles juegos de barras acoplados entre sí (fig. 8).

Funcionamiento: es muy parecido al esquema precedente (2 juegos de barras, 2 ramas por salida, 2 fuentes de alimentación). La descomposición del doble juego de barras en 2 cuadros acoplamiento (por D1 y D2) permite una mayor flexibilidad en la explotación.

Cada juego de barras alimenta un número de salidas menos importante en funcionamiento normal.

 Estructura de las redes de distribución de  MT.

Seguidamente identificaremos las principales estructuras de redes de MT. que permiten alimentar los cuadros secundarios y los transformadores de MT/BT. La complejidad de la estructura difiere según el nivel de seguridad de funcionamiento deseado.

●  Radial en simple antena (fig. 9)

• Los cuadros 1 y 2 y los transformadores son alimentados por una sola línea, no facilita la resolución de problemas en la red.
• Esta estructura es utilizada cuando las exigencias de disponibilidad son escasas, se utilizan a menudo para redes en cementeras.
• 
  

Figura 9: Red MT radial en simple antena

●  Radial en doble antena sin acoplamiento (fig. 10)

Figura 10: Red MT radial en doble antena sin acoplamiento

• Los cuadros 1 y 2 están alimentados por líneas sin acoplamiento, una en seguridad de la otra.
• La disponibilidad es buena.
• La ausencia de acoplamiento de las líneas para los cuadros 1 y 2 entraña una explotación menos flexible. 

●  Radial en doble antena con acoplamiento (fig. 11)

Figura 11: Red MT radial en doble antena con acoplamiento

Los cuadros 1 y 2 están alimentados por dos líneas con acoplamiento. En funcionamiento normal, los disyuntores de acoplamiento están abiertos.

-          Cada semi juego de barras puede ser reparado y ser alimentado por una u otra línea

-          Esta estructura se utiliza cuando se precisa una buena disponibilidad, suele utilizarse a menudo en los sectores siderúrgico y petroquímico.

■  Redes en bucle

Esta solución está bien adaptada a las redes extensas con posibilidad de ampliaciones futuras importantes.

Existen dos posibilidades según que el bucle este abierto o cerrado en funcionamiento normal.

●  Bucle abierto (fig. 12)

Figura 12: Red MT en bucle abierto

• Las cabezas de bucle en A y B están equipadas con disyuntores.
• Los elementos de corte de los cuadros 1, 2 y 3 son interruptores.
• En funcionamiento normal, el bucle está abierto (en la figura está abierto al nivel del cuadro 2).
• Los cuadros pueden estar alimentados por una u otra línea.
• Un defecto sobre un cable o pérdida de una línea se resuelve con una reconfiguración del bucle.
• Esta reconfiguración lleva consigo un corte de alimentación de algunos segundos si está instalado un automatismo de reconfiguración del bucle. El corte de alimentación es de varios minutos o decenas de minutos si la reconfiguración del bucle se realiza manualmente por el personal de explotación.

● Bucle cerrado (fig. 13)

Figura 13: Red MT en bucle cerrado

• Todos los elementos de corte del bucle son disyuntores.
• En funcionamiento normal, el bucle está cerrado.
• El sistema de protección permite evitar los cortes de la alimentación ante un defecto.

Esta solución es de mayor rendimiento que el caso de bucle abierto ya que evita los cortes de alimentación.

Por el contrario, es más costosa porque necesita disyuntores en cada cuadro y un sistema de protección más elaborado.

● En doble derivación (fig. 14)

Figura 14: Red MT en doble derivación

• Los cuadros 1, 2 y 3 pueden ser reparados y alimentados por una u otra de las líneas independientemente.
• Esta estructura se adapta bien a las redes extensas y con ampliaciones futuras limitadas y necesitando una muy buena disponibilidad,

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Estructura de los sistemas de alimentación para cargas críticas

En este artículo se tratan los principios de funcionamiento y los diferentes esquemas de los sistemas de alimentación sin interrupción (SAI).

