ElectricidadMáquinas Eléctricas II (6°) · Centrales y Canalizaciones Eléctricas (7°) · 144 h cada una · Eje 3 de 6 y ejes 1 y 2 de 7

Generación y grupos electrógenos

Cuando se corta la luz en un hospital, en una fábrica o en una antena, un motor arranca solo y, en pocos segundos, devuelve la tensión. Detrás hay un alternador que fabrica la electricidad, un motor que lo hace girar a velocidad constante, dos reguladores —uno de tensión y otro de velocidad— y un tablero que decide cuándo conectar la carga. Entender cómo trabajan juntos es entender cualquier central, desde un grupo de 5 kVA hasta una represa.

Alternador sincrónico Turbinas Motor diésel Grupo electrógeno Transferencia automática Sincronización

01El alternador sincrónico en servicio

Toda generación seria, desde una represa hasta un grupo de obra, se hace con el mismo principio: un electroimán que gira (el rotor, alimentado con corriente continua de excitación) induce una tensión alterna en los bobinados fijos del estator (Magnetismo y electromagnetismo). Es sincrónico porque la frecuencia queda atada a la velocidad: f = p · n / 60, con p pares de polos. La relación y la tabla de velocidades para 50 Hz están en Energía eléctrica; para esta página alcanza con recordar que un grupo común, de cuatro polos, gira a 1 500 rpm.

Tipo de rotor	Cómo es	Dónde se usa
Polos salientes	Muchos polos que sobresalen del eje, diámetro grande y poco largo. Gira lento.	Hidrogeneradores y grupos electrógenos de 1 500 rpm.
Rotor liso (cilíndrico)	Cilindro macizo con ranuras, dos o cuatro polos, largo y delgado. Soporta la fuerza centrífuga a 3 000 rpm.	Turbogeneradores de vapor y de gas.

En los grupos modernos la excitación se resuelve sin escobillas ni anillos rozantes: una excitatriz (un pequeño alternador cuyo inducido gira con el rotor) entrega corriente alterna a un puente de diodos que también gira y alimenta el campo principal. Al regular la corriente de la excitatriz se regula todo el generador. Muchos equipos agregan un generador de imán permanente que alimenta al regulador: así el alternador conserva la excitación aun cuando la tensión de salida cae por un cortocircuito.

Dos variables, dos reguladores

En un grupo hay que controlar dos cosas que se influyen poco entre sí. La tensión la manda la excitación, y la gobierna el regulador automático de tensión (AVR). La frecuencia la manda la velocidad del motor, y la gobierna el regulador de velocidad (gobernador). Y las dos potencias también se separan: la potencia activa (kW) la fija cuánto empuja el motor; la reactiva (kvar), la carga y la excitación.

Variable	La determina	La regula	Si el regulador falla
Tensión	Corriente de excitación y carga conectada (cos φ).	AVR: mide la tensión de salida y corrige la corriente de la excitatriz.	Sin AVR la tensión cae mucho al cargar el grupo (decenas por ciento, como muestra el ejemplo de ensayo de generadores) o sube sin control en vacío.
Frecuencia	Velocidad de giro del motor.	Gobernador: actúa sobre el combustible (cremallera o inyección) según la velocidad medida.	La frecuencia deriva, los motores de la carga cambian de velocidad y una sobrevelocidad puede destruir el grupo.

La potencia del grupo: kVA, kW y el límite del motor

La placa de un alternador dice kVA: es lo que puede entregar sin recalentar sus bobinados, sea cual sea el factor de potencia de la carga. Lo que se consume útilmente son kW, y esos salen del eje del motor (Potencia en corriente alterna, Circuitos trifásicos):

S = \sqrt{3} \cdot U \cdot I P = S \cdot \cos φ

S en kVA es la potencia aparente que el alternador puede entregar; P en kW es la activa, que sale del eje del motor.

Por convención, los grupos se rotulan con cos φ = 0,8: un grupo de 100 kVA es de 80 kW. La corriente nominal de salida es:

I_{n} = \frac{S}{\sqrt{3} \cdot U}

El límite lo pone el más débil de los dos

Un grupo de 45 kVA y 36 kW sigue siendo de 36 kW si la carga tiene cos φ = 1: el alternador podría dar 45 kW, pero el motor no los tiene. Y con cos φ bajo ocurre lo contrario: el motor sobra y el alternador se calienta antes que el motor llegue a su potencia. Para elegir un grupo hay que verificar las dos cosas: kW contra el motor y kVA contra el alternador. Las cargas capacitivas fuertes (bancos de capacitores sin descargar, algunos equipos electrónicos) merecen una nota aparte: pueden hacer que la tensión suba sin que el AVR la controle.

Regulación de tensión y de frecuencia

Con el AVR en servicio, la tensión se sostiene dentro de un pequeño margen —del orden de ±1 % en régimen permanente— entre vacío y plena carga. Lo difícil es el transitorio: al conectar de golpe una carga grande, la tensión se hunde y tarda una fracción de segundo en recuperarse, y el motor pierde velocidad hasta que el gobernador aumenta el combustible. Cuanto más grande es el escalón de carga respecto de la potencia del grupo, más profundo el hundimiento; esa relación decide el dimensionamiento (sección 06).

