1.1. Actualidad de los sistemas de generación distribuida

El término generación distribuida no tiene un consenso en el campo científico internacional, abarcando diferentes definiciones tales como la planteada por [¹], donde expone que es: la generación de electricidad producidas por plantas pequeñas (menor a 10 MW), con capacidad suficiente para interconectarse al sistema eléctrico, considerando su propósito, ubicación, capacidad nominal, nivel de tensión y características de la zona a servir.

De igual modo, [²] explica que es la generación de energía eléctrica con fines de autoabastecimiento y acoplada a la red de distribución. En cambio, [³] relaciona las definiciones abordadas por instituciones internacionales, como: IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers por sus siglas en inglés), que la define como las centrales de generación, acopladas al sistema eléctrico a través de un punto de conexión común, mientras que el CIGRE (Conseil Intemational des Grands Réseaux Électriques, por sus siglas en francés), amplía que son centrales generadoras no gestionada su operación centralmente, con capacidades entre 50 y 100 MW. Del mismo modo el US. DOE (United States Department of Energy) y el EPRI (Electric Power Research Institute), sostienen que la Generación Distribuida, estás constituidas por plantas generadoras con capacidades que varían entre 1 kW hasta 50 MW .

En consecuencia, con las definiciones anteriores, se puede definir la generación distribuida como el conjunto de plantas de generación eléctrica descentralizadas, aisladas o interconectadas a un sistema eléctrico, con fines de autoconsumo o públicos, contribuyendo al incremento de la confiabilidad y la eficiencia del sistema y la calidad del servicio al consumidor final, siguiendo las regulaciones establecidas por el país.

1.2. Contexto mundial

El mundo moderno trabaja en la optimización de los recursos técnico, económicos y humanos, así como la reducción del impacto medioambiental, para ello, se diversifican las tecnologías de generación, abandonando, en muchos casos las antiguas, grandes y costosas plantas de generación de electricidad para reorientar los esfuerzos hacia la generación distribuida con vista a disminuir los costos de inversiones y hacer resilientes las decisiones para expandir el servicio eléctrico a una mayoría. Se plantea que con la implementación de la generación distribuida se reducen los costos asociados a las pérdidas por conceptos de trasmisión y distribución en un 5 al 10 % de la energía generada [¹].

Por otro lado, existen países pobres, donde la generación distribuida es la única forma de disfrute del servicio eléctrico, accediendo a este, unas pocas horas al día durante todo el año para el consumo doméstico y en ocasiones, solo como parte de servicios básicos de vida, como en abastos de agua, y centros de socialización entre otros.

En América Latina, se han expandido las formas flexibles de generación distribuida diversificando las tecnologías de generación, con fuentes convencionales y renovables de energías. Actualmente, el empleo de grupos electrógenos como una de las formas de generación distribuida, ha sido utilizada para incrementar la capacidad generadora, a partir de las bondades de la tecnología como su fácil operación, su bajo costo de inversión y de operación en comparación con las grandes centrales termoeléctricas. Con la implementación de instalaciones generadoras con grupos electrógenos, se ha llevado el servicio eléctrico a lugares remotos, donde las inversiones en infraestructuras eléctricas son un obstáculo para mejorar la calidad de vida de la población.

2.1 Fallas más significativas en los generadores eléctricos de polos salientes

Basado en los reportes técnicos emitidos por IEEE y EPRI, los fallos de mayor ocurrencia en los generadores sincrónicos de polos salientes son los de excentricidad, cortocircuitos y circuitos abiertos, siendo los de excentricidad los que más prevalecen al ser un síntoma de daños en los rodamientos de apoyo del eje del rotor.

Por este motivo, minimizar este modo de fallo es un reto vital para garantizar la confiabilidad del activo y la estabilidad en la producción de energía eléctrica de las plantas generadoras y con ello la salud del sistema eléctrico.

