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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
“IMPLEMENTACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR
SERVICIOS GENERALES DE ESCUELAS PRIMARIA”
TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A:
JOSUE RUIZ FERNANDEZ
ASESORES:
M. EN C. JUAN FRANCISCO NOVOA COLIN ING. FERNANDO SANCHEZ MARTÍNEZ
MÉXICO, D. F. 2010
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
QUE PARA OBTENEREL TITULO DE TESIS Y EXAMEN ORAL INDlVIDUAL
POR LA OPCION DE TITULACION C. JOSUE RUlZ FERNANOEZDEBERA(N) DESARROLLAR
"IMPLEMENTACiÓNY PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE
ESCUELAS PRIMARIA"
INSTALAR Y PR()PONER EN MARCHA PLANTA DE EMERGENCIA GtNERADORA DE CORRIENTE ALTERNA (CA) TRIFÁSICA DE 80 KW A GAS LP, CON ACCIONAMIENTO MANUAL Y AUTOMÁTICO.
• JUSTifICACiÓN • PLANTA DE EMERGENClA • PLANTEAMIENTO • MEMORIA TÉCNICA DE PLANTA DE EMERGENCIA • INSTALAClON y PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA • COSTO-BENEfiCIO • CONCLUSIONES • ANEXOS
MÉXICO D.F. A 14 DE .JUNIO DE 2010
ASESORES
/.If M. EN C. JUAN F~ NOVOA COLaN
M. EN C. SALVADO
1
INDICE
OBJETIVO GENERAL 5
OBJETIVOS PARTICULARES 5
JUSTIFICACIÓN 6
INTRODUCCION 7
CAPITULO I: PLANTAS DE EMERGENCIA DE CA
8
1.1 MAGNETISMO
9
1.1.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA 9
1.1.3 LAS EXPERIENCIAS DE FARADAY 10
1.1.4 FLUJO MAGNETICO 12
1.1.5 LEY DE FARADAY – HENRY 13
1.1.6 EL SENTIDO DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS 14
1.1.7 CORRIENTES INDUCIDAS 15
1.1.8 LA FUERZA ELECTROMOTRIZ SINUSOIDAL 16
1.2 POTENCIA
17
1.2.1 TIPOS DE POTENCIA 17
1.2.1.1 POTENCIA ACTIVA O RESISTIVA (P) 17
1.2.1.2 POTENCIA REACTIVA O INDUCTIVA (Q) 18
1.2.1.3 POTENCIA APARENTE O TOTAL (S) 18
1.3 FACTOR DE POTENCIA 19
1.4 PLANTA DE EMERGENCIA DE CA 21
1.4.1 CARACTERISTICAS PRIMORDIALES DE LAS PLANTAS DE
EMERGENCIA 22
1.4.1.1 CARGA DE TRANSICION 22
2
1.4.1.2 RESPUESTA DEL SISTEMA DE EXCITACION 23
1.4.1.3 RESPUESTA DE ARRANQUE DE MOTOR 24
1.4.1.4 KVA DE ROTOR BLOQUEADO 25
1.4.1.5 CAÍDA SOSTENIDA DE VOLTAJE 25
1.4.1.6 RESPUESTA DE FALLA 26
1.4.1.7 TEMPERATURAS DE LOS DEVANADOS DE CORTO CIRCUITO 27
1.5. TIPOS DE PLANTAS DE EMERGENCIA 28
1.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR 29
SISTEMA DE TENSIONES INDUCIDA 30
SECUENCIA DE FASES 30
CONEXIONES BASICAS 31
CORRIENTES DE LINEA Y DE FASE 32
TENSIONES DE FASES 32
TENSIONES DE LÍNEA 32
1.7. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 33
1.7.1 RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO 34
1.7.2 DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO OTTO: 36
CAPITULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 37
2.1 LEVANTAMIENTO 38
2.1.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO 38
2.1.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO 41
2.1.3 INSTALACION DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE 42
2.1.4 INSTALACION ELECTRICA 43
3
2.2. SOLUCION AL PROBLEMA 44
2.2.1. PARTES PRINCIPALES DE LA PLANTA DE EMERGENCIA
IMPLEMENTADA 44
2.2.1.1 GENERADOR 44
ROTOR 45
ESTATOR 45
2.1.1.2. EXCITACION 48
AUTOEXCITACIÓN (SIN ESCOBILLAS) 48
ECUACIONES DEL GENERADOR 50
GENERADOR SIN CARGA 50
GENERADOR CON CARGA 52
2.1.1.3 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO (AVR) 53
2.1.1.4 CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE 58
2.1.1.5 MOTOR 59
2.1.5.1 SISTEMAS PRINCIPALES DEl MOTOR DE COMBUSTION
INTERNA 59
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN 59
CARBURADOR 61
ACCESORIOS DEL CARBURADOR 62
AHOGADOR 62
GOBERNADOR 62
SISTEMA DE IGNICION (ENCENDIDO) 63
ENCENDIDO ELECTRONICO INTEGRAL 64
GENERADOR DE IMPULSOS DE TIPO INDUCTIVO 65
UNIDAD DE CONTROL 66
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO 67
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO 68
PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO 69
SISTEMA DE ARRANQUE 70
FUNCIONAMIENTO 70
ESTRUCTURA DEL MOTOR DE ARRANQUE 70
TIPOS DE MOTOR DE ARRANQUE 71
2.2.1.6 PANEL DE CONTROL H-100 73
4
2.2.1.7 PROTECCIONES PARA EL MOTOR Y GENERADOR 75
2.2.1.8 CONEXIONES DE AC 76
2.2.1.9 TABLERO DE TRANSFERENCIA 76
2.3. OPERACIÓN DE LA PLANTA DE EMERGENCIA 81
CAPITULO III: MEMORIA TECNICA DE LA PLANTA DE
EMERGENCIA
89
3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO 90
3.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO 93
3.3 SISTEMA DE COMBUSTIBLE 93
3.4 INSTALACION ELECTRICA 95
CAPITULO IV: INSTALACION Y PUESTA EN MARCHA DE PLANTA
DE EMERGENCIA
98
4.1 INSTALACION DE LA PLANTA DE EMERGENCIA 99
4.2 PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA 105
CAPITULO V: COSTO-BENEFICIO
108
CAPITULO VI: CONCLUSIONES
111
BIBLIOGRAFIA
114
ANEOS
116
ANEXO 1
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE REGULADORES DE GAS PRIMARIOS 117
ANEXO 2
HOJA DE ESPECIFICACIONES DE PLANTA DE 80 KW 119
ANEXO 3
SOFTWARE GENLINK 120
ANEXO 4
CONTROLADOR H-100 129
ANEXO 5
CONTROL DEL HTS 137
5
“IMPLEMENTACION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA
AUTOMATICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA
RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE ESCUELA
PRIMARIA”
OBJETIVO GENERAL
Instalar y poner en marcha planta de emergencia generadora de corriente alterna
trifásica de 80 KW a gas LP, con accionamiento manual y automático.
