Sistemas-de-control-en-generadores-sncronos

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE 
MÉXICO 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES 
 ARAGÓN 
 
 
“SISTEMAS DE CONTROL EN GENERADORES SÍNCRONOS” 
 
 TESIS 
 
PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
 
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA 
 
PRESENTA: 
 
MONROY AMAYA CESAR EMMANUEL 
 
ASESOR DE TESIS: 
 
ING. ABEL VERDE CRUZ 
NEZAHUALCÓYOTL, ESTADO DE MÉXICO 2015
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
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Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
i 
 
 
ÍNDICE 
ÍNDICE........................................................................................................................................................... I 
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................................................... IV 
ÍNDICE DE GRÁFICAS ................................................................................................................................. VIII 
OBJETIVO .................................................................................................................................................... IX 
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................................ IX 
CAPÍTULO 1 CARACTERÍSTICAS GENERALES EN LA GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ........................... 1 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................... 1 
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y SU IMPACTO EN LA ECONOMÍA ........................................................................... 2 
CAPACIDAD INSTALADA EN PAÍSES MIEMBROS DE LA OCDE ......................................................................................... 5 
NORTEAMÉRICA OCDE ........................................................................................................................................ 5 
FUENTES DE ENERGÍA .......................................................................................................................................... 8 
EMPLEO DE COMBUSTIBLES Y DE FUENTES PRIMARIAS PARA GENERAR ENERGÍA ELÉCTRICA EN EL MUNDO ............................ 8 
PRONÓSTICO DE LA CAPACIDAD Y GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA MUNDIAL ........................................................... 11 
TENDENCIA MUNDIAL EN LA UTILIZACIÓN DE COMBUSTIBLES Y OTRAS FUENTES PRIMARIAS PARA GENERACIÓN DE 
ELECTRICIDAD ................................................................................................................................................... 12 
DEMANDA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO ................................................................................................................... 14 
LOCALIZACIÓN DE UNA PLANTA DE GENERACIÓN ...................................................................................................... 17 
PLANTAS DE GENERACIÓN ................................................................................................................................... 17 
EQUILIBRANDO LA POTENCIA ENTRE GENERADOR Y CARGA ......................................................................................... 18 
SISTEMAS INTERCONECTADOS Y LAS VENTAJAS QUE OFRECEN ..................................................................................... 20 
CONDICIONES DURANTE UNA CONTINGENCIA .......................................................................................................... 22 
RELOJES DE CONTROL EN LAS CENTRALES ELÉCTRICAS ................................................................................................ 23 
CAPÍTULO 2 ELEMENTOS QUE INTEGRAN UN GENERADOR SÍNCRONO Y PRINCIPIO DE OPERACIÓN ....... 24 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................. 24 
CONSTRUCCIÓN DE UN GENERADOR SÍNCRONO ....................................................................................................... 24 
Estator ..................................................................................................................................................... 25 
Rotor ........................................................................................................................................................ 26 
Sistema de excitación para el generador síncrono .................................................................................. 27 
Sistema de enfriamiento .......................................................................................................................... 28 
GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA ................................................................................................................... 30 
PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DEL GENERADOR SÍNCRONO ............................................................................................ 31 
Velocidad de rotación de un generador síncrono .................................................................................... 31 
Generacion de corriente alterna monofásica .......................................................................................... 32 
Generación de corriente alterna trifásica ................................................................................................ 33 
Saturación de la densidad de flujo ........................................................................................................... 36 
Elevación de la temperatura en el devanado y en el aislamiento debido a las pérdidas ......................... 36 
Modo de operación .................................................................................................................................. 36 
Factor de potencia ................................................................................................................................... 37 
Diagramas vectoriales de corrientes y potencias de los generadores ..................................................... 37 
La potencia y el par del generador síncrono ............................................................................................ 38 
Límites de funcionamiento del generador síncrono, límites de capacidad .............................................. 40 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
ii 
 
 
CAPÍTULO 3 SISTEMAS DE CONTROL, ELEMENTOS FÍSICOS (TC’S Y TP’S) .............................................. 41 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................. 41 
TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ...................................................................................................................... 43 
Construcción y aplicación de transformadores de corriente .................................................................... 43 
Tipos de transformadores según su aplicación. ....................................................................................... 46 
Descripción de los componentes básicos de los transformadores de corriente. ...................................... 46Transformador de corriente CTA 145 serie Balteau de Alsthom .............................................................. 50 
Transformador de corriente QDR 123 a 245 kV serie Balteau de Alsthom. ............................................. 51 
Parámetros de los transformadores de corriente. ................................................................................... 52 
Resistencia de los transformadores de corriente a los cortocircuitos ...................................................... 55 
Identificación de bornes ........................................................................................................................... 56 
Condiciones de servicio. ........................................................................................................................... 57 
Requerimientos de aislación. ................................................................................................................... 57 
Requerimientos de exactitud ................................................................................................................... 57 
Elección de un transformador de Corriente ............................................................................................. 60 
Clasificación de Ensayos según IEC 60185/95 .......................................................................................... 61 
Tipos de transformadores de corriente según su construcción................................................................ 62 
Conexión de los transformadores de corriente ........................................................................................ 64 
Relación de transformación. .................................................................................................................... 67 
Saturación ................................................................................................................................................ 68 
Especificaciones ....................................................................................................................................... 69 
Prueba de polaridad ................................................................................................................................ 70 
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL ...................................................................................................................... 71 
Un Transformador de Potencial (TP) Inductivo ........................................................................................ 72 
Los Transformadores de Potencial Capacitivos ....................................................................................... 75 
Clasificación de los transformadores de potencial .................................................................................. 76 
Límites de error de voltaje y de ángulo de fase. ...................................................................................... 76 
Requerimientos adicionales para transformadores de potencial para protección. ................................. 77 
Precisión de los transformadores de potencial ........................................................................................ 77 
Polaridad y conexiones ............................................................................................................................ 78 
Comportamiento estacionario ................................................................................................................. 79 
Descripción de los transformadores de potencial .................................................................................... 79 
Parámetros y definiciones de los transformadores de potencial ............................................................. 80 
Identificación de bornes ........................................................................................................................... 83 
Condiciones de Servicio ............................................................................................................................ 85 
Clasificación de Ensayos .......................................................................................................................... 85 
Transformadores combinados de corriente y de voltaje .......................................................................... 86 
Transformadores de potencial capacitivos .............................................................................................. 87 
CAPITULO 4 PROTECCIÓN POR RELEVADORES .......................................................................................... 92 
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................................. 92 
CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES DEL RELEVADOR DE PROTECCIÓN ........................................................... 93 
CLASIFICACIÓN DE RELEVADORES SEGÚN SU CONSTRUCCIÓN .................................................................... 94 
CLASES DE PROTECCIÓN DEL GENERADOR ................................................................................................... 94 
RELEVADORES QUE PROTEGEN AL GENERADOR ANTE FALLAS INTERNAS ................................................. 98 
Pérdida de excitación del generador (Protección 40). ............................................................................. 98 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
iii 
 
 
Fallas a tierra del rotor (Protección 64R). ................................................................................................ 99 
Fallas a tierra en el estátor (Protección 64 G). ...................................................................................... 101 
Cortocircuito entre fases (Protección 87 G) ........................................................................................... 106 
RELEVADORES QUE PROTEGEN AL GENERADOR ANTE FALLAS EXTERNAS ............................................... 111 
Sobrecorriente en el estátor (Protección 51) ......................................................................................... 111 
Sobrecargas y sobrecalentamiento en el estátor y rotor (Protección 49). ............................................. 112 
Carga desequilibrada (Protección 46). ................................................................................................... 115 
Potencia inversa o retorno de energía (Protección 32). ......................................................................... 119 
Sobrevoltajes en el estátor (Protección 59). .......................................................................................... 120 
Variaciones de frecuencia y sobrevelocidad (Protección 84). ............................................................... 120 
Pérdida de sincronismo (Protección 78). ................................................................................................ 121 
Falla en el interruptor de línea ((Protección 50 BF). .............................................................................. 123 
NÚMEROS ANSI PARA DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN .............................................................................. 125 
CAPÍTULO 5 PRUEBAS Y MANTENIMIENTO DEL GENERADOR SÍNCRONO ................................................ 137 
PRUEBAS ELÉCTRICAS A GENERADORES SÍNCRONOS ................................................................................................ 137 
Resistencia del aislamiento .................................................................................................................... 138 
Índice de polarización ............................................................................................................................ 139 
Resistencia Interna.................................................................................................................................142 
Descargas parciales ............................................................................................................................... 144 
Análisis de la respuesta en frecuencia ................................................................................................... 148 
MANTENIMIENTO DE GENERADORES SÍNCRONOS .................................................................................................. 150 
Mantenimiento preventivo .................................................................................................................... 150 
Precauciones de seguridad .................................................................................................................... 150 
Programa de mantenimiento................................................................................................................. 151 
Cronología del mantenimiento .............................................................................................................. 159 
Temperatura operativa correcta ........................................................................................................... 159 
Inspección visual de los devanados ........................................................................................................ 160 
Secado .................................................................................................................................................... 161 
Disparos de protección .......................................................................................................................... 162 
Regulador automático de voltaje (AVR) ................................................................................................ 162 
Mantenimiento relacionado con el rendimiento térmico y el sistema de refrigeración ........................ 163 
CONCLUSIONES ........................................................................................................................................ 164 
FUENTES DE CONSULTA ........................................................................................................................... 165 
FOLLETOS TÉCNICOS ........................................................................................................................................ 166 
ÍNDICE DE TABLAS .................................................................................................................................... 167 
 