La frecuencia admite dos modos de regulación. En el modo de estatismo (droop), la velocidad baja un poco al subir la carga, y es lo que permite repartir la potencia entre varios grupos en paralelo (sección 05). En el modo isócrono, el regulador es electrónico y mantiene la velocidad exacta a cualquier carga; es el que se usa en un solo grupo aislado, y en paralelo requiere una línea de comunicación entre los reguladores para repartir la carga:

R = \frac{f_{vacío} - f_{plena}}{f_{n}} \cdot 100 %

Con f_n = 50 Hz, un estatismo del 4 % significa que la frecuencia baja 2 Hz entre vacío y plena carga.

Rendimiento del alternador

El alternador pierde energía en el cobre (efecto Joule en estator y rotor), en el hierro (histéresis y corrientes parásitas) y en el rozamiento y la ventilación. Su rendimiento es el cociente entre la potencia que entrega y la que recibe:

η_{alt} = \frac{P_{sal}}{P_{sal} + P_{Cu} + P_{Fe} + P_{mec}}

P_Cu: pérdidas en el cobre del estator y del rotor; P_Fe: pérdidas en el hierro; P_mec: rozamiento y ventilación.

En los alternadores de grupos pequeños y medianos el rendimiento ronda el 85 al 95 %, mejor cuanto más grande la máquina y más cerca de la plena carga. La diferencia se va en calor, que el ventilador del alternador debe evacuar: de ahí la importancia de que el aire de refrigeración circule libremente (sección 04).

02Turbinas: tipos y características

La turbina es la máquina motriz de las centrales grandes: convierte la energía de un fluido en movimiento —vapor, gas caliente o agua— en giro de un eje. Es más compacta y más suave que un motor alternativo, pero necesita un fluido a presión disponible; en las potencias pequeñas domina el motor alternativo. Las centrales de cada tipo y sus rendimientos están en Energía eléctrica; acá interesa cómo es cada turbina y qué la caracteriza.

Turbina	Fluido y principio	Características	Se regula con
De vapor	El vapor de una caldera o de un reactor se expande en toberas y paletas. Puede ser de acción (el vapor se acelera en toberas fijas y el rotor sólo recibe el impulso) o de reacción (la expansión continúa en las paletas móviles). Las grandes combinan ambas, en varios cuerpos.	Gira a 3 000 rpm (dos polos) o a 1 500 rpm (cuatro). Con condensación aprovecha la máxima caída de presión; a contrapresión entrega vapor a media presión para un proceso (cogeneración).	Válvulas que regulan el vapor admitido.
De gas	Ciclo Brayton: un compresor eleva la presión del aire, una cámara de combustión lo calienta quemando combustible, y los gases se expanden en la turbina.	Más de la mitad del trabajo de la turbina se gasta en mover el compresor. Arranca rápido (minutos), de decenas de kW (microturbinas) a cientos de MW. Los gases de escape, muy calientes, alimentan el ciclo combinado.	Caudal de combustible.
Hidráulica Pelton	De acción: uno o más chorros de agua a gran velocidad golpean cucharas en el borde de la rueda, a presión atmosférica.	Para caídas altas (centenares de metros) y caudales chicos. Cada chorro empuja por impulso las cucharas dobles de la rueda.	Aguja que cierra la tobera y deflector que desvía el chorro.
Hidráulica Francis	De reacción: el agua entra por una carcasa en espiral (caracol o voluta), atraviesa el rodete radialmente y sale por el centro, perdiendo presión en el rodete.	Para caídas medias (decenas a pocos centenares de metros) y caudales medios. Es la más difundida.	Distribuidor de álabes móviles.
Hidráulica Kaplan	De reacción, de flujo axial, con palas de hélice que se pueden inclinar.	Para caídas bajas (hasta unas decenas de metros) y grandes caudales: represas de llanura y ríos.	Distribuidor y paso de las palas.

Los rangos de altura son orientativos: los límites entre un tipo y otro se solapan, y se eligen por rendimiento, costo y velocidad específica en el proyecto de cada central. En el caso de una hidráulica, la potencia se calcula con la caída neta y el caudal:

P = η \cdot ρ \cdot g \cdot Q \cdot H

ρ = 1 000 kg/m³, g = 9,81 m/s², Q caudal en m³/s, H altura de caída neta en m; el resultado sale en W.

Ejemplo · Una microcentral sobre un arroyo serrano

Un salto aprovecha una caída neta de 45 m con un caudal de 2,5 m³/s. El rendimiento global de turbina y generador es de 0,88. ¿Qué potencia se obtiene y qué turbina conviene? Si el generador se acopla directamente a una turbina de 300 rpm, ¿cuántos pares de polos necesita para 50 Hz?

P = 0,88 \cdot 1000 kg/m³ \cdot 9,81 m/s² \cdot 2,5 m³/s \cdot 45 m = 971 kW

Con una caída de 45 m y un caudal medio, el lugar natural es la Francis (una Kaplan sería posible si el caudal fuera mayor y la caída menor). Para los polos:

p = \frac{60 \cdot f}{n} = \frac{60 \cdot 50}{300 rpm} = 10 pares de polos

Es una máquina de polos salientes, de veinte polos, como corresponde a un generador lento.