OBJETIVOS PARTICULARES
Implementar planta automática de emergencia generadora de CA trifásica de 80 KW a
gas LP para respaldar la carga total de una escuela primaria, a través de un Panel de
control H100 y Tablero de transferencia HTS. El sistema se comportara como
emergencia.
Gestión y monitoreo del equipo en sitio a través del Genlink.
Explicar características y funcionamiento en general de la planta de emergencia.
Instalación y puesta en marcha del equipo.
Dar a conocer las ventajas que nos ofrece el sistema (costo-beneficio).
6
JUSTIFICACION
La eficiencia en el uso de la energía eléctrica involucra a los estados, empresas y
personas por igual. El uso eficiente de las reservas de energía existentes es cada vez más
importante para los diversos negocios. Hacer la energía eficiente es una tarea altamente
responsable, no sólo por el hecho del ahorro en sí, sino para acceder al mercado
globalizado con mayores oportunidades de competitividad. En este caso, la escuela
primaria depende mucho de la energía, desde las necesidades diarias como la
calefacción, el aire acondicionado, suministro de agua y luminarias, a las más esenciales
como aparatos de video, aparatos de audio, instrumentos musicales electrónicos,
computadoras, servidores, sistemas de seguridad, etc. En la actualidad, los cortes del
suministro de electricidad ocurren más frecuentemente y duran más con efectos
devastadores. Al igual la pérdida potencial de ingresos que enfrenta el colegio como
resultado de un corte de energía puede ser significativa. Por lo tanto, nuestra planta
automática de emergencia protege al colegio de dichos cortes de energía y permite que
las actividades continúen sin interrupciones.
Estos equipos generadores tienen una amplia variedad de opciones, configuraciones y
disposiciones que permiten cumplir con las necesidades de energía de reserva en casi
todas las aplicaciones. La especialidad es que nuestro equipo versátil se pueda
personalizar aún más para estar seguros de poder satisfacer hasta las necesidades menos
comunes en forma eficiente y a bajo costo. Un funcionamiento confiable probado con
prototipos. Los recursos ilimitados de combustible continuo de gas licuado de petróleo
(LP) en el lugar proporcionan funcionamiento más parejo y silencioso, mas barato,
menos emisiones de gases, lo cual contamina menos. Además de que cuenta con un
gabinete que reduce significativamente aun más las emisiones de ruido. Un motor
industrial que puede recibir servicio fácilmente por técnicos capacitados en motores. El
equipo realiza una prueba de autodiagnóstico semanal para comprobar y garantizar el
buen funcionamiento. La regulación de voltaje compensado con frecuencias de estado
sólido permite una salida más pareja de energía. Optimiza la respuesta rápida a los
cambios de las condiciones de la carga y la capacidad máxima de arranque del motor
para el acoplamiento electrónico del par-motor a través de un gobernador electrónico.
Tablero de transferencia HTS diseñado para ser utilizado con el controlador del
generador H-100. Tiene un Sistema de control fortalecido con software de monitoreo
remoto Genlink, con el cual el HTS puede controlarse remotamente desde una PC. El
control digital es el más avanzado tecnológicamente de la industria, diseñado desde el
inicio para mayor confiabilidad, integra el control del equipo generador, el gobernador y
el regulador de voltaje en un microprocesador digital único de 32 bits. El H-100
proporciona el control simultáneo de los parámetros claves e incluye las
comunicaciones y las entradas/salidas configurables por el usuario. Puertos remotos
RS232 y RS485. Cuatro salidas de relevadores configurables por el usuario. Y otras
opciones (12 entradas, 12 salidas, módem).
Por lo mencionado, el generador de 80 KW a gas LP es más que funcional para nuestra
aplicación, así como también garantiza un óptimo funcionamiento para que jamás se
vuelvan a preocupar por los cortes de energía.
7
INTRODUCCION
Las plantas de emergencia han sido utilizadas comúnmente cuando hay déficit en la
generación de energía eléctrica de algún lugar, o cuando hay corte en el suministro
eléctrico y es necesario mantener la actividad, como es en el caso de lugares de
concurrencia pública, escuelas, hospitales, fábricas, que, a falta de energía eléctrica de
red, necesiten de otra fuente de energía alterna para abastecerse en caso de emergencia.
En el mercado, existen muchos de estos equipos de emergencia. En esta tesis expondré
el equipo de emergencia que consta de un mecanismo motor-generador que se alimenta
a gas LP y que tiene una salida de voltaje trifásico de 220 V a 60 Hz, el cual se
implementara a una escuela primaria para respaldar todas las cargas de sus
instalaciones.
En el primer capitulo, daré una introducción teórica de las plantas de emergencia en
general. Leyes, principio de funcionamiento, características primordiales que debemos
considerar de las plantas de emergencia, tipos de plantas a gas LP que existen en el
mercado; y se explica el funcionamiento general del generador y motor de combustión
interna que son los mecanismos principales del sistema.
En el capitulo 2, se plantea lo que requiere el cliente de acuerdo a lo que tiene y
necesita, se ofrece la solución a este requerimiento, que es la implementación de una
planta automática de emergencia de 80 KW a gas LP, trifásica; explicando cada una de
las partes que la conforman, funciones y operación del equipo.
En el capitulo 3 se tiene la memoria técnica de la planta de emergencia, esto es, el
levantamiento técnico del proyecto, que consta de los requerimientos y cálculos
necesarios para la instalación eléctrica y la instalación del suministro de combustible
(gas LP) que se llevara a cabo.
Para finalizar, en el capitulo 4 se detalla el desarrollo la instalación eléctrica, suministro
de gas LP para la planta y la puesta en marcha del equipo.