 
 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
iv 
 
 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Fig. 1.1 Curva de la demanda de un sistema grande durante un día de verano y un día de invierno. 
 pag15 
 
Figura 1.2 Curva de la demanda de un gran sistema de suministro de electricidad durante un año. 
 Pag15 
 
Figura 1.3 Curva de duración de la carga de un gran sistema de suministro de electricidad. 
 Pag16 
 
Figura 1.4 La extracción, el transporte y la transformación de las fuentes primarias de energía 
 pag18 
Figura 1.5 Potencia suministrada a tres regiones independientes. Pag19 
 
Figura 1.6 Tres redes conectadas por cuatro líneas de enlace. pag20 
 
Figura 1.7 Técnicos en los cuartos de control de dos plantas de generación pag21 
 
Figura 2.1 generador simple pag32 
Figura 2.2 Generación de corriente alterna con una sola espira pag33 
Figura 2.3 tres espiras a 120° (360°/3) unas de otras pag33 
Figura 2.4 Voltajes alternos senoidales desfasados 120°entre sí pag34 
Figura 2.5 sistema de anillos rozantes y escobillas colectoras pag34 
Figura 2.6 Bobinas de estator pag34 
Figura 2.7 Conexión Estrella y Delta pag35 
Figura 2.8 Generadores operando en paralelo pag36 
Figura 2.9 Factor de Potencia pag37 
Figura 2.10 Diagrama factorial con un factor de potencia unitario pag37 
Figura 2.11 Diagrama fasorial para un generador síncrono con un factor de potencia 
 a) en atraso y b) en adelanto pag38 
Figura 2.12 Diagrama de flujo de potencia del generador síncrono pag38 
Figura 2.13 Diagrama fasorial simplificado, donde se ha despreciado la resistencia del inducido. 
 Pag39 
Figura 3.1 Monitoreo de señales de corriente y potencial provenientes de los Transformadores de 
instrumento. Pag41 
 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
v 
 
 
Figura 3.2 Conexión de transformadores de voltaje y corriente pag42 
Figura 3.3 Espiras de arrollamiento pag44 
 
Figura 3.4 Transformadores de corriente tipo Bushing pag45 
Figura 3.5 Placa característica de Transformador de Corriente tipo Bushing. pag45 
Figura 3.6 Transformador de Corriente tipo Boquilla. pag45 
Figura 3.7 Corta Bushing en los Transformadores de potencia. Pag45 
Fig. 3.8 Figura de la tabla 3B pag49 
Fig. 3.9 Transformador de corriente CTA 145 serie Balteau de Alsthom pag50 
Fig. 3.10 Transformador de corriente QDR 123 a 245 kV serie Balteau de Alsthom pag51 
Fig. 3.11 Identificación de los bornes pag56 
 
Figura 3.12 Muestra un transformador de corriente tipo devanado primario pag63 
Figura 3.13 Muestra un transformador de corriente tipo barra pag63 
Figura 3.14 Muestra un transformador de corriente tipo Bushing. pag64 
Figura 3.15 Identificación de terminales de TC primario y secundario pag64 
Figura 3.16 Transformador de corriente con un solo primario y dos secundarios aislados, uno para medición 
y otro para protección. pag65 
Figura 3.17 Conexión estrella de 1 transformador de corriente pag66 
Figura 3.18 Diagrama fasorial de una conexión estrella pag66 
Figura 3.19 Conexión Delta de un transformador de corriente pag67 
Figura 3.20 Diagrama fasorial de una conexión Delta pag67 
Figura 3.22 Transformadores de corriente conectados en serie en primario. pag68 
Figura 3.23 Transformadores de corriente conectados en paralelo en primario. pag68 
Figura 3.24 Conexión esquemática para prueba de polaridad pag70 
Figura 3.25 Terminales primaria y secundarias de un transformador de potencial pag71 
 
Figura 3.28 Esquemático de la disposición de un TP en cascada, que en realidad está constituido por varios 
transformadores individuales cuyos arrollamientos primarios están conectados en serie. 
 pag73 
Figura 3.29 Corte esquemático de un TP monofásico para redes de 132 kV, de la marca Trench. 
 pag74 
Figura 3.26 conexión Delta pag78 
Figura3.27 conexión estrella pag79 
Figura3.30 Conexión esquemática de un TP con carga a la Red pag79 
Fig. 3.31.- Transformador monofásico con bornes primarios totalmente aislados y un solo secundario. 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
vi 
 
 
 pag83 
Fig. 3.32. - Transformador monofásico con un borne primario neutro de aislación reducida y un solo 
secundario. pag83 
 
Fig.3.33.- Transformador trifásico de un solo secundario. pag83 
Fig. 3.34.- Transformador monofásico con dos secundarios. pag84 
Fig. 3.35.- Transformador trifásico con dos secundarios. pag84 
Fig. 3.36.- Transformador monofásico con un secundario de terminales múltiples. pag84 
Fig. 3.37.- Transformador trifásico con un secundario de terminales múltiples. pag84 
Fig. 3.38.- Transformador monofásico con dos secundarios de tomas múltiples pag84 
Fig. 3.39.- Transformador monofásico con un secundario de voltaje residual. pag84 
Fig. 3.40.- Transformador trifásico con un secundario de voltaje residual. pag84 
Figura 3.41 Esquema básico de un TP Capacitivo pag88 
Fig. 3.42 Diagrama eléctrico del transformador capacitivo pag91 
Figura 4.1. Ejemplo de una Central generadora. Del libro Criterios generales de protección del sistema 
eléctrico peninsular español de RED ELÉCTRICA. pag95 
Figura 4.11. Protección del rotor por el método potenciométrico. pag100 
Figura 4.12. Protección del devanado del rotor (64 R) pag101 
Figura4.2. Relevador de voltaje homopolar contra fallas a tierra (64 B) pag102 
Figura 4.3. Puesta a tierra del neutro. pag103 
Figura 4.4. Protección contra falla a tierra del estátor con relevador de mínimo voltaje de 150 Hz. 
 pag104 
Figura 4.5. Ejemplo de regulación de un relevador 59N+27TN pag105 
Figura 4.6. Relevador de protección frente a fallas a tierra del estátor por inyección de voltaje en el neutro. 
 pag106 
Figura 4.7. Principio de funcionamiento de la protección diferencial pag108 
Figura 4.8. Relevador diferencial con bobinas de frenado. pag109 
Figura 4.9. Características porcentuales de un relevador diferencial. pag110 
Figura 4.10. Relevador diferencial trifásico (87G). pag110 
 
Figura 4.16. Correcta instalación de la protección de sobrecorriente del estátor. pag111 
Figura 4.17. Protección por sobrecorriente en el estátor. pag112 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
vii 
 