2.2. Diagnóstico de excentricidades en máquinas eléctricas rotatorias

Según reportes de IEEE y EPRI; el modo de fallo por excentricidad del conjunto estator-rotor es una de las fallas más críticas porque causa daños irreversibles al generador sincrónico. Provocan alteraciones en las características de operación, tales como: aumento de los armónicos de tensión y corriente, reducción de la eficiencia, aumento de la temperatura, y del par pulsante, entre otras [⁴].

Se plantea que las excentricidades aparecen cuando el entrehierro no es uniforme, teniendo un origen multifactorial. Además, el incremento en la excentricidad a niveles fuera de los rangos admitidos, puede conllevar al daño catastrófico del conjunto estator - rotor y en consecuencia la parada imprevista de la máquina, conjuntamente con costosas reparaciones [⁶].

2.3. ¿Qué es la excentricidad del entrehierro?

La bibliografía técnica expone tres tipos principales de excentricidades: las estáticas, las dinámicas y las mixtas [^4,7,8].

Excentricidad estática. Es la condición en la que la menor distancia entre el rotor y el estator de la máquina permanece fija en el espacio. En este estado, existe una coincidencia entre el eje de giro del rotor y su eje geométrico, no siendo así con el eje geométrico del estator. Las causas más comunes de este modo de fallo son: la ovalidad del núcleo del estator o el desalineamiento del rotor en el estator, como consecuencia de una incorrecta fijación o el deterioro de los rodamientos que soportan el eje del rotor, deformación de sus fijaciones en las tapas que sostienen los rodamientos, tolerancias excesivas, etc.

Excentricidad dinámica. Se produce cuando la longitud de mínimo entrehierro no permanece fija en el espacio. En esta condición, existe coincidencia del eje geométrico del estator y el eje de rotación del rotor, no así con el eje geométrico del rotor. Se destacan como causas fundamentales de este modo de fallo: el desalineamiento en el montaje de los rodamientos, el desgaste de estos y las resonancias a velocidades críticas, etc.

Excentricidad mixta. Constituye el modo de fallo más común en las máquinas eléctricas rotatorias, donde se combinar ambas excentricidades.

2.4. Métodos actuales utilizados en el diagnóstico de excentricidades

En la actualidad existen varios métodos para el diagnóstico de excentricidades en las máquinas eléctricas rotatorias. Estos se han enfocado más en el diagnóstico de los motores de inducción, no siendo así en los generadores sincrónicos [⁹]. Entre estos métodos, están los métodos invasivos y los no invasivos. Los invasivos consisten en crear formas de acceso al interior de la máquina, para acceder a los parámetros de comportamiento que intervienen en la excentricidad. Los no invasivos, son aquellos que no requieren del acceso al interior de la máquina para su diagnóstico y, por ende, sacar la máquina de servicio.

Para el diagnóstico de este modo de fallo en la máquina eléctrica rotatoria, los especialistas en la industria habitualmente han centrado la atención en encontrar el espectro de frecuencia de la corriente del estator, mediante la Transformada Rápida de Fourier (FFT), identificando el nivel de excentricidad a partir de la amplitud de dichos armónicos. También se destacan como otras técnicas empleadas, el análisis de la corriente en transitorio, el análisis de flujo y el análisis de las vibraciones, los cuales han demostrado ser eficaces. Se recomienda para mejor precisión en el diagnóstico, integrar las diferentes técnicas y métodos entre sí. Los métodos de análisis de las corrientes y flujo de dispersión son técnicas muy versátiles para aplicaciones complejas o de difícil acceso, en donde la instrumentación para realizar la medida de vibraciones u otro aparato de diagnóstico no sea posible emplear [⁶].

Aunque la mayoría de las investigaciones relacionadas con el diagnóstico de este modo de fallo en las máquinas eléctricas rotatorias, tratan sobre su aplicación en los motores de inducción, la literatura científica actualizada aporta gran volumen de información sobre este modo de fallo en generadores. Como novedad, los diagnósticos modernos requieren, no solo, la discriminación entre un estado de la máquina sana y uno defectuoso, sino también, la identificación confiable y la estimación del nivel de gravedad de la falla, que permita la planificación de las acciones de mantenimiento y del servicio [¹⁰].