Culmino con el costo-beneficio del proyecto en el capitulo 5, el cual nos deja en claro la
innovación del equipo, en lo que se refiere al costo y los beneficios que nos brinda el
equipo y que reflejara la satisfacción del cliente al haber elegido este equipo para
solucionar su problema de energía.
8
“PLANTAS DE EMERGENCIA DE CA”
9
1.1 MAGNETISMO
El magnetismo se define como una propiedad peculiar poseída por ciertos materiales
mediante el cual se pueden repeler o atraer mutuamente con naturalidad. Cada electrón
crea un campo magnético débil, los que al juntarse con otros crean un campo magnético
intenso. Además el magnetismo puede ser usado para producir electricidad, al igual que
la electricidad puede producir magnetismo. Debido a su relación, el estudio de uno debe
incluir el estudio del otro. El magnetismo es en realidad una fuerza que no se puede ver
aunque se pueden observar sus efectos en otros materiales. Las líneas de fuerza
magnética llamado flujo, fluye en un lazo cerrado del polo norte al polo sur del
magneto. La forma de las líneas del flujo definen los patrones los cuales varían en
densidad de acuerdo a la fuerza del magneto. Ver figura 1.1. Las líneas de flujo jamás
cruzan entre si. El área que rodea al magneto en el cual se pueden sentir las líneas del
flujo magnético es llamado campo magnético.
FIGURA 1.1. REPRESENTACIÓN DE UN MAGNETO Y SUS LÍNEAS DE FUERZA
1.1.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos
magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este
fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. James
Clerk Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la
electricidad y el magnetismo.
El descubrimiento, debido a Hans Christian Oersted, de que una corriente eléctrica
produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y
multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la
electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa
de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Fue Faraday el primero
en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno.
A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday
las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar
campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denominó inducción
electromagnética.
LINEAS DE FUERZA MAGNETICA
10
1.1.3 LAS EXPERIENCIAS DE FARADAY
Las experiencias que llevaron a Faraday al descubrimiento de la inducción
electromagnética las agrupo en dos categorías: Con corrientes y con imanes.
En el primer experimento con corrientes, enrolló un alambre conductor alrededor de un
núcleo cilíndrico de madera y conectó sus extremos a un galvanómetro G, ésta es la
bobina B de la figura 1.2. En seguida enrolló otro alambre conductor encima de la
bobina anterior. Los extremos de la segunda bobina A los conectó a una batería. La
argumentación de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la batería,
empieza a circular una corriente eléctrica a lo largo de la bobina A. De los resultados de
Oersted y Ampère, se sabe que esta corriente genera un efecto magnético a su alrededor
(como se muestra en la figura 1.3).
FIGURA 1.2. ESQUEMA DEL EXPERIMENTO DE FARADAY CON QUE DESCUBRIÓ
LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.
Este efecto magnético cruza la bobina B, y si el magnetismo produce electricidad,
entonces por la bobina B debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería
poder detectarse por medio del galvanómetro. Sus experimentos demostraron que la
aguja del galvanómetro no se movía, lo cual indicaba que por la bobina B no pasaba
ninguna corriente eléctrica.
FIGURA 1.3. CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DEL CONDUCTOR
Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batería
ocurría una pequeña desviación de la aguja de galvanómetro. También se percató de
que en el momento en que desconectaba la batería, la aguja del galvanómetro se
desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en
un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si
hay corriente en la bobina B.
LINEAS DE FUERZA
MAGNETICA
CONDUCTOR
CORRIENTE
11
Siguiendo esta idea, Faraday descubrió que efectivamente se producen corrientes
eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si éste es constante no hay ninguna
producción de electricidad por magnetismo. Al conectar el interruptor en el circuito de
la bobina A de la figura 1.2, el valor de la corriente eléctrica que circula por él cambia
de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magnético que produce esta
corriente a su alrededor también cambia de cero a un valor distinto de cero. De la
misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente en el circuito cambia de un
valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magnético.
Por otro lado, cuanto está circulando una corriente con el mismo valor todo el tiempo,
hecho que ocurre cuando la batería está ya conectada, el efecto magnético que produce
la bobina también es constante y no cambia con el tiempo. Recordemos que la
intensidad del efecto magnético producido por una corriente eléctrica depende del valor
de la corriente: mientras mayor sea este valor mayor será la intensidad del efecto
magnético producido. Faraday realizó diferentes experimentos en los cuales el efecto
magnético que producía y atravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una
corriente eléctrica en esta bobina.
En el segundo grupo de experiencias Faraday utilizó un imán recto y una bobina
conectada a un galvanómetro. Al introducir bruscamente el imán en la bobina observó
una desviación en la aguja, desviación que desaparecía si el imán permanecía inmóvil
en el interior de la bobina. Cuando el imán era retirado, la aguja del galvanómetro se
desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. Cuando repetía todo el proceso
completo, la aguja oscilaba de un lado a otro y su desplazamiento era mayor cuanto era
más rápido el movimiento del imán al entrar y salir en el interior de la bobina. Lo
mismo sucedía cuando mantenía quieto el imán y movía la bobina sobre él.
La representación del campo magnético en forma de líneas de fuerza permitió a
Faraday encontrar una explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. Para que se
produjera una corriente inducida en la bobina, era necesario que las líneas de fuerza
producidas por el imán fueran cortadas por el hilo conductor de la bobina como
consecuencia del movimiento de uno u otro cuerpo. En el primer grupo de experiencias,
las líneas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila,
producían el mismo tipo de efectos. La inducción electromagnética constituye una
pieza destacada en el sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que
se conoce con el nombre de electromagnetismo.
Como se observa en la figura 1.3, el electromagnetismo se refiere a que todos los
conductores eléctricos que llevan una corriente, están rodeados por un campo
magnético, que está a 90° del conductor. Cuando la corriente que fluye en el conductor
se incrementa, el número de líneas de flujo se incrementa proporcionalmente. Así la
fuerza del campo magnético se incrementa cuando el flujo de corriente se incrementa.
El campo magnético se distribuye a lo largo del conductor.
12
1.1.4 FLUJO MAGNETICO
La representación de la influencia magnética de un imán o de una corriente eléctrica en
el espacio que les rodea mediante líneas de fuerza fue ideada también por Faraday y
aplicada en la interpretación de la mayor parte de sus experimentos sobre
electromagnetismo.