 
Figura 4.18. Características de sobrecarga. pag114 
Figura 4.19. Conexión de un relevador de protección de sobrecargas. pag114 
Figura 4.20. Regulación con dos escalones discretos para el relevador de protección contra desequilibrios. 
 pag117 
Figura 4.21. Cálculo de la corriente de secuencia inversa para un sistema de corrientes de fase equilibrado. 
 pag118 
Figura 4.22. Cálculo de la corriente de secuencia inversa para un sistema de corrientes de fase 
desequilibrado. pag118 
Figura 4.23. Característica de disparo de un relevador de potencia inversa. pag120 
Figura 4.24. Ejemplo de diversas condiciones de oscilación. pag123 
Figura 4.25. Configuración de interruptores en anillo. pag124 
Figura 4.26. Esquema de fallo de un interruptor y actuación de la protección. pag126 
Figura 5.1 Circuito equivalente, se muestran las cuatro corrientes que se miden durante la prueba de 
resistencia del aislamiento. pag138 
Figura 5.2 Medidas típicas de resistencia para dos estados en los devanados. pag139 
Figura 5.3 Dieléctrico entre dos conductores. pag145 
Figura 5.7 Dieléctrico con arborescencias provocadas por las descargas parciales. pag146 
Figura 5.8 Esquema básico del circuito para la medición de descargas parciales. pag146 
Figura 5.9 Configuración instrumental de la prueba de detección de descargas parciales. 
 pag147 
Figura 5.10 Representación de las descargas parciales a) con una base de tiempos elíptica b) con una base de 
tiempos lineal. pag147 
Figura 5.12 Barrido en frecuencia de una máquina, subrayando el significado físico de las lecturas. 
 pag148 
Figura 5.13 Circuito base del modelo que mejor representa a una máquina pag149 
Figura 5.14 Circuito compuesto por diferentes secciones que presentan una respuesta de ancho de banda 
muy cercana al circuito real. pag149 
Figura 5.15. Placa de cojinetes para cojinetes de rodillo lubricados con grasa pag157 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
viii 
 
 
ÍNDICE DE GRÁFICAS 
 
Gráfica 1 
Producto Interno Bruto mundial histórico y prospectivo, 1980 -2015 pag3 
Gráfica 2 
Consumo mundial de energía eléctrica, 1980 -2008 pag3 
Gráfica 3 
Consumo mundial de energía eléctrica por región, 1998 -2008 pag4 
Gráfica 4 
Capacidad de generación de energía eléctrica en países miembros de la OCDE, 2008 pag6 
Gráfica 5 
Consumo mundial de combustibles y utilización de fuentes primarias para la generación de electricidad, 
1980 -2008 pag9 
Gráfica 6 
Fuentes primarias y combustibles para generación de electricidad en países seleccionados, 2008 
 pag11 
Gráfica 7 
Capacidad mundial de generación de energía eléctrica por región, 2007-2025 pag12 
Gráfica 8 
Evolución de la generación mundial de energía eléctrica por región, 1997-2025 pag13 
Gráfica 9 
Combustibles y otras fuentes de energía para la generación eléctrica mundial, 2007-2025 pag14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
ix 
 
 
OBJETIVO 
 
Realizar un estudio elemental del funcionamiento de un generador enfocado 
principalmente al control y protección del mismo a través de relevadores adecuando, por 
medio de transformadores de instrumentos, los voltajes y corrientes para el 
accionamiento de estos. El propósito es optimizar la generación eléctrica, evitar daños 
severos al generador y preservar la seguridad del personal que opere en la central. 
 
Exponer las características y funcionamiento de los transformadores de instrumentos y 
relevadores, indicando las ventajas de su uso para controlar y mantener protegido al 
generador ante cualquier falla que afecte la generación de energía eléctrica. 
 
Conocer las pruebas eléctricas del generador para aplicar el mantenimiento necesario y su 
impacto en la eficiencia de operación. 
 
 
 
 
JUSTIFICACIÓN 
 
En la actualidad, debido a la importancia de las fuentes de energía eléctrica, es 
imprescindible el estudio de los principios de regulación de las plantas de energía 
eléctrica, ya que del correcto funcionamiento de éstas depende la operación de los 
equipos a los que suministra dicha energía. 
 
Una de las razones por las cuales se aborda el tema de esta índole como tesis es que se 
expone la importancia del uso eficiente del sistema de generación de energía eléctrica en 
la economía de un país, se aplican los conocimientos adquiridos en la carrera, sustentando 
el principio de operación y comportamiento de un generador síncrono ante cambios 
repentinos en la carga. 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
1 
 
 
CAPÍTULO 1 CARACTERÍSTICAS GENERALES EN LA GENERACIÓN DE 
ENERGÍA ELÉCTRICA 
Introducción 
En el siglo VII a.C. Tales de Mileto descubre la electricidad cuando frotando un trozo de 
ámbar con un paño, obersvo que éste atraia pequeñas partículas como hojas secas, 
plumas e hilos de tejido. Para 1831, Faraday desarrolla el generador eléctrico 
experimentado que con un imán en movimiento dentro de un disco de cobre podía 
generar electricidad; previamente, en 1879 Edison crea la lampara incandescente, lo que 
significo el surgimiento de la energía eléctrica. 
 
A finales del siglo XIX, en América y Europa se intalan grandes cantidades de fábricas y así, 
se comienza a desarrollar y optimizar el consumo de la energía eléctrica no sólo para 
iluminación sino también para los procesos industriales. Causandose que construyeran 
grandes centrales de generación. 
 
En la actualidad, las centrales de generación pueden ser hidroeléctricas, termoeléctricas, 
de ciclo combinado, nucleares y eólicas entre otras. Éstas generan electricidad apartir de 
un conjunto de tubina-generador o turbogenerador y se diferencian entre ellos por la 
fuente de energía primaria transformada por la central. 
 
En México en el 2009, la generación bruta del servicio público se ubicó en 235,107 GWh, 
las centrales de ciclo combinado aportaron el 48.4% de esta energía, mientras que las 
termoeléctricas convecionales e hidroeléctricas lo hicieron con el 32.8% y 11.21% 
respectivamente. La generación nucleoeléctrica representó 4.5% y centrales geotérmicas 
2.9% del total [Secretaría de energía Prospectiva 2010]. 
 
La complejidad y crecimiento de la red eléctrica obligan al sector eléctrico a buscar 
constantemente métodos y sistemas que mejoren la operación de las centrales 
generadoras. 
 
La eficiencia para producir energía eléctrica es muy importante ya que es necesario 
aprovechar sustentablemente los recursos naturales utilizados para generarla. También lo 
es la calidad de dicha energía, pues el usuario final necesita un suministro de corriente y 
un voltaje de frecuencia y amplitud constantes, puesto que los nuevos aparatos, 
maquinaria y dispositivos electrónicos así lo exigen. 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
2Una inefisciente calidad en el suministro de energía eléctrica afecta, en mayor o menor 
grado, a otras tenologías y procesos industriales, donde las pérdidas económicas que se 
generan por este concepto pueden llegar a ser importantes. 
Generación de energía eléctrica y su impacto en la economía 
En muchos países, el consumo de energía eléctrica tiene una relación directa con el 
desempeño de la economía. Un análisis entre las gráficas 1 y 2, (fluctuaciones 
económicas y variaciones en el consumo de electricidad en el mundo), muestran este 
hecho. En la primera década del siglo XXI, la economía mundial, en términos del PIB, 
fluctuó entre -0.6% y 5.4% en promedio anual, mientras que el consumo mundial 
de energía eléctrica ha osciló de 0.7% a 4.9%. 
 
Los mayores crecimientos anuales se vieron en los países no miembros de la 
Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE)1, con valores 
superiores al 7% de 2003 a 2007, mientras que, rumbo al 2008, hubo un decremento al 
4.5%, reflejando la desaceleración económica previa a la recesión de 2009. 
 
De 1998 a 2008, se dio un crecimiento de 3.2% en promedio anualmente en el consumo 
mundial de energía eléctrica, ubicándose al final del periodo en 16,816 TWh. Este 
ritmo de crecimiento principalmente ha sido impulsado por los países asiáticos en 
transición, en los que el crecimiento económico ha permitido un efecto de 
urbanización y un cambio estructural en el consumo. 
 
En años recientes, las regiones que han logrado mayores niveles de estabilidad y madurez 
en sus mercados, se han caracterizado por registrar incrementos moderados y bajos en el 
consumo de energía eléctrica. Es el caso de los países miembros de la OCDE de 
Norteamérica, Europa Occidental, Asia y Oceanía, que durante los últimos 10 años 
registraron tasas de 1.3%, 1.5% y 2.1%, respectivamente. 
 
Durante los últimos 10 años, el mayor crecimiento en el consumo de energía eléctrica se 
ha presentado en países de Asia y Medio Oriente no OCDE, con tasas de 8.8% y 5.8%, 
respectivamente. Este comportamiento, así como la participación de cada región en el 
consumo mundial, se puede observar en la gráfica 3. 
 
