Reguladores
hidroeléctricos


Por
Nilo Ledón Díaz*

 

Características, ventajas y desventajas de los dispositivos que regulan la frecuencia y el voltaje en las pequeñas, mini y microcentrales hidroeléctricas

 

Una de las vías más económicas para la producción de energía eléctrica, imprescindible para la época actual, es a partir de la hidroenergía en aquellos lugares donde sea posible; pero la electricidad se valora no solamente por su cantidad, sino también por su calidad.
Uno de los problemas más comunes actualmente en las pequeñas, mini y microcentrales hidroeléctricas, es la mala calidad de la energía debido a una deficiente regulación del voltaje y la frecuencia, aspecto al que debemos prestar la mayor atención.

Para el control automático de la frecuencia y el voltaje generado en pequeñas, mini y microcentrales hidroeléctricas que trabajan de forma aislada, se utilizan básicamente dos métodos: por regulación del flujo de agua que entra a la turbina, y por el control de la carga eléctrica que demandan los consumidores.

Para la regulación del flujo se utilizan tres tipos de reguladores:
1. Regulador mecánico o manual.
2. Regulador hidráulico.
3. Regulador eléctrico-electrónico.

Por su parte, para el control de la frecuencia y el voltaje a través del control de la demanda de los consumidores, se utiliza un regulador electrónico, llamado «de carga fantasma».
Existe un «regulador mixto» que permite la regulación del caudal de agua que entra a la turbina, y que, además, actúa sobre la demanda eléctrica de los consumidores.


Regulador mecánico o manual

Consiste en abrir o cerrar una válvula de forma manual, para dejar pasar más o menos flujo de agua a la turbina.
Con la regulación manual es muy difícil garantizar que la frecuencia y el voltaje se mantengan constantes, pues estos parámetros dependen de la rotación de la turbina, y ésta varía con la demanda eléctrica; es decir, si la demanda aumenta, la turbina disminuye su velocidad de rotación, y viceversa.

La rotación de la turbina es muy variable, pues sólo es constante cuando la carga eléctrica de los consumidores es igual a la potencia real que está entregando la turbina, según un caudal y una altura de agua concretos; pero la carga de los consumidores es muy variable, ya que constantemente se están apagando y encendiendo equipos consumidores, por lo que, para que el equilibrio entre la demanda y la potencia sean iguales, el operador tendría que estar abriendo y cerrando la válvula de entrada de agua a la turbina cada vez que se apague o encienda un consumidor.

Esa forma de operar las mi-ni y microcentrales hidr0eléc-tricas, sólo se aplica cuando los parámetros de frecuencia y voltaje no son importantes para los consumidores, o cuando no se dispone de otro tipo de regulador.

Ventajas: Es el más sencillo y barato, controla el flujo de agua a la turbina, y su mantenimiento es simple.

Desventajas: Requiere de un operador permanentemente, y no garantiza, de forma eficaz, mantener constante la frecuencia y el voltaje.


Regulador hidráulico


Es un equipo que tiene incorporado un regulador de watt conectado mecánicamente al eje de la turbina, de manera que sus revoluciones varían con las de la turbina. Su función es abrir o cerrar la válvula de entrada de aceite a un pistón hidráulico, el cual está acoplado mecánicamente a la válvula que controla el flujo de agua que entra a la turbina.

De esta forma, cada vez que aumenta o disminuye la demanda, aumentan o disminuyen las revoluciones de la turbina, y con ellas, las del regulador de watt. Esta variación del regulador provoca que se abra o se cierre la válvula que da paso al aceite que va al pistón controlador de la cantidad de agua que entra a la turbina, y con ello, se logra de nuevo el equilibrio entre la potencia de la turbina y la potencia demandada (Fig. 1).
 

Fig. 1. Esquema de un regulador hidráulico.
 

Este tipo de regulador es el más universal, y su aplicación se puede adaptar a todo tipo de central hidroeléctrica, siendo su uso más generalizado en las grandes centrales hidroeléctricas.

Ventajas: Controla el flujo de agua que entra a la turbina, mantiene con pequeñas oscilaciones la frecuencia y el voltaje, y trabaja de forma automática.
Desventajas: Es costoso, su respuesta ante las variaciones de frecuencia y voltaje son lentas, y requiere personal calificado para su mantenimiento.


Regulador eléctrico-electrónico


Es un regulador electrónico acoplado eléctricamente con un motor que gira en los dos sentidos. Este motor está acoplado mecánicamente a la válvula que controla la entrada de agua a la turbina; es decir, cuando aumenta la frecuencia, el regulador electrónico envía una señal al motor para que

gire la válvula de entrada, y disminuya el caudal de agua que entra a la turbina; y cuando disminuye la frecuencia, envía una señal al motor para que abra la válvula. De esta forma se controla la velocidad de rotación de la turbina, y con ello, la frecuencia y el voltaje
(fig. 2).