2.5. Métodos empleados para el modelado de los generadores sincrónicos en general

Los generadores sincrónicos son modelados generalmente mediante el empleo de cuatro métodos: Modelo dq0, Enfoque de función de bobinado (WFA), Modelo de dominio de fase (PDM) y Método de Elementos Finitos (FEM). Siendo el primero el más simple de los métodos, aplicable solamente para condiciones de simetría y balanceado de la máquina, lo que lo hace una herramienta útil para predecir el comportamiento en un generador sano, no así para la detección de fallas graves que generen condiciones de asimetría en el sistema electromagnético de esta [⁹].

Debido a las inconveniencias del Modelo dq0 para la modelación de fallas internas en la máquina sincrónica, los modelos de fallas generalmente se derivan en el dominio de fase, donde las ecuaciones de tensión y flujo inducido se desarrollan directamente en la referencia de fase fija sin transformación de coordenadas. Este método centra su clave de éxito en el cálculo preciso de la inductancia del devanado defectuoso para modelar el fallo interno de la máquina sincrónica. La complejidad que implica el cálculo de estas inductancias en las máquinas sincrónicas de polos salientes, fundamentalmente en máquinas con muchas bobinas tanto en el devanado del estator como del rotor, impide la generalización de este modelo [¹²].

La falla interna en el generador sincrónico, ha sido modelada en [¹²] basada en la WFA, en esta se brinda un nuevo procedimiento de estimación de la inductancia, la cual integra todos los armónicos espaciales en la modelación de fallas. Con el empleo del método WFA, se pueden modelar las diferentes condiciones de fallos de la máquina eléctrica. Esta técnica requiere para su aplicación, asumir que se desprecia el efecto de las ranuras del estator, la histéresis magnética y además la saturación del hierro [⁹]. Estos supuestos, simplifican el método, pero se aleja del estado real de máquina.

El método de mayor precisión empleado en la modelación de los fallos en su etapa inicial en la máquina eléctrica es el Método de Elementos Finitos (FEM) [¹¹], el cual requiere de procesos computacionales complejos, pero modela la máquina más próxima a la realidad, por esta razón este método es utilizado para validar otros métodos cuando no es posible realizarlo directamente en la máquina o el costo del experimento es elevado [⁹]. Independientemente de su exactitud, el mayor inconveniente del método es que demanda información detallada de la geometría constructiva de la máquina [⁷].

Además de los cuatro métodos fundamentales antes mencionados, son utilizados el Método Híbrido [¹³] y el Método de Enfoque de Función de Bobinado Modificado (MWFA) [¹⁴]. Todos estos métodos poseen ventajas y desventajas en su aplicación [⁹], los cuales son resumidos en la Tabla 1.

2.6. Modelos más empleados para el caso de generadores sincrónicos de polos salientes

En [⁵], se plantea que las fallas por excentricidad en los generadores sincrónicos de polos salientes han sido modeladas por diferentes vías, una de ellas es utilizando el Método Función del Devanado (WFM, por sus siglas en inglés de Winding Function Method), para las fallas de excentricidad dinámica. Considera el efecto de la saturación, empleando la modelación para el cálculo del campo magnético del entrehierro, el Método de los Elementos Finitos, el cual requiere complejas operaciones de cálculos, en comparación con el método analítico, que es menos exacto pero su resultado es aceptado para la estimación del flujo magnético del entrehierro.

Por otro lado, en [¹⁵], se dice que, para la simulación de una falla de excentricidad estática en el generador sincrónico de polo saliente, se emplea el Análisis de Elementos Finitos. En la investigación, se consideran diferentes severidades de la falla de excentricidad estática y se muestra su efecto sobre la densidad de flujo, la tensión y la corriente y se compara con el generador saludable. Como resultado se observa un patrón asimétrico del flujo magnético del entrehierro en el generador defectuoso, generando armónicos en las señales de flujo y tensión. Para la detección de la excentricidad estática, se prefiere el índice en función de la señal de tensión sin carga.