1 Para noviembre de 2010, los países miembros de la OCDE son: Alemania, Australia, Austria, Bélgica, Canadá, Chile, 
Corea del Sur, Dinamarca, Eslovenia, España, Estados Unidos de América, Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Irlanda, 
Islandia, Israel, Italia, Japón, Luxemburgo, México, Noruega, Nueva Zelanda, Países Bajos, Polonia, Portugal, Reino 
Unido, República Checa, República Eslovaca, Suecia, Suiza y Turquía. Durante ese año, Chile, Eslovenia e Israel 
firmaron su adhesión a la OCDE. 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
3 
 
 
Gráfica 1 
Producto Interno Bruto mundial histórico y prospectivo, 1980 -2015 
(Variación porcentual anual) 
 
Fuente: Fondo Monetario Internacional (FMI), World Economic Outlook Database, Octubre 2010. 
 
 
Gráfica 2 
Consumo mundial de energía eléctrica, 1980 -2008 
(Variación porcentual anual) 
 
Fuente: Electricity Information 2010, Energy Balances of OECD Countries 2010, Energy Balances of Non-
OECD Countries 2010; International Energy Agency. 
 
En términos de desarrollo económico, es evidente que los países que cuentan con una 
mayor cobertura y calidad en el suministro de energía eléctrica tienen mayores 
estándares de vida. 
 
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4 
 
 
Sin embargo, también existen concentraciones urbanas densamente pobladas en las 
que el suministro eléctrico tiene una alta penetración pero que no necesariamente con 
ello se garantiza la calidad en frecuencia y voltaje así como la estabilidad del fluido 
eléctrico. 
Gráfica 3 
Consumo mundial de energía eléctrica por región, 1998 -2008 
 
*tmca: Tasa media de crecimiento anual 
Fuente: Electricity Information 2010, Energy Balances of OECD Countries 2010, Energy Balances of Non-
OECD Countries 2010; International Energy Agency. 
 
En el mapa se aprecian las regiones que tienen mayor iluminación artificial en el mundo, 
aunque algunas de las cuales tampoco son necesariamente las más pobladas. 
 
Mapa 
Regiones y países con mayor luminosidad artificial en el mundo 
 
Fuente: National Aeronautics and Space Administration (NASA). 
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5 
 
 
Capacidad instalada en países miembros de la OCDE 
La capacidad instalada para generar energía eléctrica en países miembros de la OCDE 
creció 2.3% en promedio anual de 1998 a 2008, ubicándose en 2,482 GW a finales del 
periodo. Para el último año, Estados Unidos reunió 40.8% de tal capacidad con 1,012 GW, 
representando 84.5% del total en Norteamérica; por su parte Canadá y México participan 
con 10.7% y 4.8%, respectivamente. 
 
Norteamérica posee 48.2% de la capacidad total de la OCDE. En países europeos 
miembros de la OCDE destacan: Alemania, Francia, Italia, España y el Reino Unido, 
aportando, en conjunto, 21.5% de la capacidad instalada. Asimismo, la capacidad total 
de la región representa 34.7% de la OCDE. El resto está formado por los países de Asia y 
de Oceanía, con 14.5% y 2.6% respectivamente. En México, los combustibles fósiles 
como gas natural, combustóleo, carbón y diesel corresponden al 73.3% de la capacidad 
instalada. Las fuentes alternas proporcionan el 26.7% restantes. De esas fuentes, las 
hidroeléctricas aportan 22% del total instalado. 
 
En la gráfica 4 se observa que dentro de la OCDE, EUA, Japón, Alemania, Canadá y 
Francia poseen las mayores capacidades para generación de electricidad. La alta 
participación de Francia en cuanto a energía nuclear (53.7%), constituye un caso singular 
no sólo en la OCDE, sino en todo el mundo. Países como Noruega y Canadá cuentan 
con una alta proporción de capacidad instalada basados en la energía hidráulica. Para 
2008, la capacidad hidroeléctrica instalada en esas naciones representó 96.6% y 58.5% del 
total respectivamente. 
Norteamérica OCDE 
En Norteamérica, el crecimiento anual esperado de la capacidad instalada será bajo 
comparado con otras regiones, debido a la madurez den los mercados de energía 
eléctrica de EUA y Canadá, cuyo proceso de expansión será sensiblemente menor 
respecto a otros años. Para México, a mayor dinamismo en el crecimiento económico, 
mayor impulso en la expansión del mercado interno y con ello las necesidades de 
nueva infraestructura y generación de electricidad continuarán creciendo durante los 
próximos años. 
 
En EUA, se esperan incrementos en la generación de electricidad utilizando gas natural, 
carbón y energía nuclear. 
 
 
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6 
 
 
Gráfica 4 
Capacidad de generación de energía eléctrica en países miembros de la OCDE, 20082 
 
 
También, las fuentes renovables de energía se expandirán logrando estimular el desarrollo 
y avance tecnológico, la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles, la necesidad 
de implementar tecnologías de generación eléctrica libres de emisiones de GEI, así 
como la extensión de políticas públicas que estimulen el desarrollo de este tipo de 
proyectos a través de incentivos fiscales. 
Esto favorecerá el impulso en el desarrollo de dichas fuentes en más de la mitad de los 50 
estados en la Unión Americana ya que existen cotas mínimas para la capacidad y 
generación renovable. 
 
Sin embargo, el carbón se mantendrá como la fuente principal de energía para 
generar electricidad durante los próximos años en los EUA. Seguirán operando las 
carboeléctricas existentes, y habrá adicionesde nuevas centrales. En 2008, el carbón 
participo con 54.3% dela generación total. Adicionalmente al carbón, la energía nuclear 
seguirá creciendo, se espera ser favorecido por la alta volatilidad en los precios del gas 
natural y las oportunidades de abatimiento de emisiones de GEI que ofrece la generación 
nucleoeléctrica. 
 
2 Incluye generación centralizada y autogeneración de energía eléctrica. Por simplicidad y cifras no significativas, 
se omiten Luxemburgo e Islandia. Asimismo, debido a su reciente incorporación, se excluye a Chile, Eslovenia e Israel. 
Fuente: Electricity Information 2010, International Energy Agency (IEA). 
 
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7 
 
 
En Canadá, el crecimiento en la capacidad y generación de energía eléctrica se 
basará en emplear gas natural, energía nuclear así como hidroenergía y otras fuentes 
renovables. Por aspectos ambientales y de salud pública, el uso de carbón disminuirá 
como resultado de los retiros de cuatro plantas en Ontario para 2014. El gobierno 
canadiense las reemplazará con nuevas plantas a gas natural , nuclear, centrales 
hidroeléctricas y eólicas, además de incrementar las acciones de ahorro de energía. 
 
La energía hidroeléctrica seguirá siendo un recurso clave para Canadá, ya que su alto 
potencial aún no se ha explotado. En la actualidad hay proyectos de centrales 
hidroeléctricas (grandes y pequeñas) planeadas y en construcción. 
La energía eoloeléctrica también participa en los planes de expansión del sistema eléctrico 
canadiense, alcanzando 3,319 MW de capacidad eoloeléctrica al final de 2009. 
 
Existen incentivos implementados para promover el desarrollo de capacidad eólica, 
citando a Ontario, el gobierno ha impulsado durante años el crecimiento robusto en 
instalaciones eólicas, de 0.6 MW en 1995, la capacidad creció a 1,168 MW en enero de 
2010. 
 
Se espera que los programas de incentivos del gobierno federal y de las provincias 
canadienses, así como la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles, permitan, 
en conjunto, el crecimiento sostenido en la capacidad eoloeléctrica en ese país durante 
los próximos años. 
 
En nuestro país al cierre de 2009, 73.3% de la capacidad instalada correspondió al uso de 
combustibles fósiles. De esta capacidad, el gas natural aporta 39% de la capacidad 
total de energía eléctrica para servicio público, mientras que la capacidad basada en 
combustóleo se ubica en 25% respecto al total instalado. 
 
En los próximos años la capacidad y la generación de electricidad en México crecerán con 
mayores tasas que en Canadá y los EUA, debido a la expansión del sistema de eléctrico 
para satisfacer las necesidades de la población y hacer viable un mayor crecimiento 
económico. En términos del comportamiento registrado en la generación de 
electricidad por región, así como de su posible evolución en los próximos años, la 
gráfica 8 muestra un mayor dinamismo en la región asiática emergente vinculada a 
una relativa estabilización para generar energía eléctrica en los mercados maduros, tales 
como los países europeos miembros de la OCDE y Norteamérica. 
 