Una turbina de vapor no se arranca de golpe

El rotor y la carcasa se dilatan con el calor, y si se calientan a ritmos distintos se tocan. Por eso se hace girar al eje muy despacio con un virador antes de admitir vapor, y se sube de velocidad y de temperatura por etapas, con un procedimiento. La misma precaución se aplica al parar: un eje que se detiene caliente se combaría si no siguiera girando lento.

03Motores de combustión interna, combustibles y lubricantes

Por debajo de unos pocos MW, el accionamiento habitual de un generador es un motor de combustión interna alternativo: pistones que transforman la presión de un combustible quemado en giro del cigüeñal. En la práctica existen dos familias:

Motor diésel (encendido por compresión): aspira y comprime sólo aire, con una relación de compresión de unos 16:1 a 22:1; al final de la compresión el aire está tan caliente que el gasoil inyectado se enciende solo. Es el de los grupos de potencia media y de emergencia: consume poco, soporta mucho trabajo y su combustible es menos inflamable.
Motor Otto (encendido por chispa): comprime una mezcla de aire y combustible (nafta, gas natural o GLP) con relación de compresión de 8:1 a 12:1 y la enciende una bujía. Es el de los grupos portátiles pequeños (de 1 a 10 kVA) y de los grupos a gas.

Ambos suelen ser de cuatro tiempos: admisión, compresión, expansión (el único que entrega trabajo) y escape, en dos vueltas del cigüeñal. El motor debe sostener la velocidad del alternador (1 500 rpm) aunque la carga cambie: eso es trabajo del gobernador. La potencia en el eje es el producto del par por la velocidad angular:

P = M \cdot ω = M \cdot \frac{2 \cdot π \cdot n}{60}

P en W, M (par) en N·m, n en rpm. A 1 500 rpm, 40 kW corresponden a un par de 255 N·m.

Figura 1. Balance de energía de un grupo diésel de 45 kVA a plena carga, animada. De cada 100 unidades de energía del combustible, sólo 33,2 llegan como electricidad; el resto se pierde casi todo como calor. Los porcentajes del escape y del refrigerante son valores típicos.

El rendimiento del motor se obtiene del consumo específico b (cuántos gramos de combustible se queman por cada kWh que entrega el eje) y del poder calorífico del combustible:

η_{m} = \frac{3,6 MJ/kWh}{b \cdot PCI}

b: consumo específico en kg/kWh; PCI: poder calorífico inferior del combustible en MJ/kg (3,6 MJ = 1 kWh).

Con b = 230 g/kWh y un gasoil de 42,7 MJ/kg, el rendimiento es 3,6 / (0,230 · 42,7) = 36,7 %. El consumo específico empeora a carga baja, porque las pérdidas mecánicas son casi fijas: un motor trabajando al 25 % de su carga gasta bastante más por kWh que uno a plena carga (hay una tabla con valores medidos en la sección 06).

Qué incluye un motor de grupo

Además de bloque, cilindros y cigüeñal, un motor de grupo tiene sus sistemas auxiliares, que son los que más fallan:

Combustible: tanque, filtros (con separador de agua), bomba y sistema de inyección.
Aire: filtro de aire y, en los de mayor potencia, turbocompresor con enfriador de aire de admisión, que aumenta la potencia por cilindrada.
Refrigeración: circuito de agua con anticongelante, bomba, termostato y radiador con ventilador; los pequeños se refrigeran por aire.
Lubricación: bomba de aceite, filtro y, a veces, enfriador de aceite; la presión de aceite es el parámetro que más protege al motor.
Arranque: motor eléctrico de 12 o 24 V y baterías, con cargador.
Escape: colector, flexible, silenciador y conducto de evacuación al exterior.

Categorías de potencia

La potencia de placa no es una sola: depende del tipo de servicio para el que el fabricante garantiza el equipo. La norma ISO 8528-1 distingue la potencia continua (COP, a carga constante sin límite de horas), la principal (PRP, a carga variable sin límite de horas, con una carga media limitada) y la de tiempo limitado (LTP), y los fabricantes suelen agregar la de emergencia (ESP, para respaldo de la red durante pocas horas por año). Un mismo motor tiene un valor distinto en cada categoría, y la potencia de emergencia es la mayor de todas: no sirve para dimensionar un grupo que trabaja todos los días. Además, los valores son para condiciones de referencia (en ISO 8528-1, 100 kPa, 25 °C y 30 % de humedad relativa); con más altura o más temperatura el motor entrega menos y el fabricante da la curva de reducción.

Combustibles

Combustible	Motor	Energía aprox.	A tener en cuenta
Gasoil	Diésel	10 kWh/L (0,84 kg/L)	Se compra por litro. Importan el índice de cetano (cuán fácil se enciende), la viscosidad, la filtrabilidad en frío (la parafina tapa los filtros en las heladas) y el contenido de agua y sedimentos.
Nafta	Otto	9 kWh/L (0,74 kg/L)	Muy inflamable y se degrada en meses de almacenamiento; poco indicada para respaldo de larga espera.
Gas natural	Otto a gas	unos 10 kWh/m³	Se toma de la red: no hay tanque ni autonomía limitada, pero un corte de gas o una baja de presión deja el grupo sin combustible.
GLP (propano-butano)	Otto a gas	unos 12,8 kWh/kg	Se almacena en tanques a presión; limpio y sin degradación, pero con requisitos de seguridad propios.