La elección del tipo de arquitectura de alimentación sin interrupción depende de la calidad de las redes de alimentación, de su utilización y de la disponibilidad requerida. El proyectista debe dar los elementos suficientes al instalador para que él pueda elegir la arquitectura mejor adaptada a las necesidades de las cargas críticas instaladas. Los ejemplos que aquí se exponen explican las arquitecturas más frecuentes.

Comenzamos indicando los principales elementos que constituyen un SAI en la figura 1 y en la tabla 1.

Figura 1: Constitución de un sistema de alimentación ininterrunpida (SAI)

Tabla 1: Funciones de los diferentes elementos de un SAI

Llegada(s) de la red

Las denominaciones red 1 y red 2 indican dos llegadas independientes de la misma red:

• Red 1 (o normal) indica la llegada que alimenta normalmente el rectificador/cargador.
• Red 2 (o emergencia) es una llegada de seguridad.

El ondulador está sincronizado en frecuencia y en fase con la red 2. De esta forma el contactor estático permite conmutar instantáneamente la alimentación hacia la red 2  (en un tiempo inferior a 1 ms).

La instalación de un SAI a la red 2 es recomendable porque aumenta la disponibilidad del conjunto. Sin embargo, es posible tener una llegada común.

● 1º ejemplo: Cuadro de emergencia por ondulador, con un alternador para paliar la limitación de autonomía de las baterías (generalmente del orden de 15 min.) (fig. 2)

Figura 2: Cuadro de BT con emergencia por ondulador

El filtro permite disminuir las corrientes armónicas que pueden introducirse en la red de alimentación.

● 2º ejemplo: Cuadro de emergencia de BT por 2 onduladores en paralelo sin redundancia (fig. 3).

Figura 3: Cuadro de BT con 2 onduladores en paralelo sin redundancia para emergencia

Esta configuración permite obtener un conjunto de mayor potencia con la disponibilidad de una unidad en cadena.

La potencia P suministrada se divide por igual entre los dos onduladores.

Cualquier avería de una de las cadenas se traduce en una transferencia sin corte de la utilización sobre la red 2, excepto si la red está fuera de tolerancia.

● 3º ejemplo: Cuadro de emergencia de BT por 3 onduladores donde 1 está en redundancia activa (fig. 4)

Figura 4: Cuadro de BT con emergencia de 3 onduladores en donde uno está en redundancia activa

Sea P la potencia máxima de utilización de los circuitos prioritarios.

Cada ondulador tiene una potencia nominal de P/2 lo que significa que cuando un ondulador cae por avería, los otros 2 onduladores son suficientes para alimentar la totalidad de la carga.

Se dice que existen 3 cadenas en paralelo con una redundancia activa 1/3.

  

● 4º ejemplo: Cuadro de emergencia de BT por 3 onduladores donde 1 está en redundancia de emergencia (fig. 5)

Figura 5: Cuadro de emergencia de BT por 3 onduladores donde 1 está en redundancia de emergencia

El ondulador 3 no está en carga, está vigilante para socorrer los onduladores 1 o 2.

La conmutación se realiza sin corte gracias a los contactores estáticos 1 y 2.

El contactor estático 3 garantiza la alimentación por la red 2 en caso de avería de la red 1, o avería de los 2 onduladores.

Se dice que existen 3 cadenas en paralelo, con una redundancia de emergencia.

  

● 5º ejemplo: 3 cargas independientes alimentadas por un montaje “aislado redundante” (fig. 6)

Figura 6: 3 cargas independientes alimentadas por un montaje “aislado redundante”

La alimentación de cada carga P1, P2 y P3 es independiente.

En caso de avería de un ondulador, la seguridad se efectúa por el contactor estático a través del SAI de emergencia, por tanto a través de una alimentación no perturbada.

Si queremos asegurarnos la alimentación ante un defecto simultaneo de los 3 onduladores, es necesario que la potencia del SAI de emergencia sea: P_S=P₁+P₂+P₃.

Si lo que necesitamos es asegurar la alimentación ante un defecto de un solo ondulador, se necesitará que la potencias del SAI de emergencia sea: P_S = máx.(P₁,P₂,P₃).