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8 
 
 
Fuentes de energía 
Las fuentes de energía son recursos naturales con las que la humanidad puede obtener 
energía y emplearla en sus actividades. Las fuentes de energía que se regeneran 
naturalmente y que son “no contaminantes” son llamadas fuentes renovables o 
alternativas. Sin embargo, estas fuentes de energía pueden volverse no renovables si 
explotación supera su capacidad de regeneración. Algunas fuentes de este tipo son: 
 
• Solar 
• Hidráulica 
• Bioenergética 
• Eólica 
• Geotérmica 
• Marítima 
 
Opuestamente, a aquellas fuentes que implican el uso de recursos agotables y 
contaminantes se les conoce como fuentes de energía no renovables. Algunos ejemplos 
son: 
• Petróleo, 
• Carbón, 
• Generación nuclear de fisión. 
 
 A pesar que la disponibilidad energética de fuentes renovables es mayor que las 
convencionales, su utilización es escasa. 
Sin embargo, el desarrollo tecnológico, la exigencia social, costos bajos de instalación y 
rápida amortización están fomentando un mayor empleo de fuentes de energía renovable 
en los últimos años. 
Empleo de combustibles y de fuentes primarias para generar energía 
eléctrica en el mundo 
El combustible más utilizado para generar energía eléctrica en el mundo es el carbón. 
Debido a su gran disponibilidad, poder calorífico, estabilidad en precio entre otros 
factores, le da particular ventaja comparativa como combustible primario en la 
generación de energía eléctrica. 
 
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9 
 
 
Para 2008, debido a los incrementos en este combustible de 70 a 130% respecto a 
cotizaciones en 2007 de los mercados europeo y asiático, además de las políticas de la 
protección del medio ambiente (mitigación de Gases de Efecto Invernadero), ha 
aumentado la competitividad de otros combustibles como el gas natural e inclusive la 
energía nuclear. Sin embargo, en países como China, EUA, India, Sudáfrica y Australia, el 
carbón provee más de 50% de la energía térmica utilizada para generar electricidad. 
 
La gráfica 5 muestra el despegue entre el empleo del carbón y otras fuentes de energía 
durante casi tres décadas, registrando un crecimiento promedio anual de 3.5%. 
 
En energía nuclear, su mayor dinamismo se observó al iniciar la década de 1980 y en 
años recientes se han construido varios reactores, sobre todo en el sudeste asiático. 
 
El uso de gas natural para generar electricidad, es relativamente alto en países como 
Japón, Reino Unido y México, ha mostrado un importante crecimiento a partir de 
1990, con una pronunciada pendiente a partir de 1993. 
 
La hidroelectricidad y otros recursos, son la principal fuente primaria en Canadá, 
Brasil, Noruega e Islandia. En éste último, la geotermia es de gran importancia 
logrando participar con 22.5% en 2008 adicionalmente a la generación hidroeléctrica. 
 
Gráfica 5 
Consumo mundial de combustibles y utilización de fuentes primarias para la generación 
de electricidad, 1980 -2008 (PJ) 
 
Fuente: International Energy Agency (IEA). 
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10 
 
 
El patrón de uso de fuentes primarias, para generar electricidad, depende de la 
disponibilidad y precio, del riesgo asociado al suministro, así como del perfil tecnológico 
y del portafolio de generación existente en cada región y país (véase gráfica 6). 
 
De esta gráfica, se puede identificar la composición de fuentes primarias en algunos 
países. Como se ha dicho, destaca el carbón debido al alto grado de penetración en las 
principales economías del orbe, por otro lado, la energía nuclear es utilizada ampliamente 
en países como Francia, Rusia, Corea del Sur, EUA y Japón. En éste último, se distingue 
una variedad de tecnologías, una equilibrado empleo de generación nuclear, gas natural, 
carbón, petrolíferos y fuentes renovables. 
 
En el caso de México, algunas políticas de diversificación promueven una mayor 
participación de las fuentes renovables, así como en un posible escenario, la 
expansión de la capacidad nucleoeléctrica con el propósito de equilibrar la 
concentrada participación del gas natural y seguir reduciendo el consumo de 
combustibles derivados del petróleo en las plantas antiguas que operan en ciclo 
convencional. 
 
Brasil posee una de las matrices energéticas más limpias del mundo. Debido a su alta 
dependencia de energía hidroeléctrica, la operación delsistema de generación se 
basa en la diversidad hidrológica exportando energía desde las cuencas húmedas hacia las 
cuencas secas. En tiempos de estiaje3 y para no comprometer la seguridad energética 
de ese país, el gobierno brasileño se permite restringir la exportación de energía 
eléctrica hacia Uruguay y Argentina. 
 
Estos eventos representan riesgos para la estabilidad y seguridad en el suministro 
eléctrico, debido al empleo de una sola fuente primaria en la infraestructura de 
generación. 
 
Por esto, estratégicamente para muchos países, es importante establecer políticas de 
diversificación para fortalecer los sistemas eléctricos para responder a los cambios 
económicos, políticos, restricciones ambientales, volatilidad en los precios de los 
combustibles, así como al riesgo en el suministro de los mismos y a los impactos 
derivados de un inestable entorno económico que pudiesen afectar la estabilidad y 
confiabilidad del suministro eléctrico. 
 
 
3
 Es el nivel más bajo que tienen las aguas de un río, laguna, etcétera, a causa de la sequía. 
 
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11 
 
 
Gráfica 6 
Fuentes primarias y combustibles para generación de electricidad en países 
seleccionados, 2008 (Participación porcentual) 
 
a* Incluye hidroenergía, geotermia, viento, solar, biomasa y desechos orgánicos. 
Fuente: Electricity Information 2010, Energy Balances of OECD Countries 2010, Energy Balances of Non-
OECD Countries 2010; International Energy Agency. 
 
Pronóstico de la capacidad y generación de energía eléctrica mundial 
La capacidad en generación de energía eléctrica crecerá principalmente en países en 
desarrollo no miembros de la OCDE, estos aumentarán su capacidad instalada en 1,245 
GW de 2007-2025. China e India serán los que desarrollen las mayores adiciones de 
capacidad y generación de energía eléctrica en el mundo, esto se refleja en la proyección 
del incremento de capacidad en la región asiática de 3.7% promedio anual durante 2007-
2025, debido a la importante expansión económica de estos países durante los 
últimos años y se ha contemplado continúe en el mediano plazo. También, se estima un 
crecimiento promedio de 2.2% en África y de 1.7% en Medio Oriente hacia finales de 
dicho periodo (gráfica 7). 
 
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12 
 
 
A medida que el crecimiento económico de la región asiática emergente continúe 
mostrando el dinamismo de los últimos años, el consumo mundial de electricidad 
continuará creciendo. 
Gráfica 7 
Capacidad mundial de generación de energía eléctrica por región, 2007-2025 
 
* Tasa media de crecimiento anual 2007-2025. 
Fuente: Energy Information Administration e International Energy Outlook 2010 
Tendencia mundial en la utilización de combustibles y otras fuentes 
primarias para generación de electricidad 
Internacionalmente, el uso de la energía primaria y secundaria para generar electricidad 
depende de distintos factores que varían de una región a otra, así como de la 
disponibilidad de recursos económicamente competitivos. Además, el empleo de 
dichas fuentes depende de las restricciones imperantes por la volatilidad en los 
precios de los energéticos, la disponibilidad de los combustibles, el impacto social, así 
como por la normatividad ambiental. 
 
Durante los próximos años, los combustibles más usados para generar electricidad en 
el mundo serán el carbón y el gas natural, disminuyendo la utilización de combustibles 
derivados del petróleo, como el combustóleo. Esto se debe a la volatilidad en los precios 
del combustible y a la disposición de tecnologías con mayor eficiencia y con un impacto 
ambiental sensiblemente menor al de las plantas convencionales que utilizan derivados 
del petróleo. 
 
 
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13 
 
 
Gráfica 8 
Evolución de la generación mundial de energía eléctrica por región, 1997-2025 
 
tmca: tasa media de crecimiento anual. Fuente: Energy Information Administration e International Energy 
Outlook 2010. 
 
 
Para el periodo 2007-2025, se ha estimado que las energías renovables serán la fuente 
primaria de mayor crecimiento en la generación eléctrica (gráfica 9), pasando de 18.4% 
a 23.4%, complementándose con la participación mayoritaria del carbón que se 
mantendrá en 39.6% y al gas natural con 20.4% hacia ese último año. 
 