El gasoil de venta incluye un corte de biodiésel que fija la normativa vigente, y como todo combustible orgánico acumula agua y puede desarrollar hongos si queda quieto. En un grupo de emergencia, el tanque debe estar siempre lleno (también para que no se condense humedad), el combustible se renueva o se trata periódicamente, y el agua se purga por la canilla de fondo. Los tanques y sus muros de contención se proyectan con las exigencias de protección contra incendios de la Ley 19.587 y el Decreto 351/79 (ver Higiene y seguridad laboral).

Lubricantes

El aceite del motor hace cinco trabajos a la vez: lubrica, enfría las zonas que el refrigerante no alcanza, limpia (los aditivos detergente-dispersantes mantienen en suspensión el hollín), sella entre aros y cilindro y protege contra la corrosión. Se lo elige por su viscosidad, que se expresa con el grado SAE (un diésel de grupo suele usar un multigrado como el SAE 15W-40) y por su nivel de servicio API (la serie «C», para diésel). El cambio de aceite y filtros se hace por horas de marcha o por tiempo, lo primero que ocurra, siguiendo el manual del fabricante; un grupo de emergencia, aunque funcione pocas horas, necesita igualmente el cambio por tiempo porque el aceite envejece. Un análisis periódico del aceite usado (viscosidad, agua, hollín, metales de desgaste) es una herramienta de mantenimiento predictivo, como la termografía (Mantenimiento de componentes eléctricos). Los criterios generales de selección de combustibles y lubricantes en el taller están en Insumos del taller eléctrico.

El motor diésel que casi no trabaja se enferma

Un diésel que funciona mucho tiempo con poca carga (menos de un 30 % de su potencia, aproximadamente) no llega a la temperatura de trabajo: el combustible se quema mal y deja hollín y gasoil sin quemar en el escape y los cilindros. Por eso los grupos de emergencia se prueban con carga, no en vacío, y por eso se rechaza sobredimensionar un grupo «para estar seguros».

04El grupo electrógeno de media y pequeña potencia

Un grupo electrógeno (motogenerador) es el conjunto de un motor y un alternador acoplados sobre una misma bancada, con sus auxiliares y su tablero de control. «Pequeña potencia» es el grupo portátil o de obra, de unos pocos kVA, casi siempre monofásico y a nafta; «media» es el grupo diésel trifásico fijo o sobre acoplado, desde algunas decenas hasta unos cientos de kVA, que respalda un edificio, una planta o una antena.

Parte	Para qué sirve	Qué se controla en el mantenimiento
Bancada y soportes	Chasis rígido que une motor y alternador; apoyos antivibratorios que aíslan el piso.	Alineación del acople, estado de los soportes, fijaciones.
Motor	Entrega el par al eje.	Niveles, correas, fugas, filtros, horas de marcha.
Alternador y regulador de tensión	Convierte el giro en tensión trifásica.	Aislación, bornes, limpieza de ventilación, estado del AVR.
Enfriamiento	Evacua el calor del motor y del alternador.	Nivel y concentración del refrigerante, mangueras, radiador libre de suciedad.
Combustible	Tanque base, tanque diario, filtros y purga.	Nivel, agua en el fondo, filtros, ventilación del tanque.
Escape	Lleva los gases a un lugar seguro.	Hermeticidad, aislación térmica, silenciador.
Arranque	Baterías, cargador y motor de arranque.	Tensión de baterías, densidad del electrolito, cargador, bornes.
Tablero de control	Arranca y detiene; mide y protege (presión de aceite, temperatura, sobrevelocidad, falla de arranque).	Alarmas, parada de emergencia, calibración de sensores.
Calentador de agua	Mantiene tibio el motor para que arranque rápido y tome la carga en pocos segundos.	Resistencia, termostato.

La sala del grupo

Un grupo bien elegido puede fallar por su sala. Necesita aire de combustión y de refrigeración en cantidad (una persiana de entrada y una de salida del tamaño que indica el fabricante), un escape que descargue a la intemperie lejos de aberturas, combustible contenido y lejos de fuentes de calor, espacio para el mantenimiento y una base que soporte el peso y las vibraciones. El mantenimiento general de los componentes eléctricos del tablero se explica en Mantenimiento de componentes eléctricos, y la planificación en Gestión del mantenimiento.

Un grupo en automático arranca solo

Antes de tocar un grupo con el tablero en modo automático hay que impedir que arranque: llevar el selector a «fuera de servicio», desconectar las baterías y colgar el candado y la tarjeta. Sólo así el ventilador, la correa o el acople no pueden ponerse en movimiento con las manos adentro. Además: el monóxido de carbono del escape es letal, nunca se prueba un grupo en un recinto cerrado; el escape y el colector queman; las baterías desprenden hidrógeno (explosivo), y el ruido exige protección auditiva.

El tablero de transferencia automática

Un grupo de respaldo se conecta a la instalación mediante un tablero de transferencia automática (TTA). Contiene dos contactores o interruptores motorizados —uno de la red, otro del grupo—, enclavados mecánica y eléctricamente para que nunca estén cerrados a la vez, y un controlador que mide la tensión y la frecuencia de la red y ejecuta la secuencia. Tiene tres modos: automático (atiende la red), manual (el operador maniobra) y prueba (arranca el grupo y transfiere a propósito, para ejercitarlo).