● 6º ejemplo: Cuadro de BT alimentado por un montaje doble normal/emergencia – doble juego de barras (fig. 7)

Figura 7: Cuadro de BT alimentado por un montaje doble normal/emergencia – doble juego de barras

Cada ondulador puede alimentar la totalidad de la carga.

En caso de mantenimiento de dos normal/emergencia, el otro garantiza la seguridad de alimentación.

El mantenimiento de un juego de barras con los disyuntores asociados puede ser efectuado sin corte, alimentando la carga por el otro juego de barras.

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Ventajas e inconvenientes de los generadores asíncronos frente a los síncronos

Para obtener un generador asíncrono, se conecta un motor normal de jaula de ardilla a una red trifásica y se acopla a un motor primario como podría ser un motor de combustión interna (gasolina o diésel) (Fig. 1).

Inicialmente la máquina arranca como motor asíncrono arrastrando el motor primario, llegando a una velocidad de régimen como motor, cercana a la de sincronismo.

A continuación, se arranca el motor primario que debe girar en el sentido del motor asíncrono. Tan pronto como el motor primario supere la velocidad de sincronismo, la máquina asíncrona se convertirá en generador, cediendo potencia activa al sistema eléctrico al que esté conectada.

Figura 1

■ Conexión a una red de potencia “infinita”

Para potencias no muy importantes, hasta algunos MW, el generador asíncrono (GA) presenta más ventajas que el alternador o generador síncrono (GS).

Ventajas:

• Mayor fiabilidad: construcción más simple y generalmente más robusta, ningún bobinado giratorio (sin anillos ni escobillas), rotor pesado que soporta bien el embalamiento (turbinas hidráulicas, eólicos).
• Simplicidad y seguridad de utilización: acoplamiento muy fácil, aparamenta más simple, ningún riesgo de alimentación repentina de la red por desacoplamiento (ver Anexo A).
• No necesita un circuito independiente para su excitación y no tiene que girar continuamente a una velocidad fija.
• Siempre que su velocidad sea ligeramente superior a la de sincronismo, funcionará como un generador con respecto al sistema de potencia al que se encuentre conectado.
• A medida que el par aplicado a su eje sea mayor, tanto mayor será la potencia de salida resultante.
• Generalmente la salida nominal se alcanza con poco deslizamiento, normalmente inferior al 3%.
• Además no necesita regulación de tensión, pues ésta le viene impuesta por la red externa, lo cual hace que este generador sea una buena alternativa en centrales eólicas, donde las velocidades del viento son muy dispares.

Por tanto, la única ventaja del alternador frente al generador asíncrono es su capacidad de suministrar energía reactiva. Sin embargo, esta ventaja solo es interesante cuando el alternador tiene una potencia suficiente con relación a las necesidades locales de la red.

Inconvenientes:

Efectivamente, esta potencia reactiva que necesita recibir el generador asíncrono se requiere para mantener el campo magnético de su estator, ya que esta máquina no posee un circuito de excitación como es el caso de los alternadores.

Esta es la principal limitación del generador asíncrono, ya que al necesitar una red que le suministre la potencia reactiva que requiere, no puede funcionar (en principio) como generador aislado, como sucede con los alternadores (ver Anexo B).

Otro inconveniente necesario de mención es el fenómeno propio en el acoplamiento de los GA que puede, en ciertos casos, ser problemático. El rotor del GA, aunque no esté excitado, posee siempre una cierta imantación remanente. En el acoplamiento, cuando los dos flujos magnéticos, al creado por la red y al debido a la imantación remanente del rotor, no están en fase, se observa en el estator una punta de corriente muy breve (una o dos alternancias), asociadas a un exceso de par instantáneo de la misma duración.

Para evitar esta punta (y el exceso de par correspondiente), se puede utilizar:

• Resistencias de acoplamiento insertadas en serie con las fases del estator durante aproximadamente un segundo en el momento del acoplamiento. Estas son enseguida cortocircuitadas por un contactor temporizado.
• Utilizando un regulador en serie con las fases del estator, con el fin de efectuar el acoplamiento con una tensión reducida. La tensión es después aumentada progresivamente hasta la tensión nominal, seguidamente el regulador es cortocircuitado.