Dado que la intensidad del campo magnético B disminuye con la distancia a los polos,
parece razonable relacionar ambos hechos y establecer por convenio una
proporcionalidad directa entre la intensidad del campo B y la cantidad de líneas de
fuerza que atraviesan una superficie. Ver figura 1.4. Cuanto más apretadas están las
líneas en una región, más intenso es el campo en dicha región. El número de líneas de
fuerza del campo B que atraviesa una superficie depende de cómo esté orientada tal
superficie con respectó a la dirección de dichas líneas. Así, para un conjunto de líneas
de fuerza dado, el número de puntos de intersección o de corte con la superficie será
máximo para una orientación perpendicular y nulo para una orientación paralela. El
número de líneas de fuerza del campo B que atraviesa perpendicularmente una
superficie constituye entonces una forma de expresar el valor de la intensidad de dicho
campo.
Se define el flujo (Φ) del campo magnético B a través de una superficie S como el
número total de líneas de fuerza que atraviesan tal superficie. En términos matemáticos,
para un campo magnético constante y una superficie plana de área S, el flujo magnético
se expresa como:
)1.1(cosBS
Siendo φ el ángulo que forman las líneas de fuerza (vector B) con la perpendicular a la
superficie. Dicha ecuación recoge, mediante el cos φ, el hecho de que el flujo varíe con
la orientación de la superficie respecto del campo B y también que su valor dependa del
área S de la superficie atravesada.
Para φ=0° (intersección perpendicular):
BS
Para φ=90° (intersección paralela):
0
FIGURA 1.4 A TRAVÉS DE UNA SUPERFICIE (S) HAY UN FLUJO MAGNÉTICO
B
S
13
La idea de flujo se corresponde entonces con la cantidad de campo magnético que
atraviesa una superficie determinada. En el Sistema Internacional se expresa en wéber
(Wb). Un wéber es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira
produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en 1
segundo por crecimiento uniforme.
1.1.5 LEY DE FARADAY – HENRY
Independientemente de Faraday, Joseph Henry, había observado que un campo
magnético variable produce en un circuito próximo una corriente eléctrica. Los
resultados concordantes de las experiencias de ambos físicos pueden resumirse en un
enunciado que se conoce como ley de Faraday-Henry: “La fuerza electromotriz
inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo magnético
que lo atraviesa”. En forma matemática:
)2.1(t
Siendo ε la fuerza electromotriz inducida y ΔΦ la variación de flujo magnético que se
produce en el intervalo de tiempo Δt. De acuerdo con esta ecuación, la magnitud de la
FEM inducida coincide con lo que varía el flujo magnético por unidad de tiempo. La
presencia de la fuerza electromotriz ε en la ley de Faraday-Henry en lugar de la
intensidad de corriente, resalta una característica de la inducción a saber, su capacidad
para sustituir a un generador, es decir, para producir los mismos efectos que éste en un
circuito eléctrico.
Por su parte, el signo negativo recoge el hecho, observado experimentalmente por
Faraday y Henry, de que aumentos (ΔΦ>0) y disminuciones (ΔΦ<0) de flujo magnético
producen corrientes inducidas de sentidos opuestos.
Cuando la ley de Faraday-Henry se aplica a una bobina formada por N espiras iguales
toma la forma:
)3.1(t
N
Siendo ΔΦ/Δt la variación del flujo magnético por unidad de tiempo para una sola
espira en la bobina.
14
1.1.6 EL SENTIDO DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS
Aunque la ley de Faraday-Henry, a través de su signo negativo, establece una
diferencia entre las corrientes inducidas por un aumento del flujo magnético y las que
resultan de una disminución de dicha magnitud, no explica este fenómeno. Lenz, un
físico alemán que investigó el electromagnetismo en Rusia al mismo tiempo que
Faraday y Henry, propuso la siguiente explicación del sentido de circulación de las
corrientes inducidas que se conoce como ley de Lenz: Las corrientes que se inducen en
un circuito se producen en un sentido tal que con sus efectos magnéticos tienden a
oponerse a la causa que las originó. Así, cuando el polo norte de un imán se aproxima a
una espira, la corriente inducida circulará en un sentido tal que la cara enfrentada al
polo norte del imán sea también norte, con lo que ejercerá una acción magnética
repulsiva sobre el imán, la cual es preciso vencer para que se siga manteniendo el
fenómeno de la inducción. Inversamente, si el polo norte del imán se aleja de la espira,
la corriente inducida ha de ser tal que genere un polo sur que se oponga a la separación
de ambos.
Sólo manteniendo el movimiento relativo entre espira e imán persistirán las corrientes
inducidas (I), de modo que si se detiene el proceso de acercamiento o de separación
cesarían aquéllas y, por tanto, la fuerza magnética entre el imán y la espira
desaparecería (figura 1.5).
FIGURA 1.5. GENERACIÓN DE FLUJO MAGNÉTICO Y GENERACIÓN DE F.E.M.
La ley de Lenz, que explica el sentido de las corrientes inducidas, puede ser a su vez
explicada por un principio más general, el principio de la conservación de la energía. El
cual establece que la producción de una corriente eléctrica requiere un consumo de
energía y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone la
realización de un trabajo.
En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizado en contra de las
fuerzas magnéticas que aparecen entre espira e imán el que suministra la energía
necesaria para mantener la corriente inducida. Si no hay desplazamiento, el trabajo es
nulo, no se transfiere energía al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer.
Análogamente, si éstas no se opusieran a la acción magnética del imán, no habría
trabajo exterior, ni energía generada.
CAMPO
MAGNETICO
BOBINA
LAMPARA IMAN
FEM
15
1.1.7 CORRIENTES INDUCIDAS
La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el
tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus
polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa muchas veces por
segundo. La ley de Faraday-Henry establece que se induce una fuerza electromotriz ε
(FEM) en un circuito eléctrico siempre que varíe el flujo magnético Φ que lo atraviesa
(figura 1.5). Pero de acuerdo con la definición de flujo magnético (ecuación 1.1), éste
puede variar porque varíe el área S limitada por el conductor, porque varíe la intensidad
del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada por el ángulo φ.