Figura 2. Secuencia de un tablero de transferencia automática, animada: red normal, falla, arranque del grupo, transferencia y retorno de la red. Los tiempos de cada paso son ajustables en el controlador.

Temporizador	Qué hace	Valor habitual
Retardo a la falla	Espera antes de dar la orden de arranque, para ignorar microcortes.	1 a 5 s
Arranque	Tiempo máximo que se da al motor para arrancar; si no arranca, repite el intento y luego da alarma.	10 s por intento (3 intentos)
Retardo de transferencia	Espera a que tensión y frecuencia estén estables antes de cerrar el grupo.	unos segundos
Retardo de retorno	Espera a que la red esté estable antes de volver a ella.	1 a 10 min
Enfriamiento	Deja el grupo en vacío antes de detenerlo.	3 a 5 min

Estos valores son orientativos; los fija el proyecto de cada instalación. En un lugar donde la interrupción debe ser mínima (un quirófano, una sala de datos) se agrega una fuente ininterrumpida (UPS) que cubre los segundos hasta que el grupo toma la carga.

Retroalimentación: el riesgo que no se ve

Si el grupo se conectara a una instalación que sigue unida a la red de la distribuidora, energizaría los cables de la calle a través del transformador de distribución, a alta tensión, con un operario creyéndolos sin tensión. Por eso la conexión se hace sólo a través del TTA con enclavamiento y nunca con un enchufe o un puente. El caso se trata también en ensayo de generadores. La reglamentación AEA 90364 pide que una fuente de reserva no pueda quedar, por error, en paralelo con la red; y la conexión en paralelo permanente con la red de la distribuidora necesita autorización y protecciones especiales.

En el proyecto del TTA se define además qué ocurre con el neutro: un tablero tetrapolar conmuta también el neutro y evita que la corriente de retorno tome caminos no previstos; el neutro del grupo se conecta a tierra de acuerdo con el esquema de conexión a tierra de la instalación, y la puesta a tierra del grupo y su continuidad se miden (Puesta a tierra, aislación y ensayo de generadores).

05Puesta en paralelo y sincronización

Dos o más grupos pueden alimentar una misma barra. Se hace para tener redundancia (si uno falla, el otro sigue), para poder mantener un grupo sin cortar el servicio, para crecer agregando un equipo, y para que trabajen sólo los grupos necesarios y cerca de su mejor rendimiento. El precio es complejidad: hay que cerrar el interruptor de cada grupo en un instante preciso y después repartir la carga.

Las cuatro condiciones para cerrar

Un generador sólo puede conectarse a una barra viva cuando coinciden con ella la tensión (en valor eficaz), la frecuencia, la secuencia de fases y el ángulo de fase. La secuencia se verifica una vez, en la puesta en marcha, con un secuencímetro; las otras tres se ajustan cada vez, y se miran con un voltímetro, un frecuencímetro y un sincronoscopio, cuya aguja gira a la velocidad de la diferencia de frecuencias (hacia «rápido» si el grupo entrante va más rápido) y marca las 12 cuando las ondas están en fase.

Figura 3. Condiciones para sincronizar, animada. Cada estado deja una condición sin cumplir: tensión distinta, frecuencia distinta, ángulo de fase distinto; sólo cuando las cuatro coinciden se cierra el interruptor. Las diferencias están exageradas.

Hay dos formas de hacerlo. La sincronización manual usa el sincronoscopio, o tres lámparas: en el método de «lámparas apagadas» el grupo se cierra cuando se apagan las tres a la vez; si se conectan en cruz, la luz «gira» y su sentido de giro dice si el grupo va más rápido o más lento. La sincronización automática la hace un controlador que ajusta la velocidad y la tensión, y cierra el interruptor cuando las condiciones se cumplen y se mantienen unos instantes (relé de verificación de sincronismo).

Cerrar fuera de sincronismo rompe máquinas

Si el interruptor se cierra con las ondas desfasadas, la diferencia de tensión instantánea produce una corriente de cortocircuito y un par brusco sobre el acople y el cigüeñal: se han roto ejes, acoples y bobinados. Nunca se cierra un interruptor mientras el sincronoscopio gira rápido, y el sistema de control debe incluir la verificación de sincronismo (relé de verificación de sincronismo, función 25).

Reparto de la potencia activa: el estatismo

Una vez en paralelo, las máquinas giran juntas a la misma frecuencia. Cómo se reparten la potencia activa lo decide la característica de velocidad de cada motor: con estatismo, la frecuencia baja al cargarse. Si dos grupos tienen el mismo estatismo en por ciento, toman la carga en proporción a su potencia; si se sube el ajuste de uno, ese toma más. Con la frecuencia que resulta común a ambos, el reparto sale de dibujar las dos rectas:

Figura 4. Reparto de carga entre G1 (60 kW) y G2 (40 kW) con estatismo del 4 %, animada. A la izquierda crece la potencia de G1 y a la derecha la de G2; el punto de trabajo común es la línea horizontal. Subir el ajuste de G2 le da más carga; subir la carga total hace caer la frecuencia.

El reparto de la potencia reactiva sigue otro camino: lo gobiernan los AVR, que reparten la reactiva mediante un pequeño estatismo de tensión (compensación de caída) o con una conexión entre reguladores. Si las tensiones internas de los alternadores difieren, circula entre ellos una corriente reactiva que no aporta potencia útil pero los calienta. En la práctica, los grupos de una misma barra se eligen con reguladores compatibles, y su ajuste fino queda en manos de un técnico con instrumentos (analizador de red), no de tanteo.