■ Alimentación de una red independiente

Las cualidades de simplicidad y robustez de los GA son igualmente válidas en estos casos.

Los GA pueden ser utilizados para alimentar una red independiente cuando se trata de instalaciones simples (necesidades del hogar, calefacción, cargas resistivas).

Al contrario, cuando la red que se va alimentar es compleja, en particular cuando el cos ϕ varía constantemente, el alternador (GS) se adapta mejor a estas necesidades. Por tanto, es posible que la máquina asíncrona (GA) trabaje como generador aislado, independiente de la red externa, siempre que haya condensadores disponibles para suministrar la potencia reactiva que necesita (estos condensadores absorben la energía reactiva que produce el generador).

Para ello se conecta una batería de condensadores a los bornes del motor que también se unen a la carga eléctrica receptora externa (ver Anexo C). Se dice entonces que el generador trabaja en régimen de autoexcitación. La frecuencia del generador es algo menor de la que corresponde a la velocidad de rotación.

La tensión en bornes aumenta con la capacidad, que está limitada por la saturación del circuito magnético de hierro.

Si la capacidad es insuficiente no aparecerá tensión en el generador. De ahí que la elección de la capacidad necesaria sea un problema difícil y más aún si se tiene en cuenta que los condensadores deben también suministrar la potencia reactiva que requieren las cargas conectadas a la máquina (ver Anexo D).

La elección entre los dos tipos de generadores depende por tanto de las características de la red a alimentar. La tabla 1 da algunas indicaciones resumidas.

Características de la red	Tipo de generador
Pequeña potencia Calefacción por aire o agua Iluminación Pequeños aparatos electrodomésticos	Generador asíncrono GA
Cos φ variable Numerosos motores eléctricos	Alternador (GS)

Tabla 1: Elección del tipo de generador según las características de una red independiente

■ Zonas de empleo de los alternadores y de las generatrices asíncronas (GA) (tabla 2)

Potencias	Conexión a la red de distribución	Alimentación de una red independiente
Pequeñas (hasta 50 kW aprox.)	GA	GA preferentemente
Medianas (50 kW a 5 MW aprox.)	GA preferentemente	GS preferentemente
Fuertes (> 5 MW)	GS	GS

Tabla 2: Zonas de empleo de los alternadores y de los generadores asíncronos.

ANEXO A 

Desacoplamiento de un GA 

El desacople involuntario por protección de un GA se traduce generalmente por un paso en sobrevelocidad del grupo máquina de accionamiento-generatriz, al menos cuando el conjunto no puede ser frenado muy rápidamente. 

A causa de ésta sobrevelocidad, llamada embalamiento, no se utiliza prácticamente nunca GA bipolares (velocidad de sincronismo 3000 r/min a 50 Hz). Los GA tetrapolares no son empleados a baja potencia o cuando el grupo comporta un freno mecánico a la falta de corriente. Los GA más utilizados poseen 6 y 8 polos o incluso más (máquinas más lentas, pero en detrimento del cos. ϕ). 

Es necesario observar una nueva ventaja de los GA sobre los alternadores auto-excitados; Cuando la máquina es desacoplada, es rápidamente (algunos segundos) desexcitada y no queda ninguna tensión en sus bornes, en la medida en que los condensadores son desconectados simultáneamente (si no, el GA será auto-excitado por los condensadores). Esta es una ventaja importante para la seguridad. En la práctica, no existe riesgo de alimentar un bucle local después que la red general ha sido cortada. 

Esta es la razón por la cual algunos distribuidores de energía eléctrica imponen los GA para los acoplamientos en BT inferiores a los 100 kVA. 

ANEXO B 

El aporte de potencia reactiva 

El funcionamiento de la máquina asíncrona se basa en la existencia de un flujo magnético giratorio creado por el bobinado del estator a través del entrehierro. Esta excitación consume una cierta potencia reactiva Q, que varía con la potencia activa P de la máquina: 

S: potencia aparente de la máquina 

A esta energía reactiva consumida por el GA, se añade eventualmente la consumida por ciertas cargas de la red (motores eléctricos por ejemplo). 