Del mismo modo en [¹⁶], se modela un generador sincrónico de polo saliente, pero en este caso para el estudio de la falla de excentricidad dinámica, donde son estudiados los estados de funcionamiento del generador desde vacío hasta plena carga bajo la falla de excentricidad dinámica y comparado con una máquina saludable. El aumento del grado de excentricidad bajo carga lineal en comparación con el caso sin carga se investiga en función del índice total de distorsión de armónico (THD), verificando los resultados experimentalmente.

3.1 Corriente por el neutro del generador

La corriente por el neutro del generador puede originarse como consecuencia de anomalías externas, tales como asimetrías en la carga, el rápido aumento de las cargas no lineales e introducción de especificaciones erróneas y/o instalación de la puesta a tierra del neutro de la máquina. También pueden encontrar su origen en causas internas asociadas a las condiciones constructivas del generador como la excentricidad, entrehierros, etc.; fallas eléctricas como los cortocircuitos en los devanados, entre espiras, a tierra, etc. Esto trae como consecuencia la aparición de corrientes de secuencia positiva, negativa y cero de orden del armónico fundamental, que producen efectos indeseados en la máquina [¹⁷].

La forma de onda preponderante de la corriente en el neutro del generador es de tercera armónica, con niveles moderados de la componente fundamental. Además, debido a las diferencias constructivas de las máquinas, aun cuando estas sean de igual capacidad y el mismo fabricante, estos valores son diferentes.

Con el monitoreo del comportamiento de la tendencia en los armónicos de la corriente por el neutro, puede diagnosticarse el desbalance electromagnético de la máquina, ya que variaciones de origen mecánico o eléctrico, repercuten en este indicador [¹⁸].

La componente de tercera armónica de la corriente en el neutro del generador, es dependiente de las condiciones de carga de este, por lo que, para carga máxima, alcanza su valor máximo. Debido a ello, esta variable no es efectiva para el diagnóstico de la excentricidad durante la operación del activo, ya que se vería afectada por las fluctuaciones de la carga durante la operación de la máquina complejizando el diagnóstico. En cambio, la componente fundamental de la corriente por el neutro, no se modifica con la carga, manteniéndose invariable durante su operación, esto hace que sea una variable que aporte información del grado de excentricidad de la máquina [¹⁸].

En los sistemas ideales, donde la máquina se considera perfectamente balanceada, la corriente que circula por el neutro del generador es cero, no comportándose así en la realidad, donde siempre existe circulando un nivel de corriente por el neutro que se encuentra entre el 5 y el 10% de la corriente nominal de la máquina [¹⁹] . La ventaja principal del uso de esta variable para el diagnóstico de la excentricidad del generador, es que no se ve afectada por las variaciones que experimente la carga. Además, si no se manifiestan afectaciones en el balance electromagnético de la máquina, entonces la magnitud de la armónica fundamental de la corriente por el neutro, se mantiene invariable en el tiempo [¹⁸]. Por otro lado, constituye un método no invasivo que requiere de costos bajos para su implementación, con un apreciable fin práctico.

3.2. Grado de excentricidad del entrehierro

Este parámetro se verifica como parte de la rutina de mantenimiento del generador eléctrico del grupo electrógeno Hyundai 9H25/33 en el programa de trabajo previsto en las 24000 hora según la matriz de mantenimiento existente en el procedimiento F-PM-11-062 [²⁰]. El proceso de medición está completamente detallado en la instrucción F-IM-11-169 del manual de procedimientos e instrucciones de la Empresa de Mantenimientos a Grupos electrógenos de Fuel Oil (EMGEF). El objetivo que se persigue, es verificar el estado de simetría del entrehierro con el paso del tiempo de operación del activo. La medición se realiza con el equipo fuera de servicio, por lo que hay que interrumpir el proceso de producción para su realización.