En las primeras experiencias de Faraday las corrientes inducidas se conseguían
variando el campo magnético B; no obstante, es posible provocar el fenómeno de la
inducción sin desplazar el imán ni modificar la corriente que pasa por la bobina,
haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo magnético debido a un imán. En
tal caso, el flujo magnético varía porque varía el ángulo φ. Utilizando el tipo de
razonamiento de Faraday, podría decirse que la bobina al rotar, corta las líneas de
fuerza del campo magnético del imán y ello da lugar a la corriente inducida.
En una bobina de una sola espira, la fuerza electromotriz que se induce durante un
cuarto de vuelta al girar la bobina desde la posición paralela (φ=90°) a la posición
perpendicular (φ=0°) puede calcularse a partir de la ley de Faraday-Henry.
Combinando las ecuaciones 1.1 y 1.2:
)4.1(t
BS
t
Si se hace rotar la espira uniformemente alrededor del eje LL (figura 1.6), ese
movimiento de rotación periódico da lugar a una variación también periódica del flujo
magnético, o en otros términos, la cantidad de líneas de fuerza que es cortada por la
espira en cada segundo toma valores iguales a intervalos iguales de tiempo. La FEM
inducida en la espira varía entonces periódicamente con la orientación y con el tiempo,
pasando de ser positiva a ser negativa, y viceversa, de una forma alternativa. Se ha
generado una FEM alterna cuya representación gráfica, en función del tiempo, tiene la
forma de una línea sinusoidal.
FIGURA 1.6. SE PUEDE LOGRAR QUE EL FLUJO A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE
CAMBIE CON EL TIEMPO, HACIÉNDOLA GIRAR ALREDEDOR DEL EJE LL.
16
1.1.8 LA FUERZA ELECTROMOTRIZ SINUSOIDAL
La ley de Faraday expresada en la forma de ε = - ΔΦ/Δt representa, en sentido estricto,
la FEM media que se induce en el intervalo t. Si dicho intervalo se reduce a un instante,
la expresión anterior se convierte en:
)5.1(dt
d
Si la espira gira con una velocidad angular ω constante, el ángulo φ variará con t en la
forma φ=ωt, como en un movimiento circular uniforme. La expresión del flujo en
función del tiempo (formula 1.1) puede escribirse entonces como:
)6.1(coscos tBSBS
Y el cálculo de la FEM instantánea, se reduce entonces a un ejercicio de derivación de
la función coseno, pues BS es una cantidad constante:
)7.1()(cos)cos(
dt
tdBS
dt
tBSd
Teniendo en cuenta que la derivada: tsendt
td
cos
Resulta finalmente:
)8.1()( 0 tsentsenBStsenBS
Siendo ε 0 = wBS el valor máximo de la FEM sinusoidal inducida en la espira. Si se
tratara de una bobina con N espiras se obtendría para ε 0, siguiendo un procedimiento
análogo, el valor ε 0 = N B S ω.
La fuerza electromotriz inducida varía con el tiempo, tomando valores positivos y
negativos de un modo alternativo, como lo hace la función seno. Su valor máximo
depende de la intensidad del campo magnético del imán, de la superficie de las espiras,
del número de ellas y de la velocidad con la que rote la bobina dentro del campo
magnético. Al aplicarla a un circuito eléctrico daría lugar a una corriente alterna.
Posteriormente se pudo determinar el sentido de movimiento del campo magnético con
la ayuda de brújulas o de la regla de la mano derecha.
17
1.2 POTENCIA
La potencia eléctrica (P) es la tasa de producción o consumo de energía, como la
potencia de un generador o la potencia disipada en una lámpara. La energía se expresa
en joules (J) y la potencia se mide en watts (W), con frecuencia en kilowatts (kW).
1.2.1 TIPOS DE POTENCIA
Del mayor o menor retraso o adelanto que provoque un equipo eléctrico cualquiera en la
corriente que fluye por un circuito, en relación con el voltaje, así será el factor de
potencia que tenga dicho equipo.
En un circuito eléctrico de corriente alterna se pueden llegar a encontrar tres tipos de
potencia eléctrica diferentes:
Potencia activa
Potencia reactiva
Potencia aparente
1.2.1.1 POTENCIA ACTIVA O RESISTIVA (P)
Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente
alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá
que proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se
representa por medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W).
La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctrico
cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente alterna
es la siguiente:
)9.1(CosIVP
De donde:
P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W).
V = Tensión que se le aplica al circuito en volts (V).
I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en amperes (A).
Cos φ= Valor del factor de potencia.
La representación matemática de la potencia activa en un sistema trifásico equilibrado
está dada por la ecuación:
)10.1(3 CosIVP
Lo único que cambia es el factor: 3 que es el factor de un sistema trifásico.
En los dispositivos que poseen solamente carga resistiva, el factor de potencia es
siempre igual a 1, mientras que en los que poseen carga inductiva ese valor será siempre
menor a 1.
18
1.2.1.2 POTENCIA REACTIVA O INDUCTIVA (Q)
Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas
cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier otro
dispositivo similar que posea bobinas o embobinados. Esos dispositivos no sólo
consumen la potencia activa que suministra la fuente de FEM, sino también potencia
reactiva.
La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los
dispositivos que poseen embobinados de alambre de cobre, requieren ese tipo de
potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de
medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).
La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la
siguiente:
)11.1(22 PSQ
De donde:
Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR).
S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).
P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en watt (W).
1.2.1.3 POTENCIA APARENTE O TOTAL (S)
La potencia aparente (S), llamada también potencia total, es el resultado de la suma
geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente
suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin
ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas
conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P). La potencia aparente se
representa con la letra S y su unidad de medida es el volt-ampere (VA). La fórmula
matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la siguiente:
)12.1(IVS
De donde:
S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt (V).
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en amperes (A).
La potencia activa, por ejemplo, es la que proporciona realmente el eje de un motor
eléctrico cuando le está transmitiendo su fuerza a otro dispositivo mecánico para hacerlo
funcionar.
19
1.3 FACTOR DE POTENCIA
El llamado triángulo de potencia es la mejor forma de ver y comprender de forma
gráfica qué es el factor de potencia y su estrecha relación con los tipos de potencia
presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.
