Cada vez que enciendes una luz, cargas el móvil o pones la lavadora, estás usando electricidad generada en algún punto de la red eléctrica. Pero ¿cómo se produce realmente esa electricidad? La respuesta está en los generadores eléctricos: máquinas que transforman el movimiento en energía eléctrica y que están en el corazón de todas las centrales eléctricas del mundo, ya sean hidráulicas, eólicas, solares termoeléctricas o de gas.
¿Qué es un Generador Eléctrico?
Un generador es una máquina eléctrica rotativa que transforma energía mecánica en energía eléctrica. Los equipos de respaldo energéticos son equipos que convierten energía mecánica en electricidad, la misma que empleamos en el día a día. Lo consigue gracias a la interacción de sus componentes principales: el rotor (parte giratoria) y el estátor (parte estática). Este elemento no crea por sí solo una energía eléctrica sino que utiliza la fuerza mecánica que le llega para inducir el movimiento de las cargas eléctricas a través de un circuito externo. La potencia de salida de un generador eléctrico es la potencia eléctrica que entrega, es decir: la potencia útil. El cociente entre la potencia de salida (también llamada potencia útil) y la potencia suministrada (también llamada potencia total o absorbida) es la eficiencia.
Principios de Funcionamiento: La Inducción Electromagnética
Detrás de cada equipo, hay un proceso específico que permite su producción de energía. Para entender mejor cómo funciona un generador eléctrico nos remontaremos a 1831, cuando el físico y químico Michael Faraday inventó la inducción electromagnética. Lo que hoy en día se conoce como la Ley de Faraday explica a la perfección cómo funciona un generador de corriente o generador eléctrico. La Ley de Faraday está basada en los experimentos que Michael Faraday, físico británico, realizó en 1830. Establece que el voltaje inducido en un circuito es directamente proporcional al cambio del flujo magnético en un conductor o espira.
Faraday también ideó el primer generador electromagnético: el disco de Faraday. ¿En qué consistía? Era un disco de cobre que giraba impulsado por una manivela situada entre los extremos de un imán con forma de herradura. El disco de Faraday demostró que se podía generar electricidad usando magnetismo. Cuando dentro de un campo magnético tenemos una espira por donde circula una corriente eléctrica aparecen un par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su eje. De esta misma manera, si dentro de un campo magnético introducimos una espira y la hacemos girar provocaremos la corriente inducida. Esta corriente inducida es la responsable de la fuerza electromotriz y será variable en función de la posición de la espira y el campo magnético. La cantidad de corriente inducida o fuerza electromotriz dependerá de la cantidad de flujo magnético (también llamado líneas) que la espira pueda cortar. Al hacer girar la espira dentro del imán conseguiremos una tensión que variará en función del tiempo. El funcionamiento comienza con la energía mecánica que es proporcionada por una fuente externa. Finalmente, la corriente eléctrica inducida en las bobinas del rotor, se traslada hacia un circuito externo para abastecer el consumo energético necesario en el establecimiento. Su funcionamiento se basa en la inducción electromagnética, que es un principio de la física.
Componentes Esenciales de un Generador
Si quieres conocer cómo llega la energía eléctrica a tu hogar, mediante un generador eléctrico, tenemos que resaltar dos de sus componentes más importantes, que son el rotor y el estator. ¿Cuál es la función de cada pieza en este proceso?
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- Rotor: Es la pieza móvil del equipo que se encarga de generar un flujo magnético, por lo que gira en el interior del estator. En las máquinas rotativas, el rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes.
- Estator: Consiste en la pieza fija del generador ubicada en el exterior. Cuenta con un cuerpo metálico que protege piezas internas del dispositivo. El espacio de aire que separa el rotor del estátor se llama entrehierro y es necesario para que la máquina pueda girar.
Normalmente, tanto en el estátor como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados crea un flujo en el entrehierro y se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se llama inducido. Además de estos, para entender mejor cómo funciona un generador eléctrico es necesario discernir que hay otras partes que lo componen:
- Sistema de combustible: Suministra el combustible necesario al motor.
- Sistema de refrigeración: Mantiene la temperatura adecuada y da salida a los gases de escape generados en la combustión del motor.
- Cargador de batería: Esta parte puede incluirla en el dispositivo de forma opcional.
Todos estos componentes intervienen en la puesta en marcha y funcionamiento de un generador.
Tipos de Generadores: Corriente Alterna (CA) vs. Corriente Continua (CC)
La característica principal de la corriente alterna (CA) es la variación en el tiempo del voltaje y corriente, formando una onda sinusoidal que típicamente cicla 50 o 60 veces por segundo (50 o 60Hz). Los alternadores, también llamados generadores de corriente alterna, son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Al ser máquinas síncronas que se conectan a la red, los alternadores han de trabajar a una frecuencia determinada. En el caso de Europa y algunas zonas de Latinoamérica se trabaja a 50 Hz, mientras que en los Estados Unidos usan 60 Hz. El alternador posee varias ventajas frente a la dinamo, lo que la convierten en la máquina más utilizada.