Por lo tanto se deberán incorporar, en la red, una fuente de energía reactiva correctamente dimensionada. Se utiliza generalmente baterías de condensadores, incluyendo varias etapas adaptadas a las necesidades. 

□ Ejemplo 

En una red aislada de consumo 50 kW con cos ϕ = 0,9 (o sea tang ϕ = 0,48), alimentada por una generatriz asíncrona con un cos ϕ de 0,8 a 50 kW ( o sea tang ϕ = 0,75), se utilizara una batería de condensadores que suministre: 

Excitación, desexcitación 

La creación del flujo magnético en la generatriz se realiza de la manera siguiente: suponiendo el GA en parada, sus condensadores de excitación en bornes, pero no conectados a las cargas activas. Cuando se acelera progresivamente el GA, se constata la aparición de una tensión en los bornes a partir de una cierta velocidad (aproximadamente la mitad de la velocidad de sincronismo). Esta tensión aumenta con la velocidad. 

Cuando la velocidad de sincronismo es alcanzada, se puede cargar el GA. 

La creación del flujo magnético es debido a la imantación remanente del GA. Esto es suficiente para iniciar la excitación del conjunto generatriz-condensadores. Es suficiente que la generatriz (GA) haya sido puesta una vez en tensión (generalmente, durante los ensayos de serie en fabrica) para conservar una imantación remanente duradera. 

Observación: 

Sin embargo, puede ocurrir que un GA sea totalmente desimantado. Esto se produce, en particular, cuando ha sufrido una fuerte sobrecarga o cuando se ensaya el arranque con una carga en los bornes. 

Si la máquina está totalmente desimantada, no se excitara en el arranque. Pero es fácil reimantarlo, es suficiente aplicando momentáneamente (algunos segundos) en los bornes de una fase una tensión continua pequeña (pila o batería de acumuladores). 

Se evita fácilmente este incidente previendo una secuencia correcta en el arranque y protegiendo la generatriz contra sobrecargas. 

ANEXO C 

Utilización práctica 

Para que un GA alimente una red aislada en buenas condiciones, es necesario que igualdades siguientes se lleven a cabo, a tensión y frecuencia nominales: 

- Potencia activa consumida = Potencia activa producida 

- Potencia reactiva consumida = Potencia reactiva producida 

Para obtener estos resultados, lo haremos, en la instalación, sobre: 

- La potencia suministrada por la máquina de accionamiento. 

- La potencia activa consumida, modificando la carga activa de la instalación 

- La capacidad, por tanto la potencia reactiva de la batería de condensadores. 

□ Utilización sin regulador 

Cuando se toleran ciertas variaciones de tensión y frecuencia, no es necesario prever un regulador sofisticado. Citamos dos casos corrientes: 

- Para los pequeños grupos electrógenos de algunos kVA, ciertos fabricantes utilizan GA especiales sin regulación. 

Estas generatrices tienen curvas de características muy planas; la tensión queda en un margen de ± 10 %, cualquiera que sea la carga activa sobre la generatriz, de 0 a la plena carga. 

Estos pequeños grupos son simples y robustos, son interesantes para aplicaciones corrientes de muy pequeña potencia (iluminación, resistencias, pequeños motores universales), pero no son adecuados para accionamiento de motores asíncronos, que consumen una potencia reactiva importante. 

- Cuando el GA alimenta solamente una instalación de calefacción, por resistencias aéreas o termo-sumergidas, se puede dispensar la regulación. En efecto, la tensión y la frecuencia pueden salirse notablemente de los valores nominales sin molestias para el usuario. 

El caso más frecuente de esta aplicación es en uso de turbinas hidráulicas para la calefacción de casas. Se admite normalmente variaciones de frecuencia y/o tensión del orden del 20 %. 

El sistema turbina – GA – condensadores - resistencias se equilibra el mismo sin automatismos complejos. 

Es sin embargo, prudente proteger la instalación cuando las características salen de las tolerancias. 