FIGURA 1.7. TRIANGULO DE POTENCIA
Como se podrá observar en el triángulo de la figura 1.7, el factor de potencia representa
el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y la
potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la
potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico
de corriente alterna. Esta relación se puede representar también, de forma matemática,
por medio de la siguiente fórmula:
)13.1(S
PCospotenciadefactor
El resultado de esta operación será 1 o un número fraccionario menor que 1 en
dependencia del factor de potencia que le corresponde a cada equipo o dispositivo en
específico. Ese número responde al valor de la función trigonométrica coseno,
equivalente a los grados del ángulo que se forma entre las potencias (P) y (S).
Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un decimal
menor que 1, dicho número representará el factor de potencia correspondiente al
desfasamiento en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica y el
voltaje en el circuito de corriente alterna. Lo ideal sería que el resultado fuera siempre
igual a 1, pues así habría una mejor optimización y aprovechamiento del consumo de
energía eléctrica, o sea, habría menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor
eficiencia de trabajo en los generadores que producen esa energía.
En los circuitos de resistencia activa, el factor de potencia siempre es 1, porque en ese
caso no existe desfasamiento entre la intensidad de la corriente y el voltaje. Pero en los
circuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la
mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de embobinado o
bobina, el valor del factor de potencia se muestra con una fracción decimal menor que
1, lo que indica el retraso o desfasamiento que produce la carga inductiva en la
sinusoidal correspondiente a la intensidad de la corriente con respecto a la sinusoidal del
voltaje.
POTENCIA ACTIVA
P (KW)
POTENCIA APARENTE
S (KVA)
POTENCIA REACTIVA
Q (KVAR) COS φ
20
Por tanto, un motor de corriente alterna con un factor de potencia o Cos φ=0.95, por
ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos φ=0.85. El dato del factor
de potencia de cada generador es un valor fijo, que aparece generalmente indicado en
una placa metálica pegada a su cuerpo o carcasa, donde se muestran también otros datos
de interés, como su voltaje de trabajo en volt (V), intensidad de la corriente de trabajo
en ampere (A) y su capacidad de energía eléctrica en watt (W) o kilowatt (kW).
Ya vimos anteriormente que la potencia de un generador eléctrico o de cualquier otro
dispositivo que contenga bobinas o embobinados se puede calcular empleando la
fórmula matemática (1.9).
Por otra parte, como el valor de (P) viene dado en watt, sustituyendo (P) en la fórmula
(1.12) podemos decir también que:
WP
Por tanto:
)14.1(CosIVW
De donde:
W = Potencia de consumo del dispositivo o equipo en watt y Cos φ= Factor de potencia
que aparece señalado en la placa del dispositivo o equipo.
Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo o equipo, su voltaje de trabajo y su
factor de potencia, y quisiéramos hallar cuántos amperes (A) de corriente fluyen por el
circuito (por ejemplo, en un generador), despejando (I) en la fórmula (1.16) tendremos:
)15.1(CosV
WI
Cuando en la red de suministro eléctrico de una industria existen muchos generadores,
motores y transformadores funcionando, y se quiere mejorar el factor de potencia, se
emplean bancos de capacitores dentro de la propia industria, conectados directamente a
la red principal. En algunas empresas grandes se pueden encontrar también motores de
corriente alterna del tipo sincrónicos funcionando al vacío, es decir, sin carga, para
mejorar también el factor de potencia. De esa forma los capacitores, al actuar sobre la
sinusoidal de la corriente, produce el efecto contrario al de la inductancia, impidiendo
que la corriente se atrase mucho en relación con el voltaje. Así se tratará de que las
sinusoidales se pongan en fase y que el valor del factor de potencia se aproxime lo más
posible a 1.
21
1.4 PLANTA DE EMERGENCIA DE CA
Una planta de emergencia de CA es un equipo generador de corriente alterna, mejor
conocido como maquina rotatoria sincrona. Dicho equipo consta principalmente de un
acoplamiento motor-generador, en el cual la flecha de un motor de combustión interna
se conecta al rotor del generador a través de unos discos flexibles. La planta de
emergencia nos entregara un voltaje que depende de la conexión del estator del
generador. Operara a una cierta frecuencia que depende del número de polos que consta
el rotor del generador y de la velocidad que gira el motor.
El equipo opera en base a la ley de Faraday. Incrementando la fuerza del campo
magnético, el voltaje se aumenta, sin alterar físicamente el generador o la frecuencia.
Un regulador de voltaje será el componente responsable de variar dicho campo, el cual
se alimentara a través de una excitación. Para la generación de energía, las plantas de
emergencia requieren principalmente de un campo magnético, un conductor y un
movimiento relativo.
El campo magnético es el rotor del generador. El conductor es el estator del generador y
el movimiento relativo es el motor que hace girar el rotor. El campo de excitación es la
alimentación al regulador de voltaje. El regulador de voltaje regula la salida del
generador, variando el voltaje de corriente directa aplicado al rotor, logrando así, variar
el campo magnético. Las plantas cuentan con su sistema de control. En la figura 1.8 se
muestra el diagrama de operación de una planta de CA.
FIGURA 1.8. DIAGRAMA DE OPERACIÓN DE UNA PLANTA DE CA
Cabe mencionar que en el diagrama se muestra un estator con dos embobinados de
potencia, lo que nos dice que el generador es bifásico (2 líneas y un neutro). Para un
sistema trifásico, se requiere de un estator con tres embobinados de potencia (3 líneas y
un neutro).
Bobina de
excitación de
estator
ROTOR MOTOR
Bobina de
potencia de
estator
Bobina de
potencia de
estator
REGULADOR
DE
VOLTAJE
SENSADO
Señal del circuito de
arranque de campo que
proviene del control
Para la tarjeta del
circuito de control
CAMPO
MAGNETICO
CAMPO
MAGNETICO
BE
BP
BE=BREAKER DE EXCITACION
BP=BREAKER PRINCIPAL
CARGA
22
Las plantas de CA cuentan con un panel de control, regulador de voltaje automático, un
gobernador, protecciones para el motor, protecciones para el generador y un tablero de
transferencia para su funcionamiento automatizado. Todos los dispositivos se detallaran
mas adelante.
Se necesita considerar la carga de transición, el arranque del motor y la respuesta de
falla de un generador para un buen diseño del equipo. Además tener el conocimiento de
las normas que debe cumplir el equipo, que son la NFPA y UL.
Me enfocare solo a las plantas de emergencia a gas LP, que es la versión más reciente e
innovadora en el mercado y de la cual tratara esta tesis.