La protección contra potencia inversa (el grupo que, en vez de entregar, «motoriza» arrastrado por los demás) y las demás protecciones del generador se explican en Calidad del suministro y protección de máquinas.

06Dimensionar, ensayar y proteger un grupo

Elegir un grupo es resolver un problema con varias respuestas posibles; uno chico se hunde al arrancar los motores, uno enorme trabaja siempre a poca carga y se enferma. El método tiene seis pasos:

Relevar las cargas que el grupo debe alimentar (las esenciales, o toda la instalación): potencia, cos φ, rendimiento y tipo de arranque.
Sumar kW y kvar; la potencia aparente total no es la suma de las aparentes, sino la composición de las activas y las reactivas.
Agregar un margen de reserva (para crecimiento y para no trabajar a plena carga), del orden del 20 %.
Verificar el arranque del motor más grande: la caída de tensión transitoria debe ser aceptable.
Corregir por altura y temperatura y elegir la categoría de servicio (emergencia o principal) y el tamaño comercial siguiente.
Verificar el combustible y la autonomía que exige el servicio.

Ejemplo · Un grupo de respaldo para un taller

Un taller, alimentado a 400/230 V, necesita respaldo para: iluminación y tomas, 9 kW con cos φ = 0,95; un compresor con motor de 7,5 kW (en el eje, rendimiento 0,88, cos φ = 0,84); y una bomba con motor de 11 kW (rendimiento 0,89, cos φ = 0,85). El grupo es diésel, de 1 500 rpm, con x′_d = 0,20 y un rendimiento de alternador de 0,905. Se pide elegir su potencia.

Carga	P eléctrica (kW)	cos φ	S (kVA)	Q (kvar)
Iluminación y tomas	9,00	0,95	9,47	2,96
Compresor: 7,5 / 0,88	8,52	0,84	10,14	5,50
Bomba: 11 / 0,89	12,36	0,85	14,54	7,66

Se suman las activas y las reactivas; las aparentes se componen:

P_{tot} = 9 + 8,52 + 12,36 = 29,88 kW Q_{tot} = 2,96 + 5,50 + 7,66 = 16,12 kvar

S_{tot} = \sqrt{{29,88}^{2} + {16,12}^{2}} = 33,95 kVA \cos φ = \frac{29,88}{33,95} = 0,88

Se agrega un 20 % de reserva y se pasa al tamaño comercial siguiente:

S_{grupo} \geq 1,2 \cdot 33,95 kVA = 40,7 kVA \to 45 kVA P_{grupo} = 45 \cdot 0,8 = 36 kW

El motor da 36 kW contra 29,88 kW de carga:

\frac{29,88 kW}{36 kW} = 0,83 (83 %) I_{n} = \frac{45000 VA}{\sqrt{3} \cdot 400 V} = 65 A

Arranque de la bomba (el motor más grande). Su potencia aparente nominal es 14,54 kVA (tabla). En arranque directo toma unas seis veces la corriente nominal, y por tanto seis veces esa potencia aparente:

S_{arr} = 6 \cdot S_{n} = 6 \cdot 14,54 kVA = 87,2 kVA \frac{U_{arr}}{U_{n}} = \frac{1}{1 + 0,20 \cdot \frac{87,2}{45}} = 0,72

La tensión cae a un 72 %, una caída de 28 %: inaceptable, porque el criterio habitual es no pasar del 15 % (a esa caída, además, el par de arranque del motor se reduce a la mitad y los contactores pueden soltar). Con un arranque estrella-triángulo (un tercio de la corriente) o un arrancador suave:

S_{arr} = \frac{87,2 kVA}{3} = 29,1 kVA \frac{U_{arr}}{U_{n}} = \frac{1}{1 + 0,20 \cdot \frac{29,1}{45}} = 0,886

La caída es de 11 %: aceptable. Conclusión: un grupo de 45 kVA sirve si la bomba arranca en estrella-triángulo o con arrancador suave (Motores de CA, Variadores de velocidad); con arranque directo habría que pasar a un grupo bastante mayor. El modelo es simple (ignora la carga que ya estaba conectada) y sirve para decidir; el catálogo del fabricante da las curvas finas.

Combustible. La potencia en el eje es 29,88 / 0,905 = 33,0 kW; con 230 g/kWh y gasoil de 0,84 kg/L:

P_{eje} = \frac{29,88 kW}{0,905} = 33,0 kW C = \frac{33,0 kW \cdot 0,230 kg/kWh}{0,84 kg/L} = 9,0 L/h

Con un tanque de 120 L:

autonomía = \frac{120 L}{9,04 L/h} = 13,3 h

Si el servicio exige 24 horas, el tanque debe ser mayor o se prevé el reabastecimiento.

Ensayos de equipos

Antes de aceptar un grupo se hace una prueba de recepción. Los ensayos eléctricos del alternador (resistencia de los bobinados, aislación, características en vacío y en cortocircuito, impedancia sincrónica, ensayo en carga con banco de resistencias e inductancias) y la medición de la puesta a tierra están desarrollados en Puesta a tierra, aislación y ensayo de generadores; los de motores y transformadores, en Ensayos de motores y transformadores. Acá se agregan los que miran al conjunto: el motor, la transferencia y el servicio real.