□ Regulación 

Cuando la potencia consumida por el usuario o la potencia suministrada por la máquina de accionamiento varían y se desea sin embargo mantener la frecuencia y la tensión en tolerancias reducidas, será necesario un dispositivo de regulación. Este dispositivo tiene por objeto mantener las características eléctricas correctas jugando sobre uno o varios parámetros: 

- Potencia activa suministrada (máquina de accionamiento) 

- Potencia activa consumida (cargas en el circuito de utilización) 

- Potencia reactiva suministrada (generalmente condensadores). 

La regulación de la máquina de accionamiento utiliza dispositivos clásicos; por lo general, a partir de una indicación de velocidad del grupo (taquímetro) o de frecuencia sobre el circuito de utilización, se regula la máquina de accionamiento, es decir sobre la alimentación de un motor térmico o el consumo de una turbina hidráulica. 

Sin embargo, estos dispositivos son generalmente de tiempos de reacción demasiado largos (al menos del orden del segundo). Sobre una variación brusca de consumo, la frecuencia y la tensión no se restablecen muy rápidamente; estos es molesto en particular para la iluminación y el arranque de motores eléctricos. 

Por esto cuando este tipo de regulación se utiliza, se asocia cada vez más una regulación electrónica sobre la potencia consumida (por ejemplo por absorción de energía, ver a continuación) para paliar estos inconvenientes. 

● Regulación simplificada 

Se trata de adaptar la potencia consumida a la potencia producida modificando automáticamente la carga de utilización. 

El caso más común concierne al uso de una turbina hidráulica para alimentar resistencias de calefacción al aire o en agua. El dispositivo está esquematizado en la figura 2.

Cf : Batería fija de condensadores

Cs : Batería secundaria de condensadores

R1,R2,R3 : Resistencias de caldeo

Figura 2: Regulación simplificada

La carga está constituida por varios escalones de resistencias de caldeo.

Un relé de mínima y máxima tensión controla automáticamente la apertura y cierre de contactores de alimentación de los escalones de resistencias.

Este simple dispositivo permite mantener la tensión en un margen correcto (por ejemplo ± 5 %).

Cuando el GA tiene una curva característica tensión-carga demasiado plana, se adapta una batería fija de condensadores. Si no, se completa la batería principal de condensadores con dos condensadores secundarios en paralelo sobre las resistencias, detrás de los contactores

Ciertos fabricantes montan armarios eléctricos estándar fundamentados sobre este principio; integran este tipo de regulación, los automatismos de arranque y paro y las protecciones.

● Regulación por absorción de energía

Este tipo de regulación es cada vez más empleado. El principio se esquematiza en la figura 3, y es el siguiente: se pone en derivación sobre el circuito de utilización un circuito secundario no prioritario.

Pc : Potencia consumida

Pd : Potencia derivada

Pp : Potencia producida

RC : Regulador de carga

Figura 3: Regulación por absorción de energía

Las cargas de este circuito son puestas en servicio o al contrario eliminadas bajo el control de un regulador de carga. Este regulador busca continuamente mantener las características de frecuencia y tensión correctas en el circuito de utilización adicionando o retirando cargas del circuito secundario.

Se comporta como un cambiador de agujas repartiendo la potencia Pp producida por el GA entre la red de utilización (potencia Pc) y el circuito secundario (potencia Pd).

Se tiene permanentemente la igualdad:

La frecuencia y la tensión en la red de utilización serán estables cuando Pp y/o Pc varíen. 

La fig. 4 esquematiza la repartición de la potencia producida cuando la potencia varia en el tiempo: 

• Las variaciones de la potencia consumida son debidas a las variaciones de las necesidades del usuario. 
• Las variaciones de la potencia producida son debidas a causas naturales (variación de la caída para una turbina hidráulica, velocidad del viento para un eólico) o a una regulación de la máquina de accionamiento cuando se busca economizar energía primaria (regulación en el caudal de una turbina hidráulica, consumo de un motor térmico).

Pc : Potencia consumida

Pd : Potencia derivada

Pp : Potencia producida

Figura 4: Repartición de la potencia producida

Una descripción detallada de los diferentes tipos de reguladores por absorción de energía propuestas por los fabricantes sería demasiado extensa.