Se estima que al final del periodo, la energía nuclear prácticamente se mantendrá al 
mismo nivel de participación. Por otro lado, se reducirá la participación de los derivados 
del petróleo de 5% a 2.8% para generar electricidad a nivel mundial. 
Para 2025 el carbón, en primer lugar, y las energías renovables (incluyendo grandes 
hidroeléctricas a desarrollarse en Asia y Sudamérica) serán las de mayor 
participación en la generación mundial de energía eléctrica, seguidas por el gas natural. 
Para el periodo 2010-2025 las estimaciones del consumo nacional de electricidad indican 
una tasa de crecimiento anual de 4.3%, ya que se espera aumente de 215.5 TWh en 2010 
a 404.7 TWh en 2025. Dicha estimación considera los ahorros de energía eléctrica 
derivados del Programa Nacional para el Aprovechamiento Sustentable de la Energía 
2007-2012 (Pronase), así como la recuperación de las ventas correspondientes a la 
reducción de pérdidas no técnicas y a la atención de cargas deprimidas en el área Central. 
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14 
 
 
Gráfica 9 
Combustibles y otras fuentes de energía para la generación eléctrica mundial, 2007-2025 
 
Fuente: Energy Information Administration e International Energy Outlook 2010. 
 
Con base en las metas establecidas en la Estrategia Nacional de Energía para cumplir con 
el margen de reserva de capacidad de generación, disminuir pérdidas de energía eléctrica 
a niveles comparables a estándares internacionales de 8%, así como incrementar la 
participación de las tecnologías limpias en el parque de generación al 35%, se diseñó el 
programa de expansión de capacidad del servicio público 2010-2025, en el cual se 
considera la instalación de nueva capacidad de generación por 37,655 MW, 
compuesta por 5,218 MW de capacidad terminada, en construcción o licitación, 
32,041 MW de capacidad adicional para licitación futura y 396 MW de proyectos 
de rehabilitación y modernización en centrales existentes. El monto total de las 
inversiones en generación y transmisión requeridas para llevar a cabo este programa 
asciende a 1,264.8 miles de millones de pesos de 2010. 
 
Finalmente, durante el periodo 2010-2025 se retirará un total de 11,093 MW de 
diversas unidades generadoras que actualmente se encuentran en operación y que 
durante el periodo agotarán su vida útil. 
Demanda de un sistema eléctrico 
La potencia total consumida por los clientes de una compañía de electricidad varía entre 
amplios límites y esto depende de la hora del día y la estación del año. 
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15 
 
 
En la figura 1.1 se muestra la variación de la demanda (potencia) del sistema durante un 
día de verano y un día de invierno. Es notable la similitud del patrón de la demanda diaria 
en las dos estaciones. Durante el invierno la demanda pico de 15 GW (15 000 MW) es más 
alta que el pico de 10 GW en el verano. Sin embargo, ambos picos ocurren alrededor de 
las 17:00 horas ya que la actividad doméstica, incrementada a esa hora, coincide con los 
centros industriales y comerciales que aún están operando a plena capacidad. 
 
 
 
Fig. 1.1 Curva de la demanda de un sistema grande 
durante un día deverano y un día de invierno. 
 
 
 
La figura 1.2 muestra las variaciones estacionales para el mismo sistema de la curva de la 
carga. Se observa que la demanda pico durante invierno (15GW) es más del doble que la 
demanda mínima durante verano (6 GW). 
 
 
 
 
 
Figura 1.2 Curva de la demanda de un gran sistema de suministro de electricidad durante un año. 
Examinando la curva, se nota que la demanda durante el año nunca es menor de 6 GW. 
Ésta es la carga base del sistema. También se observa que la carga pico anual es de 15 
GW. 
La carga base tiene que ser alimentada el 100 por ciento del tiempo, pero la carga pico 
puede ocurrir durante sólo 0.1 por ciento del tiempo. Entre estos dos extremos existen 
cargas intermedias que deben ser alimentadas durante menos del 100 por ciento del 
tiempo. 
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16 
 
 
Al trazar la duración de 
cada demanda 
anualmente, se obtiene 
la curva de duración de 
carga de la figura 1.3. 
Por ejemplo, la curva 
muestra que una 
demanda de 9 GW o 
menos dura el 70 por 
ciento del tiempo, en 
tanto que una 
demanda de 12 GW 
dura sólo el 15 por 
ciento del tiempo. 
Figura 1.3 Curva de duración de la carga de un gran sistema de suministro de electricidad. 
La gráfica está dividida en 3 secciones de carga: base, intermedia y pico. La parte de carga 
pico generalmente incluye demandas que duran menos del 15 por ciento del tiempo. 
Sobre esta base el sistema tiene que suministrar 6 GW de potencia base, otros 6 GW de 
potencia intermedia y 3 GW de potencia pico. 
Estos bloques de potencia dan lugar a tres tipos de plantas de generación: 
a) Plantas de potencia base: suministran toda la potencia en todo momento. Las 
plantas nucleares y de carbón están particularmente bien adaptadas para 
suministrar la demanda base. 
b) Plantas de potencia intermedia: pueden responder relativamente rápido a cambios 
de demanda, la mayoría de las veces agregando o suprimiendo una o más unidades 
de generación. Las plantas hidroeléctricas son muy adecuadas para este propósito. 
c) Plantas de generación pico: suministran potencia durante intervalos breves a lo 
largo del día. Estas plantas se deben poner en servicio con mucha rapidez. Por lo 
tanto, están equipadas con motores primarios tales como motores diesel, turbinas 
de gas, motores de aire comprimido o turbinas de almacenamiento y bombeo que 
se pueden arrancar en unos cuantos minutos. 
Cabe mencionar que las plantas de generación térmicas que utilizan gas o carbón tardan 
de 4 a 8 horas en arrancar, mientras que las plantas nucleares pueden tardar varios días. 
Está claro que estas plantas de generación no se pueden utilizar para suministrar potencia 
pico a corto plazo. 
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17 
 
 
Respecto a la figura 1.3, las áreas de las partes punteada y rayada son proporcionales a la 
cantidad relativa de energía (kW/h) asociada con las cargas base, intermedia y pico. Por lo 
tanto, las plantas de potencia base suministran el 58 por ciento de los requerimientos de 
energía anuales, en tanto que las de carga pico contribuyen sólo con el 1.3 por ciento. Las 
plantas de carga pico están en servicio durante un promedio de una hora por día. Por lo 
tanto, la potencia pico es muy cara ya que las plantas que la producen están detenidas la 
mayor parte del tiempo. 
Localización de una planta de generación 
Al planificar un sistema de suministro eléctrico, debe planificarse con cuidado la ubicación 
física de: la planta de generación, las líneas de transmisión y las subplantas, para llegar a 
una solución económica y aceptable. A veces se puede instalar la planta de generación 
cerca de la fuente primaria de energía (como una mina de carbón) y utilizar líneas de 
transmisión para transportar la energía eléctrica a donde se requiere. 
Cuando esto no es práctico ni económico, se tiene que transportar la energía primaria 
(carbón, gas, petróleo) por barco, tren u oleoducto a la planta de generación (Fig. 1.4). En 
consecuencia, la planta de generación puede estar cerca o lejos del usuario final de la 
energía eléctrica. 
En la figura 1.4 se muestran algunos obstáculos que impiden que las líneas de transmisión 
sigan la ruta más corta. Debido a estos obstáculos, tanto físicos como legales, las líneas de 
transmisión con frecuencia siguen una trayectoria en zigzag entre la planta de generación 
y el usuario final. 
Plantas de generación 
Existen tres principales tipos de plantas de generación: 
1. Plantas de generación térmicas 
2. Plantas de generación hidroeléctricas 
3. Plantas de generación nucleares 
Aun cuando se puede explotar el viento, las mareas y la energía solar, estas fuentes de 
energía representan una pequeña parte de la energía total que requerida. 
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18 
 
 
Figura 1.4 La extracción, el transporte y la transformación de las fuentes primarias de energía se realizan de 
diferentes maneras. Las líneas de transmisión punteadas que conectan las plantas de generación G con los 
consumidores deben sortear varios obstáculos. GT: planta térmica; GH: planta hidroeléctrica; GN: planta 
nuclear. 
Equilibrando la potencia entre generador y carga 
Debido a que la energía eléctrica de CA no puede almacenarse, la energía eléctrica 
consumida por los usuarios se debe suministrar de inmediato por los generadores de CA. 
Considere una planta hidroeléctrica que abastece una región (R1 fig. 1.5), la cual requiere 
mantener un equilibrio casi instantáneo entre los requerimientos de los clientes y la 
potencia generada. El agua, contenida tras una cortina en la presa, fluye a través de la 
turbina y ésta hace que el generador gire. 
La potencia mecánica (PT) desarrollada por la turbina, depende exclusivamente del flujo 
de agua que es controlada por las compuertas de mariposa. Entre mayor sea la abertura, 
más agua fluye a través de la turbina y la potencia incrementada pasa de inmediato al 
generador. 
Sin embargo, la potencia eléctrica (PL) extraída del generador depende exclusivamente de 
la carga. Cuando la potencia mecánica (PT) suministrada al rotor es igual a la potencia 
eléctrica (PL) consumida por la carga, el generador está en equilibrio dinámico y su 
velocidad permanece constante. Se dice que el sistema eléctrico está estable. 
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19 
 
 
Figura 1.5 Potencia suministrada a tres regiones independientes. 
 