Arranque y toma de carga: tiempo desde la orden hasta tensión y frecuencia estables, y hasta tomar el 100 % de la carga.
Carga por escalones (25, 50, 75 y 100 % de la potencia) con un banco de carga, anotando en cada uno tensión, frecuencia, corriente, kW, temperaturas, presión de aceite y consumo de combustible.
Respuesta a un escalón: hundimiento y recuperación de tensión y frecuencia al conectar de golpe una carga grande.
Secuencia de transferencia: tiempos de cada paso del TTA, enclavamiento y retorno.
Protecciones: disparo por baja presión de aceite, alta temperatura, sobrevelocidad y parada de emergencia, simulados.

Un ensayo en carga del grupo de 45 kVA del ejemplo, con el consumo medido por diferencia de nivel de tanque, da la siguiente tabla. El consumo por kWh eléctrico se calcula con b_el = (L/h · 840 g/L) / kW, y el rendimiento global con la energía del combustible (9,96 kWh/L):

Carga	Potencia (kW)	Consumo (L/h)	Consumo (g/kWh)	Rendimiento global
25 %	9	3,6	336	25,1 %
50 %	18	5,9	275	30,6 %
75 %	27	8,4	261	32,3 %
100 %	36	10,9	254	33,2 %

El consumo específico a plena carga (254 g/kWh eléctrico) es el del motor (230 g/kWh en el eje) dividido por el rendimiento del alternador (0,905), y se dispara a carga baja: a un cuarto de carga, cada kWh cuesta un 32 % más de combustible. Es otra razón para dimensionar sin exagerar.

Protección del generador

Un generador, además de las protecciones del circuito de salida (termomagnética o interruptor automático con ajuste de sobrecarga y cortocircuito), necesita protecciones propias: sobrecarga, cortocircuito, potencia inversa, sobretensión y subtensión, sobrefrecuencia y subfrecuencia, pérdida de excitación y falla a tierra del estator; en los equipos grandes, protección diferencial. Se desarrollan en Calidad del suministro y protección de máquinas; los fundamentos de la protección de baja tensión, en Protección eléctrica.

Lo que hay que llevarse de esta página

Un grupo es una cadena: combustible, motor, alternador, tablero. La tensión la manda la excitación y la frecuencia la manda la velocidad. Se elige por kW (el motor) y por kVA (el alternador), con margen y verificando el arranque de los motores. Y se conecta a la instalación sólo por un tablero con enclavamiento, y a otro grupo sólo en sincronismo.

07En el taller

Práctica 1 · Relevar un grupo electrógeno

Materiales: un grupo del taller (parado y con las baterías desconectadas), planilla, linterna, multímetro, megóhmetro. Pasos: copiar las placas del motor y del alternador (potencia, tensión, corriente, cos φ, rpm, categoría de servicio); identificar cada sistema de la tabla de la sección 04; verificar niveles de aceite, refrigerante y combustible; medir tensión y densidad de las baterías; medir la aislación del alternador entre fases y a masa (método en ensayo de generadores). Criterio de aceptación: planilla completa, sin pérdidas de fluidos, aislación por encima del mínimo de la regla de IEEE 43 (U_n en kV más 1 MΩ: 1,4 MΩ para 400 V) y baterías cargadas.

Práctica 2 · Ensayo en carga con banco de resistencias

Materiales: grupo, banco de carga resistivo trifásico, analizador de red o pinza con voltímetro y frecuencímetro, probeta o caudalímetro de combustible, termómetro infrarrojo. Pasos: arrancar el grupo y dejarlo en vacío un par de minutos; cargar por escalones de 25, 50, 75 y 100 %; en cada escalón esperar la estabilización y anotar tensión, frecuencia, corrientes, kW, presión de aceite, temperatura del refrigerante y consumo; calcular los g/kWh de cada escalón; bajar la carga y dejar enfriar. Criterio de aceptación: tensión dentro de ±5 % de 400 V y frecuencia entre 49 y 51 Hz en todos los escalones (el valor contractual es el de la especificación del fabricante); sin alarmas; consumo cercano al de catálogo.

Práctica 3 · Secuencia del tablero de transferencia

Materiales: TTA didáctico con grupo de poca potencia, carga de lámparas, cronómetro, multímetro, secuencímetro. Pasos: con la red presente, verificar la secuencia de fases de ambas fuentes; abrir el interruptor de alimentación para simular la falla; medir con cronómetro el tiempo hasta que arranca el grupo y hasta que las lámparas vuelven a encenderse; restablecer la red y cronometrar el retardo de retorno y el enfriamiento; con el tablero desenergizado y el docente presente, intentar cerrar a mano los dos contactores y comprobar que el enclavamiento lo impide. Criterio de aceptación: transferencia sin cierre simultáneo en ninguna prueba, tiempos dentro de los ajustes y registro completo.