Pero, se pueden hacer las observaciones siguientes:

• El parámetro de regulación puede ser la frecuencia o la tensión sobre la red de utilización o una combinación de las dos. Los reguladores más evolucionados integran los dos parámetros de manera de mantener la tensión y la frecuencia muy próximas a sus valores nominales en todas las condiciones de funcionamiento.

• La regulación por absorción de energía solo funciona cuando el regulador dispone de una reserva de potencia en el circuito secundario, si no, en caso de un exceso de demanda de potencia en la red de utilización, no podría responder a esta demanda.

• La energía en el circuito secundario, necesaria para el buen funcionamiento, es generalmente disipada en las resistencias aéreas. Siendo por tanto pérdida, cosa que a menudo no tiene importancia cuando la energía primaria es gratuita y no puede almacenarse (caso de las minicentrales con salto de agua sin tanque de reserva o de los eólicos). Se puede siempre prever utilizar esta energía, pero esta utilización seria no prioritaria y debería poder ser interrumpida en provecho de la red principal de utilización.

• La regulación por absorción de energía puede ser combinada sin inconvenientes con una regulación en la potencia producida (ver regulación simplificada, en el párrafo anterior). Se obtiene por tanto una regulación denominada mixta. Por ejemplo, se puede completar la regulación tradicional de una turbina hidráulica por una regulación por absorción de energía que pueda por tanto no ser dimensionada nada más que para una fracción reducida de la potencia rotal instalada.

• Este tipo de reguladores por absorción está cada vez más utilizado por las fuentes autónomas de energía tales como minicentrales hidráulicas o eólicos. Ciertos fabricantes proponen regulaciones para potencias hasta 500 kW. Por encima, se utilizan preferentemente regulaciones mixtas.

ANEXO D

Compensación de energía reactiva

En el caso más general, es necesario suministrar energía reactiva:

• A la generatriz asíncrona
• A las cargas de utilización

Para alimentar de energía reactiva estos dos tipos de consumos, se dispone, en paralelo del circuito, una fuente de energía reactiva de potencia adecuada. Esta es generalmente una batería de condensadores con uno o varios escalones que, según los casos, será fija, ajustable manualmente (por pasos) o automática.

● Compensación de la generatriz (GA)

Las curvas características dan el valor de la energía de excitación en función de la carga de la máquina:

• Si la carga varia poco, se puede compensar con una batería fija; la tensión variara muy poco.
• Si la carga varía mucho, las variaciones de tensión pueden ser muy fuertes; es necesario por tanto un sistema regulable.

● Compensación de cargas reactivas

El caso más corriente corresponde a los motores eléctricos asíncronos. Según su número y potencia, se utilizara una u otra de las dos soluciones siguientes:

• Compensación individual de los motores por conexión de condensadores permanentes directamente en sus bornes.
• Compensación general del circuito, fija, ajustable manualmente o automáticamente.

Este problema de compensación complica un poco la instalación con relación a un alternador que suministra automáticamente la corriente reactiva demandada por la carga.

Esta es la única ventaja importante de los alternadores sobre los GA, pero esta ventaja puede ser decisiva cuando el circuito de utilización tiene un cos ϕ muy variable.

□ Pilotaje y protección

Los únicos dispositivos particulares son:

• La temporización de acoplamiento del circuito de carga para evitar una des-excitación de la máquina en el arranque.
• El control de los condensadores de excitación, manual o automático según el caso.

□ Acoplamiento de varios generadores en paralelo

El acoplamiento en paralelo de varias generatrices asíncronas alimentando una red independiente no presenta ninguna dificultad particular. Si las generatrices se utilizan con un dispositivo de regulación por absorción de energía, se podrá disponer de un solo regulador.

El acoplamiento en paralelo en una red independiente de dos generadores compuestos por un lado de una generatriz asíncrona (GA), y por otro de un alternador (GS), es diferente según las potencias respectivas de los dos generadores:

• Si el alternador es más potente que el GA, será este el que pilote la red; el GA, sin regulación, será acoplada como en una red de potencia infinita.
• Si el alternador es de potencia más pequeña que el GA, será necesario asegurar la regulación de este. Se deberá ajustar la corriente reactiva necesaria de la excitación y de la carga, para que el alternador trabaje con un factor de potencia correcto. 

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