1.4.1 CARACTERISTICAS PRIMORDIALES DE LAS PLANTAS DE
EMERGENCIA
1.4.1.1 CARGA DE TRANSICIÓN
Una planta de emergencia de CA es una fuente limitada de potencia en términos de
potencia del motor (kW) y volts-amperes de generador (kVA), sin importar el sistema
de excitación. Debido a esto, los cambios de carga causarán excursiones de transición
en el voltaje y la frecuencia. La magnitud y duración de estas excursiones son afectadas
principalmente por las características de la carga y el tamaño del generador relativo a la
carga. Un generador es una fuente relativamente alta de impedancia cuando se
compara con un transformador de red pública.
Un perfil típico de voltaje en una aplicación y remoción de carga se muestra en la
figura 1.9. El voltaje estable sin carga se regula al 100 % del voltaje de rango. Cuando
se aplica una carga el voltaje cae inmediatamente.
El regulador de voltaje siente la caída de voltaje y responde incrementando el campo
de corriente para recuperar el voltaje de rango. El tiempo de recuperación de voltaje es
la duración entre la aplicación de la carga y el regreso del voltaje al rango de
regulación (mostrado como +/-2 %). Típicamente la caída inicial de voltaje va desde 15
a 45 % del voltaje nominal cuando 100 % de la carga de rango de la planta de
emergencia (0.8 de factor de potencia) se conecta en un paso. La recuperación a nivel
de voltaje nominal sucederá en 1-10 segundos dependiendo de la naturaleza de la carga
y el diseño de la planta.
La diferencia más significativa entre una planta de emergencia de CA y una red
pública, es que cuando una carga se aplica repentinamente a la red típicamente no hay
variación de frecuencia. Cuando las cargas se aplican a una planta de CA, las RPM del
motor (frecuencia) caen. La máquina debe sentir el cambio de velocidad y reajustar su
rango de combustible para su nuevo nivel de carga. Hasta que un nuevo rango de carga y
combustible se igualen, la frecuencia será diferente a la nominal.
Típicamente, la caída de frecuencia va de 5 a 15 % de la frecuencia nominal cuando
una carga de 100 % se agrega en un paso. La recuperación podría tomar algunos
segundos.
23
FIGURA 1.9. PERFIL TIPICO DE VOLTAJE EN APLICACIÓN Y REMOCION DE CARGA
Cabe mencionar que no todas las plantas de emergencia de CA pueden aceptar una
carga en bloque de 100 % en un paso. El desempeño varía entre plantas debido a
diferencias en las características de regulador de voltaje, respuesta del gobernador,
diseño del sistema de combustible, aspiración del motor y a cómo están acoplados el
motor y generador. Una meta importante en el diseño de las plantas de luz es limitar la
excursión de voltaje y frecuencia a niveles aceptables.
1.4.1.2 RESPUESTA DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN
La corriente de campo no se puede cambiar instantáneamente en respuesta al cambio
de carga. El regulador, el campo excitador y el campo principal tienen constantes de
tiempo que tienen que sumarse.
El regulador de voltaje tiene una respuesta relativamente rápida mientras que el campo
principal tiene una respuesta significativamente más lenta que el campo excitador
porque es muchas veces más grande. Debe hacerse notar que la respuesta de un
sistema auto-excitado será aproximadamente la misma que aquella de un sistema
excitado separadamente, porque las constantes de tiempo para los campos principales y
de excitación son los factores significativos en este aspecto, y son comunes a los dos
sistemas.
El forzamiento de campo está diseñado en consideración de todos los componentes de
sistemas de excitación para optimizar el tiempo de recuperación. Y debe ser suficiente
para minimizar el tiempo de recuperación, pero no tanto para llevar a la inestabilidad o
para sobre pasar al motor (el cual es una fuente limitada de potencia). Ver Figura 1.10.
Caída de voltaje de transición
Voltaje estable
sin carga
Voltaje mínimo de
Pico a Pico Voltaje estable con carga
Aplicación de carga
Onda sinusoidal de
voltaje
Disparo de voltaje de
transición
Rango de regulación de
voltaje ±2%
Remoción de carga
Tiempo
Tiempo de recuperación
de voltaje
(Carga aplicada)
Tiempo de recuperación
de voltaje
(Carga removida)
24
FIGURA 1.10. CARACTERISTICAS DE RESPUESTA DE LOS SISTEMAS DE EXCITACION
1.4.1.3 RESPUESTA DE ARRANQUE DE MOTOR
Cuando se arrancan motores, ocurre una caída de voltaje de arranque que consiste
principalmente de una caída instantánea de voltaje, más una caída de voltaje como
resultado de la respuesta del sistema de excitación. La figura 1.11 ilustra estos dos
componentes que juntos representan la caída de voltaje de transición. La caída
instantánea de voltaje es simplemente el producto de corriente de rotor bloqueado de
motor y la reactancia sub-transición del generador. Esto ocurre antes de que el sistema
de excitación pueda responder incrementando la corriente de campo y por lo tanto no es
afectado por el tipo de sistema de excitación. Esta caída de voltaje inicial puede ser
seguida de mayor caída causada por la función de “acoplamiento de torque” del
regulador de voltaje, la cual reduce el voltaje para descargar al motor si siente una
desaceleración significativa en el motor. Una planta de emergencia debe estar
diseñada para optimizar el tiempo de recuperación y al mismo tiempo evitar la
inestabilidad del motor.