 

Fig. 2. Esquema de un regulador eléctrico-electrónico.
1. Conversor de frecuencia en voltaje. 2. Circuito comparador.
3. Valor de referencia. 4. Motor eléctrico. 5. Válvula de entrada de agua.

 

Con este tipo de regulación, debido a la inercia del sistema, no se logra mantener constante la frecuencia, existiendo siempre pequeñas oscilaciones de la misma, alrededor de la frecuencia de trabajo (60 Hz).

Ventaja: Controla el flujo de agua que entra a la turbina.
Desventajas: Es relativamente costoso, su respuesta es lenta ante las variaciones de la frecuencia y el voltaje, se mantienen pequeñas oscilaciones de la frecuencia y requiere personal calificado para su mantenimiento.


Regulador electrónico


El regulador electrónico, o regulador de carga fantasma, tiene como función mantener constante la potencia generada; es decir, la turbina funciona a potencia constante:

Pg = Pd + Pc

Donde:

Pg: Potencia generada.
Pd: Potencia disipada en el banco de resistencias.
Pc: Potencia consumida por la población (Fig. 3).

 

Fig. 3. Esquema de un regulador electrónico.
 

La energía no consumida se disipa en forma de calor en un banco de resistencias, que generalmente se ubica en la casa de máquinas. Esta energía disipada está en función de la variación de la frecuencia generada por el generador de la turbina. El regulador está constantemente comparando la frecuencia generada, con un patrón que previamente se fijó como referencia.

Si la frecuencia generada es mayor que la de referencia patrón, el regulador desvía más energía al banco de resistencias. De la misma forma, si la frecuencia generada es menor que la de referencia patrón, el regulador desvía menos energía al banco de resistencia. Esto último sucede cuando en el consumidor varió la demanda de energía, y el regulador realizó los ajustes para mantener fijos los valores de frecuencia y voltaje.

Para el control de la potencia disipada se utilizan componentes electrónicos, tales como tiristores, triacs, transistores de potencias, etcétera.

En este método de control por disipación de energía, la respuesta a las variaciones de la frecuencia es prácticamente instantánea.

En lugares donde el caudal de agua sea limitado, no es recomendable este tipo de regulador, debido a que se gasta determinada cantidad de agua para generar la energía que es necesario disipar para mantener constantes la frecuencia y el voltaje.

Ventajas: Es relativamente barato, mantiene constantes la frecuencia y el voltaje, y trabaja de forma semiautomática.

Desventaja: No controla el flujo de agua, por lo que, en lugares donde ésta es escasa, no se debe instalar.


Regulador mixto

Este sistema de regulación está basado en el funcionamiento del regulador electrónico, al cual se le acopla eléctricamente un motor eléctrico que gira en ambos sentidos, por lo que el regulador mixto tiene las características del regulador electrónico y las del eléctrico electrónico; es decir, tiene la posibilidad de controlar la demanda eléctrica y el flujo de agua que entra a la turbina.

Su funcionamiento es totalmente automático y el ajuste de la frecuencia es instantáneo, ya que se realiza por el regulador electrónico, y la disipación de energía es mucho menor que en el caso del regulador electrónico.

Por otra parte, una vez que el banco de resistencia cede la energía que estaba disipando, el motor eléctrico hace girar la válvula de entrada para que varíe el flujo de agua, y lleve de nuevo al banco de resistencias a disipar la misma cantidad de energía que estaba disipando antes del desequilibrio. Con este trabajo combinado se logra mantener la frecuencia y el voltaje constantes y, además, disminuir la cantidad de agua empleada en disipar energía.

Ventajas: Controla el flujo de agua que entra a la turbina y mantiene constantes la frecuencia y el voltaje.

 
Fig. 4. La electricidad producida en pequeñas, mini y microcentrales
hidroeléctricas es una de las formas más adecuadas para lograr
el desarrollo local con una energética sostenible.
 

Desventajas: Es caro y requiere personal calificado para su mantenimiento.
La electricidad producida en pequeñas, mini y microcentrales hidroeléctricas, ade-más de su ventaja económica, es una de las formas más adecuadas para lograr el desarrollo local con una energética sana, sin contaminación y de manera independiente (Fig. 4). Si el proyecto, la construcción y operación de la estación es correcta, la calidad de la corriente eléctrica puede ser óptima.

* Profesor Auxiliar. Especialista de instalaciones solares de Ecosol Energía, COPEXTEL, Cuba.
e-mail: nilo@energia.copextel.com.cu