Pero, se ha dicho que la demanda del sistema fluctúa continuamente. Si PL es mayor que 
PT, la unidad de generación (turbina y generador) comienza a perder velocidad. De 
manera inversa, si PL es menor que PT, la unidad de generación se acelera. 
Por lo tanto, la variación de la velocidad del generador es un excelente indicador del 
estado de equilibrio entre PL y PT y, en consecuencia, de la estabilidad del sistema. Si la 
velocidad se reduce se tienen que abrir las compuertas, y si aumenta deben cerrarse para 
mantener un estado continuo de equilibrio entre PT y PL. Aunque se podrían ajustar las 
compuertas manualmente observando la velocidad, siempre se utiliza un regulador de 
velocidad automático. 
Los reguladores de velocidad, o gobernadores, son dispositivos extremadamente 
sensibles. Pueden detectar cambios de velocidad tan pequeños como uno de 0.02%. Por lo 
tanto, si la velocidad de un generador se incrementa de 1800 r/min a 1800.36 r/min, el 
gobernador comienza a actuar en el mecanismo de las compuertas. 
Si la carga se incrementa de repente, la velocidad se reducirá momentáneamente, pero el 
gobernador la regresará rápidamente a su valor nominal. La misma acción correctiva 
ocurre cuando la carga se suprime de manera repentina. 
Obviamente, cualquier cambio de velocidad produce un cambio correspondiente en la 
frecuencia del sistema. Por lo tanto, la frecuencia es un excelente indicador de laestabilidad de un sistema. El sistema se mantiene estable en tanto la frecuencia sea 
constante. 
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20 
 
 
Los gobernadores de plantas térmicas y nucleares operan del mismo modo, excepto que 
regulan válvulas de vapor, permitiendo que fluya más o menos vapor a través de las 
turbinas (Fig. 1.5). El cambio resultante en el flujo de vapor tiene que ir acompañado por 
un cambio en la velocidad de combustión. Así pues, en el caso de una caldera que quema 
carbón, se tiene que reducir la combustión en cuanto se cierran las válvulas, o de lo 
contrario la presión en la caldera excederá con rapidez los límites de seguridad. 
Sistemas interconectados y las ventajas que ofrecen 
En la figura1.5 se muestran 3 plantas de generación, conectadas a sus respectivas cargas 
regionales R1, R2 y R3. Al no estar interconectadas, cada una puede operar a su propia 
frecuencia, y una perturbación en alguna de ellas no afecta a las demás. 
Sin embargo, es preferible interconectar los sistemas porque ello 
1) mejora la estabilidad total, 
2) proporciona una mejor continuidad de servicio y 
3) es más económico. 
La figura 1.6 muestra cuatro líneas de transmisión de interconexión, que vinculan tanto las 
plantas de generación como las regiones que reciben el servicio. 
 
 Figura 1.6 Tres redes conectadas por cuatro líneas de enlace. 
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21 
 
 
Los cortacircuitos de alta velocidad d1 a d10 interrumpen automáticamente la potencia en 
caso de una falla y reencauzar el flujo de potencia eléctrica.4 Las ventajas de este tipo de 
red son: 
1. Estabilidad.- Los sistemas interconectados tienen una mayor reserva de potencia 
que un sistema que trabaja solo. Un sistema grande es más capaz de soportar una 
gran perturbación e inherentemente es más estable. La excesiva carga es 
compartida por las tres plantas en lugar de ser conducida por una sola. 
2. Continuidad del servicio.- Si se daña alguna planta de generación, o se deba 
detener para inspección y mantenimiento, las plantas restantes abastecerán a los 
clientes a los que daba servicio aquélla. 
3. Economía.- Cuando varias regiones están interconectadas, la carga puede ser 
compartida entre las diversas plantas de generación para que el costo total de 
operación se reduzca al mínimo. 
Por ejemplo, durante la noche cuando la demanda es baja, se puede parar 
completamente una planta y dejar que las otras soporten la carga en lugar de que operen 
las tres plantas. 
Así, se reduce en gran medida el costo de operación de una planta al mismo tiempo que 
mejora la eficiencia de las otras plantas, ya que funcionarían casi a su capacidad nominal. 
Por lo tanto, las compañías de electricidad están interesadas en agrupar sus recursos por 
medio de una red de líneas de transmisión de interconexión. 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.7 Técnicos en los cuartos de control de dos plantas de generación se comunican entre sí, o con una 
oficina central de despacho, mientras supervisan la operación de sus respectivas unidades de generación. 
 
4 El estándar 100-1992 de IEEE establece que una falla es una condición física que hace que un dispositivo, un 
componente o un elemento deje de funcionar de una manera requerida, por ejemplo, un cortocircuito, un cable roto o 
una conexión intermitente. 
 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
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Una oficina central despachadora (centro de control) distribuye la carga entre las diversas 
compañías y plantas de generación para minimizar los costos (Fig. 1.7). Debido a la 
complejidad de algunos sistemas, las decisiones de control se hacen invariablemente con 
la ayuda de una computadora. La oficina de despacho también tiene que predecir los 
cambios de carga diarios y estacionales y dirigir el arranque y la detención de las unidades 
de generación para mantener una buena estabilidad de la inmensa y complicada red. 
Condiciones durante una contingencia 
Se crea un estado de emergencia al presentarse una perturbación importante en un 
sistema (contingencia) y deben tomarse medidas inmediatas para evitar que se extienda a 
otras regiones. Una repentina pérdida de carga significativa o un cortocircuito 
permanente en líneas de transmisión representan una contingencia grave. 
Cuando repentinamente se pierde una carga grande, todas las turbinas comienzan a 
acelerarse y la frecuencia aumenta por todo el sistema. Por otra parte, al desconectar un 
generador, la velocidad en el resto de generadores disminuye ya que tienen que soportar 
toda la carga. La frecuencia empieza a reducirse (algunas veces a razón de 5Hz por 
segundo). 
En estas situaciones no debe perderse el tiempo y, en caso de no poder estabilizar la 
frecuencia con métodos convencionales, debe desconectarse una o más cargas. 
Esta desconexión se realiza mediante relevadores sensibles a la frecuencia que abren 
cortacircuitos seleccionados a medida que la frecuencia se reduce. La desconexión de 
cargas tiene que hacerse en menos de un segundo para mantener las cargas de primordial 
importancia. Para los clientes desconectados, esta interrupción de corriente crea serios 
problemas. Obviamente, a todos nos interesa un servicio ininterrumpido. 
La experiencia ha demostrado que los cortocircuitos en un sistema son muy breves, en la 
mayoría de los casos. Pueden ser provocados por rayos, aislantes contaminados, derribo 
de árboles o sobrevoltajes creados cuando los cortacircuitos se abren y cierran. 
Generalmente, estas perturbaciones producen un cortocircuito entre dos fases o entre 
una fase y tierra. Los cortocircuitos trifásicos son muy raros. 
Debido a que, por lo general, los cortocircuitos en líneas son muy breves, a menudo se 
puede evitar una interrupción de corriente importante con sólo abrir y cerrar de 
inmediato la línea cortocircuitada. Naturalmente, una conmutación tan rápida de los 
cortacircuitos se realiza automáticamente porque todo sucede en cuestión de unos 
cuantos ciclos. 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
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Relojes de control en las centrales eléctricas 
Conforme varía la carga la frecuencia de un sistema fluctúa, pero los gobernadores de 
turbina siempre la regresan a 60 Hz. A causa de estas fluctuaciones, el sistema adquiere o 
pierde unos cuantos ciclos durante el día. Cuando la diferencia acumulada es de 
aproximadamente 180 ciclos, el error se corrige incrementando o disminuyendo el giro de 
todos los generadores durante un breve periodo. La corrección de la frecuencia se realiza 
de acuerdo con instrucciones del centro de despacho. 
De este forma, una red de 60 Hz genera exactamente 5 184 000 ciclos en un periodo de 24 
horas. Los relojes eléctricos conectados a la red indican el tiempo correcto hasta dentro 
de 3 segundos, porque la posición de la segunda manecilla está relacionada directamente 
con el número de ciclos transcurridos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistemas de Control en Generadores Síncronos 
 