El generador de corriente continua, también llamado dinamo, es una máquina eléctrica rotativa a la cual le suministramos energía mecánica y la transforma en energía eléctrica en corriente continua. Una de las características de las dinamos es que son máquinas reversibles: se pueden utilizar tanto como generador o como motor. La conmutación es la operación de transformación de una señal alterna a una señal continua, también se conoce como rectificación de señal. Las dinamos hacen esta conmutación porque tienen que suministrar corriente continua. Esta conmutación en las dinamos se realiza a través del colector de delgas. Los anillos del colector están cortados debido a que por fuera de la espira la corriente siempre tiene que ir en el mismo sentido.
La Necesidad de Generadores de Régimen Variable
En las instalaciones con generadores de corriente alterna, estos tienen que alimentar de manera permanente el sitio y no existe monitoreo de las cargas, principalmente baterías, por lo cual el equipo siempre está encendido, generalmente a baja carga, es decir, menor del 30% de la potencia nominal, lo que puede ocasionar problemas mecánicos severos en el motor, como carbonización de los pistones y deficiente combustión. En cambio, si la instalación utiliza un generador de corriente directa, este se ocupará de monitorear el estado de las baterías en vez de las condiciones de la red, por lo cual arrancará solo durante el tiempo necesario para la carga de las mismas. Este es un ejemplo temprano de cómo la adaptación a la carga variable puede optimizar el funcionamiento y la vida útil del equipo.
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Sistemas de Generador de Régimen Variable
Los generadores de régimen variable están diseñados para operar de manera eficiente bajo diversas condiciones de carga, adaptando su potencia y rendimiento a la demanda real. Un ejemplo de esto es el HGV Sistema de Generador Hidráulico Variable. Este es una solución modular diseñada para integrarse perfectamente con maquinaria móvil, proporcionando energía eléctrica fiable mediante una configuración optimizada de un generador hidráulico, un refrigerador, un depósito de aceite, válvulas de regulación y una bomba hidráulica variable. Este sistema alimenta eficazmente herramientas eléctricas, luces, calentadores, transportes refrigerados, neveras, soldadores, etc., proporcionando electricidad de alta calidad incluso en movimiento. Diseñamos y fabricamos generadores para el rango de velocidad requerido, con voltaje constante, rango de baja velocidad o con voltaje variable para un amplio rango de velocidad. Ofrecemos soluciones a medida para adaptar cada generador tanto a los requisitos específicos de la línea de eje (integración mecánica), como a los requisitos de la planta (integración eléctrica).
Clasificaciones de Potencia y Régimen de Carga
La clave para elegir la clasificación correcta es comprender la aplicación en detalle. La norma ISO8528-1 es la norma internacional más utilizada en el mundo, la cual establece los requisitos mínimos que debe seguir un fabricante para diseñar, ensamblar y probar grupos electrógenos. Esta norma internacional, además de los requisitos de fabricación y seguridad, especifica su aplicación, rendimiento y potencias nominales (Power Ratings). Las clasificaciones básicas de plantas eléctricas son tres según ISO8528-1, sin embargo, las compañías tienen algunas otras, como el caso de Caterpillar que define hasta cinco clasificaciones básicas del grupo electrógeno.
Cada una de las categorías está determinada por su potencia máxima admisible en relación con el tiempo de uso y el perfil de carga. Es importante recordar que las clasificaciones definidas por la norma son requisitos mínimos que los fabricantes deben seguir y pueden ser superados de acuerdo con la tecnología existente.
Clasificaciones de Potencia para Grupos Electrógenos (ISO8528-1 y Caterpillar)
| Clasificación | Descripción | Horas de Funcionamiento Anual | Factor de Carga Promedio | Sobrecarga |
|---|---|---|---|---|
| Energía de Reserva de Emergencia (ESP) - Standby | Potencia máxima disponible durante una secuencia de potencia eléctrica variable, en caso de corte de energía de la red pública o en condiciones de prueba. El factor de carga variable promedio es 70% o de la capacidad especificada. Uso típico de 50 horas por año con un máximo de 200 horas por año con cargas variables. | Máx. 200 horas | 70% | No disponible |
| Energía de Reserva Standby | Potencia máxima disponible con cargas variables. El factor de carga variable promedio es 70% de la capacidad. | Máx. 500 horas | 70% | No disponible |
| Clasificación Crítica Standby | Potencia máxima con cargas variables. El factor de carga variable promedio es 85% EN STANDBY. Demanda máxima típica de hasta el 100% de la capacidad de STANDBY para el 5% del tiempo de funcionamiento. No para aplicaciones de paralelismo. | Máx. 500 horas | 85% | No disponible |
| Prime Power (Potencia Principal) | Potencia máxima que un grupo electrógeno es capaz de entregar de manera continua mientras se suministra una carga eléctrica variable. El factor de carga variable promedio es el 70% de la calificación de Potencia principal. En este régimen de funcionamiento se recomienda que la carga mínima utilizada sea del 30% y la carga media en un periodo de 24 horas del 70%. | Ilimitadas | 70% | 10% limitada a 1 hora en 12, máx. 25 horas/año |