Práctica 4 · Sincronizar dos grupos pequeños

Materiales: dos grupos monofásicos o trifásicos de pocos kVA con AVR, sincronoscopio o tres lámparas, voltímetros, frecuencímetros, pinza amperométrica, carga resistiva, con el docente a cargo y las protecciones propias de cada grupo. Pasos: arrancar G1 y cargarlo con la carga; verificar la secuencia de G2; arrancar G2 y ajustar tensión y frecuencia a las de G1, con G2 apenas más rápido; observar el sincronoscopio y cerrar el interruptor de G2 cuando la aguja pasa lenta por las 12; repartir la carga ajustando la velocidad de cada motor, y medir la corriente de cada grupo. Criterio de aceptación: cierre sin un tirón de corriente apreciable en la pinza y reparto de carga entre grupos iguales con una diferencia menor del 10 % de la corriente nominal.

En las cuatro prácticas

El grupo se ensaya al aire libre o con el escape evacuado fuera del taller; nadie trabaja sobre partes giratorias ni cerca del escape caliente; y antes de tocar cableado o conexiones se detiene el grupo, se desconectan las baterías y se verifica ausencia de tensión con instrumento. No se carga ni se conecta nada a la red del taller sin el docente.

08Errores frecuentes

Error	Consecuencia
Dimensionar sólo por kW (o sólo por kVA)	Un grupo con alternador que sobra y motor que no alcanza, o al revés: se hunde la tensión o se recalienta el equipo.
Olvidar el arranque de los motores	La tensión cae demasiado, los contactores sueltan y el motor no arranca: la carga queda sin servicio justo cuando se la necesita.
Usar la potencia de emergencia para un servicio diario	El motor trabaja por encima de lo que el fabricante garantiza y envejece rápido.
Probar el grupo de emergencia en vacío	Se acumula hollín y gasoil sin quemar; cuando haga falta, no tomará la carga. Se prueba con carga.
Conectar el grupo a la instalación con un enchufe o un puente	Retroalimentación a la red de la distribuidora: riesgo de muerte para quien trabaje en la línea.
Cerrar el interruptor de un grupo en paralelo sin mirar el sincronoscopio	Corriente de cortocircuito y golpe mecánico en el acople: ejes y bobinados rotos.
Dejar el tanque casi vacío y sin purgar	Falta de combustible en el momento del corte, y agua y sedimentos que tapan los filtros.
Cambiar el aceite sólo por las horas de marcha	En un grupo de emergencia las horas son pocas, pero el aceite envejece igual: se cambia también por tiempo.
Instalar el grupo en un recinto sin ventilación	Recalentamiento, pérdida de potencia, y en el peor caso monóxido de carbono en el edificio.

09Autoevaluación

¿Qué regula el AVR y qué regula el gobernador de un grupo electrógeno?

El AVR regula la tensión, actuando sobre la corriente de excitación del alternador. El gobernador regula la frecuencia, actuando sobre el combustible para mantener constante la velocidad del motor.

Un grupo trifásico de 100 kVA, 400 V y cos φ = 0,8. ¿Cuántos kW entrega y cuál es su corriente nominal?

La potencia activa es:

P = 100 kVA \cdot 0,8 = 80 kW

y la corriente nominal:

I = \frac{100000 VA}{\sqrt{3} \cdot 400 V} \approx 144 A

El motor debe poder entregar, además, esos 80 kW en el eje (más las pérdidas del alternador).

¿Por qué un grupo de cuatro polos gira a 1 500 rpm?

Porque en un alternador sincrónico la frecuencia queda atada a la velocidad. Para 50 Hz y p = 2 pares de polos:

n = \frac{60 \cdot 50}{2} = 1500 rpm

¿En qué se diferencian una turbina Pelton, una Francis y una Kaplan?

En el tipo de salto que aprovechan. La Pelton es de acción, para caídas altas y caudales chicos; la Francis, de reacción, para caídas y caudales medios; la Kaplan, de reacción y flujo axial con palas orientables, para caídas bajas y grandes caudales.

Enumerá los pasos de la secuencia de un tablero de transferencia automática ante una falla de la red.

El controlador detecta la falta de tensión y espera un retardo; da la orden de arranque y abre el contactor de la red; cuando el grupo está estable cierra el contactor del grupo (nunca los dos a la vez). Al volver la red, espera un retardo, retransfiere y deja enfriar el grupo en vacío antes de detenerlo.

¿Qué cuatro condiciones deben cumplirse para sincronizar un grupo con una barra?

Igual tensión, igual frecuencia, igual secuencia de fases e igual ángulo de fase. El sincronoscopio muestra las dos últimas: la aguja gira si las frecuencias difieren y marca las 12 cuando las ondas están en fase.

Dos grupos en paralelo con estatismo del 4 % (51 Hz en vacío): uno de 60 kW y otro de 40 kW. La carga sube a 90 kW. ¿A qué frecuencia trabajan y cuánto toma cada uno?

Con el mismo estatismo cada uno toma la misma fracción de su plena carga: 90 / 100 = 0,9. La frecuencia común es:

\frac{90 kW}{100 kW} = 0,9 \to f_{90 %} = 51 - 0,9 \cdot 2 = 49,2 Hz

G1 toma 0,9 · 60 = 54 kW y G2 toma 0,9 · 40 = 36 kW.

Un grupo tiene un motor con 36,7 % de rendimiento y un alternador con 90,5 %. ¿Cuánto combustible hace falta por cada kWh eléctrico?

El rendimiento global es:

η_{global} = 0,367 \cdot 0,905 = 0,332

Por cada kWh en bornes se queman 1 / 0,332 = 3,0 kWh de combustible, es decir unos 0,30 L de gasoil.

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