 
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Capítulo 2 Elementos que integran un generador síncrono y principio de 
operación 
Introducción 
En la actualidad, la principal manera de obtener electricidad es mediante el uso de 
grandes centrales eléctricas, en las que la energía primaria (carbón, petróleo, gas, 
combustible nuclear), se transforma en electricidad a través de un proceso que requiere el 
uso de turbinas y generadores, los cuales cubren la etapa final de conversión de energía 
mecánica en eléctrica. El proceso de conversión de la energía mecánica a energía eléctrica 
se realiza por medio de generadores de corriente alterna o alternadores. 
Los generadores sincrónicos son la principal fuente de potencia eléctrica del mundo, 
convirtiendo energía mecánica en energía eléctrica desde una fracción de kVA hasta los 
1500 MVA. En la generación eléctricaa pequeña escala se emplean alternadores 
acoplados a motores de combustión interna, que se utilizan en equipos de emergencia en 
hospitales, aeropuertos, salas de ordenadores, centrales telefónicas, entre otros, y 
que entran en servicio en el momento que falta suministro eléctrico en la red. 
Existen 2 tipos de generadores síncronos, en forma constructiva, que son: 
Los de polos salientes (empleados en centrales hidráulicas, maquinas lentas) 
Los de polos lisos (utilizados en centrales térmicas, nucleares maquinas rápidas). 
Construcción de un generador síncrono 
Un generador síncrono con campo rotatorio tiene una armadura estacionaria llamada 
estator. Una armadura estacionaria facilita el aislamiento de los devanados porque no 
están sujetos a fuerzas centrífugas. 
Un devanado de campo, construido en forma de arrollamiento concentrado o bien 
distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, es el devanado que produce el 
campo magnético principal en la máquina. 
Un devanado de armadura distribuido, formando así un arrollamiento trifásico recorrido 
por corriente alterna, donde se induce el voltaje principal. 
En las máquinas síncronas, los devanados de campo están sobre el rotor (inductor), 
mientras que los de armadura se sitúan en el estator (inducido). 
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Estator 
Está constituido por laminaciones delgadas de acero sumamente permeable a fin de 
reducir las pérdidas en el núcleo. 
El bastidor, que puede ser de hierro fundido o fabricado en placas de acero suave, no es 
diseñado para conducir flujo, sino para dar apoyo mecánico al generador síncrono. 
El interior del estator tiene una variedad de ranuras con el objetivo de alojar a los 
devanados (conductores de armadura). 
La fuerza electromotriz (fem), inducida por fase en generadores síncronos de gran tamaño 
es del orden de los kV con capacidad de generar cientos de MVA. 
El devanado del estator puede conectarse en Delta o Estrella. Comúnmente al generador 
se le conecta en estrella. 
Ventajas de la conexión estrella respecto a delta 
 
El voltaje de fase es de un 58% del voltaje entre líneas, permitiendo así reducir a cantidad 
de aislamiento en las ranuras de forma que se puede incrementar el diámetro de los 
conductores. Esto permite que la capacidad nominal de la maquina se incremente. 
En la conexión estrella, los armónicos de línea a neutro distorsionantes no aparecen entre 
líneas porque se cancelan entre sí. Por el contrario, en una conexión delta esto no sucede 
sino que se acumulan; al ser una conexión cerrada se produce una corriente circulante de 
tercer armónico, el cual incrementa las pérdidas eléctricas. 
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Rotor 
Los generadores síncronos son construidos con 2 tipos de rotores: 
• Rotor de polos salientes 
• Rotor de polos lisos o cilíndricos (no salientes). 
 
La elección de uno de estos viene dado por la velocidad de rotación de la máquina, el cual 
depende del tipo de motor primario que la hace girar (turbogeneradores, 
hidrogeneradores y los motores a diésel). 
Los electroimanes o polos generadores del campo magnético se encuentran en la parte 
giratoria (rotor) del generador eléctrico, que está sujeto a campos magnéticos 
variables, se construye con láminas delgadas agrupadas para reducir las pérdidas por 
corrientes parásitas . Estos polos dispondrán de una corriente continua de excitación 
suministrada desde el exterior, mediante anillos rozantes y escobillas o mediante una 
fuente especial instalada sobre el mismo eje del generador (excitatriz). 
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Los generadores de rotor cilíndrico se utilizan en aplicaciones de alta velocidad (2 y 4 
polos), turbo alteradores. Los de polos salientes es más apropiada para bajas 
velocidades (alto número de polos) se aplica en hidrogeneradores o turbinas 
hidráulicas. 
Sistema de excitación para el generador síncrono 
 
La función principal del sistema de excitación es suministrar energía en forma de voltaje y 
corriente directa al campo generador, creando el campo magnético. Así mismo, el 
sistema de excitación comprende el equipo de control y protección, que regula la 
producción eléctrica del generador. En el diseño de los sistemas complejos de transmisión 
de energía, las características de desempeño y protección del sistema de excitación deben 
evaluarse con tanto cuidado como las características de diseño del equipo. 
 
El voltaje de excitación es un factor esencial en el control de la salida del generador. Una 
característica deseable de un sistema de excitación es que este sea capaz de producir con 
rapidez altos niveles de voltaje de excitación después de un cambio en el voltaje terminal. 
 
Además del voltaje que se requiere en el equipo se necesita que la respuesta sea de 
manera rápida y a los niveles que se requiere. 
 
Existen varios sistemas de excitación que se clasifican según la fuente de energía del 
excitador: 
 
· Generador de cd con conmutador. 
· Generador de ca y rectificadores estacionarios. 
· Generador de ca y rectificadores rotatorios (sin escobillas). 
· Transformadores en el generador principal y rectificadores (excitación estática). 
 
La energía de excitación se toma del conmutador en el rotor del generador de CD y se 
aplica al campo rotatorio del generador principal a través de los anillos colectores. El 
voltaje de salida del generador principal se controla mediante un regulador de voltaje que 
varía la excitación del estator del generador de CD. 
 
El sistema excitador de ca tiene un campo rotatorio, al igual que el generador principal. La 
salida del excitador se toma de los devanados estacionarios de la armadura y se convierte 
a CD mediante los rectificadores de diodo de silicio y se aplica al campo rotatorio del 
generador de cd, excepto que la excitación hacia el campo rotatorio del excitador se 
transfiere a través de los anillos colectores. 
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Este tipo de sistema se emplea en los generadores de más de 400000 kVA donde la 
potencia de excitación puede alcanzar los 7000kW. 
 
Rectificador rotatorio o sin escobillas. Este sistema invierte el campo del excitador y de la 
armadura y elimina por lo tanto ambos juegos de anillos colectores de aquí su nombre de 
excitador sin escobillas. El voltaje de salida del generador principal se controla mediante el 
campo excitador en el estator. 
 
El sistema estático de excitación elimina la necesidad de un generador independiente para 
la excitación. La potencia de excitación es suministrada por las terminales del generador 
principal a través de transformadores de excitación. La salida controlada de CA de los 
transformadores se convierte a CD mediante rectificadores de diodo de silicio y se aplica 
al campo del generador principal a través de los anillos colectores 
 
 
Sistema de enfriamiento 
1. Generadores enfriados por aire: 
 
Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados (OV, open 
ventilated) y completamente cerrados enfriados por agua a aire (TEWC, totally enclosed 
water to air cooled). 
Los generadores de tipo OV fueron los primeros en construirse y que en algunas plantas 
de tamaño pequeño se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por 
el sistema y una considerable cantidad de materias extrañas pueden acumularse en las 
bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. 
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Se pueden usar filtros que puedan reemplazarse o limpiar, para mantener limpios los 
embobinados. 
Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire 
recircula constantemente