| Prime Power con Gestión de Carga | Tiene la misma calificación nominal que una unidad con calificación Prime, pero permite un factor de carga promedio de hasta 100%. Un generador de clasificación Prime aplicado bajo las pautas de administración de carga permite que se use en paralelo. | Ilimitadas | Hasta 100% | No disponible |
| Continua | Potencia máxima que el generador es capaz de entregar de manera continua suministrando potencia a una carga eléctrica constante. Factor de carga no variable continuo es 70% -100% del dato de placa. Las aplicaciones típicas de clasificación continua incluyen carga base en paralelo con las operaciones de red y cogeneración. | Ilimitadas | 70%-100% | No aplica (carga constante) |
| Centro de Datos | Es el aprovechamiento de la potencia especificada bajo cargas variables, sin posibilidad de sobrecarga. Con una carga promedio del 70% de la capacidad en emergencia del grupo electrógeno. | Máx. 200 horas | 70% en emergencia | No disponible |
Gestión de Carga para la Optimización del Sistema
La gestión de carga es el control deliberado de las cargas en un grupo electrógeno y / o utilidad para tener los costos eléctricos más bajos posibles. Existen dos prácticas básicas de administración de carga: carga base y picos máximos. En la carga base, el grupo electrógeno funciona a una salida de kW fijo, y la red externa proporciona energía para cualquier pico por encima de ese nivel. En este escenario, el usuario final puede exportar energía a la red si se tiene más energía que las cargas de la instalación, y los acuerdos apropiados con la red exterior están bien realizados.
En el raspado máximo, la red externa proporciona una cantidad fija de kW y el usuario final despliega los generadores para recoger, o afinar, picos de demanda y cualquier otro requisito de carga sobre esa cantidad fija de carga. El ajuste máximo se puede usar en épocas del año cuando la red tiene una demanda superior a su capacidad. En este caso, la red proporciona incentivos a los propietarios de grupos electrógenos para que usen el ajuste pico para disminuir la demanda de carga de la red. Para realizar aplicaciones paralelas de red, es apropiado contar con una clasificación de prioridad con directrices de gestión de carga o una unidad con clasificación continua. Los controles del interruptor proporcionan una mayor flexibilidad del sistema permitiendo que los grupos electrógenos operen en paralelo con la red. El switchgear puede controlar la carga en los grupos electrógenos y monitorear la energía suministrada por la red. Elegir la calificación correcta significa hacer las correlaciones adecuadas entre las horas de funcionamiento, la carga pico y la carga promedio.
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Aplicaciones en la Industria Naval y Otras Áreas
La tecnología de generadores de régimen variable encuentra amplias aplicaciones, especialmente en entornos donde la demanda de energía fluctúa significativamente. Un ejemplo notable es la industria naval, donde los sistemas de propulsión diésel-eléctricos e híbridos son cada vez más comunes.
- Pesquero: Un buque pesquero diseñado y construido por Piriou y entregado al armador Comata en 2018 está equipado con una propulsión diésel eléctrica compuesta por dos motores de propulsión con sistema de ventilación redundante.
- Buque AHTS: Un buque tipo AHTS, diseñado por Salt Ship Design y construido por los astilleros Kleven en Noruega, fue entregado a su propiedad, Eidesvik en 2015, y está destinado a la manipulación de anclas de las plataformas offshore y también con capacidad de remolque.
- Rompehielos: Un buque entregado en el 2021 por los astilleros Cammell Laird para el NERC (Natural Environment Research Council) de Inglaterra, posee capacidad de rompehielos, siendo operativo hasta con espesores de 1 metro a 3 nudos de velocidad.
- Buque de Investigación: El Akademik Tryoshnikov, es un buque de investigación ruso, de propulsión diésel-eléctrica y buque insignia del instituto polar de investigación ruso. Construido en los astilleros Admiralty en San Petersburgo.
- Dragado: Un barco de dragado, de tipo draga de corte (cutter) llamada Al Bahar c/d Huta 12, construida por Royal IHC y entregada en 2014, tiene una eslora de 122 m, manga de 21 m, una potencia total de 23.545 kW. Otra draga de succión TSHD (Trailing Suction Hopper Dredger) llamada DC Orisant, construida por Royal IHC y entregada en 2018, tiene una eslora de 142 m, manga de 23 m, una potencia total de 11.000 kW y velocidad de 16 nudos.
- Shuttle Tanker Híbrido: Un Shuttle tanker entregado a finales de 2020 por el astillero coreano, Samsung, cuenta con un sistema de propulsión de tipo, diésel-eléctrico híbrido, que le permite navegar hasta media hora, sin emisión alguna de gases. Un segundo Shuttle Tanker del proyecto Teekay, también entregado a finales de 2020 por Samsung, cuenta con un sistema de propulsión diésel-eléctrico híbrido con la misma capacidad.
- Otros: Cruceros Grand-class propiedad de Princess Cruises y buques militares avanzados tecnológicamente también se benefician de estas soluciones.