FIGURA 1.11. CAIDA DE VOLTAJE DE TRANSICION
Corriente de
campo sin carga
Corriente de
campo carga
completa
Respuesta característica con forzado de
campo amortiguado (tiempo de
recuperación T1)
Respuesta característica
con forzado de campo
Respuesta característica
con forzado de campo
amortiguado (tiempo de
recuperación T2) T1
T2
Tiempo
Corriente de
campo
Caída de voltaje de
arranque Caída instantánea de voltaje
(IMSxX”d)
TIEMPO (SEGUNDOS) Reducción de voltaje causada por la función
de acoplamiento de torque del regulador Voltaje si KVA de motor se mantiene y la
excitación no cambia
% DEL
VOLTAJE DE
RANGO DE
GENERADOR
REACTANCIAS DEL SISTEMA AL ARRANCAR UN MOTOR
IMS - corriente de arranque instantáneo EAC – voltaje del
generador
X”d - reactancia de
subtransicion de generador
XMS - reactancia del motor
con rotor bloqueado
25
1.4.1.4 KVA DE ROTOR BLOQUEADO
La corriente de arranque de motor (rotor bloqueado) es aproximadamente 6 veces la
corriente de rango y no disminuye significativamente hasta que el motor casi alcanza su
velocidad de rango como se muestra en la figura 1.12. Esta gran corriente de entrada
causa caída en el voltaje del generador. Así mismo, la potencia requerida para arrancar
el motor puede llegar hasta 3 veces la potencia de rango del motor cuando el motor
alcanza aproximadamente el 80 % de la velocidad de rango. Si el motor no tiene 3
veces la potencia de rango del motor, el regulador de voltaje reducirá la carga del
generador para descargar al motor a un nivel en que la pueda llevar. Mientras que el
torque del motor sea siempre más grande que el torque de carga durante la aceleración,
el motor podrá acelerar la carga a velocidad total. Una recuperación de 90 % del
voltaje de rango de torque del motor es generalmente aceptable porque resulta
solamente en un pequeño incremento en el tiempo de aceleración del motor.
FIGURA 1.12. CARACTERISTICAS TIPICAS DE ARRANQUE DE MOTOR CON TODA LA
LINEA (ASUME 100 % DE VOLTAJE NOMINAL EN LAS TERMINALES DEL MOTOR)
1.4.1.5 CAÍDA SOSTENIDA DE VOLTAJE
Después de la relativamente corta pero existente caída de voltaje de transición
(típicamente menos de 10 ciclos pero de hasta algunos segundos), sigue un periodo de
recuperación de voltaje como se muestra en la figura 1.13. Los máximos KVA de
arranque del motor en la hoja de especificaciones de la planta de emergencia son los
máximos KVA que puede sostener y aún recuperarse hasta el 90 % del voltaje de rango
como se muestra en la figura. Debe notarse que este es solamente el desempeño
combinado del alternador, excitador y AVR (regulador de voltaje). El desempeño de
arranque de motor de una planta de CA en particular depende del motor, gobernador y
regulador de voltaje, así como del generador.
Corriente de
motor
FP
El torque del motor debe ser más grande
que el torque de carga para acelerar la
carga a velocidad total
Torque de
motor
Torque de
carga
Reserva de
torque
Potencia
Velocidad rotatoria del motor por unidad
Corriente
Potencia
Torque por unidad
Factor de potencia
(arrastre)
26
FIGURA 1.13. CAIDA DE VOLTAJE SOSTENIDA
1.4.1.6 RESPUESTA DE FALLA
La respuesta de falla de generadores auto-excitados y excitados separadamente es
diferente. Un generador auto excitado es conocido como de “campo colapsante” porque
el campo se colapsa cuando las terminales de salida del generador se ponen en corto
(corto trifásico o corto L-L a través de las fases sensibles). Un generador excitado
separadamente puede sostener el campo de generador en un corto circuito porque la
excitación es suministrada por un generador de magneto permanente separado. La
figura 1.14 muestra la típica respuesta al corto circuito simétrico trifásico de
generadores auto-excitados y excitados separadamente.
FIGURA 1.14. RESPUESTA DE CORTO CIRCUITO TRIFASICO SIMETRICO
La corriente corto circuito inicial es nominalmente de 8 a 10 veces la corriente de
rango del generador y es una función de la reactancia sub-transición reciproca del
generador (1/X”). Para los primeros ciclos (A), prácticamente no hay diferencia en
respuesta entre los generadores auto-excitados y los separadamente excitados porque
siguen la misma curva de decremento de corriente corto circuito al disiparse la energía
de campo. Después de los primeros ciclos (B), un generador auto-excitado continuará
siguiendo la curva de decremento de corto circuito a prácticamente cero corriente. Un
generador excitado separadamente, puesto que la corriente de campo es derivada
separadamente, puede sostener 2.5 a 3 veces la corriente de rango con una falla trifásica
aplicada. Este nivel de corriente se puede mantener por aproximadamente 10 segundos
sin daño al alternador.
Caída típicas de voltaje
de transición
Caída de voltaje
sostenida 90% del
voltaje recuperado
Voltaje RMS
Inicio de corto
circuito simétrico
Generador autoexcitado
Generador excitado separadamente
3 a 4 veces el rango
de corriente
8 a 10 veces el
rango de corriente
A B
27
La figura 1.15 es otro medio de visualizar la diferencia de respuesta a una falla
trifásica. Si el generador es auto-excitado, el voltaje y la corriente se “colapsarán” a cero
cuando la corriente se incremente más allá de la rodilla de la curva. Un generador
excitado separadamente puede sostener un corto directo porque no depende del voltaje
de salida del generador para la potencia de excitación.
FIGURA 1.15. CAPACIDAD DE CORTO CIRCUITO
1.4.1.7 TEMPERATURAS DE LOS DEVANADOS DE CORTO CIRCUITO
El problema a considerar en sostener una corriente de corto circuito es que el
generador se podría dañar antes de que un breaker se dispare para liberar la falla. Las
corrientes de corto circuito pueden calentar rápidamente los devanados del estator del
generador. Por ejemplo, un corto desbalanceado L-N en un generador excitado
separadamente diseñado para sostener 3 veces la corriente de rango, resulta en una
corriente de aproximadamente 7.5 veces la corriente de rango. A ese nivel de corriente,
asumiendo una temperatura inicial de devanados de 155 °C, puede tomar menos de 5
segundos para que los devanados alcancen 300 °C, la temperatura aproximada a la cual
ocurren daños inmediatos y permanentes a los devanados. Un corto L-L toma unos
segundos mas para elevar la temperatura hasta 300 °C, y un corto trifásico balanceado
toma un poco más de tiempo. Vea la Figura 1.16.
FIGURA 1.16. TEMPERATURAS APROXIMADAS DE DEVANADOS EN CORTO CIRCUITO
Generador excitado
separadamente Generador autoexcitado
Múltiplo de corriente rango de generador
% de
voltaje de
rango
TIEMPO
TEMPERATURA
DEL ESTATOR
L-N L-L L-L-L
28
1.5 TIPOS DE PLANTAS DE EMERGENCIA
Las plantas de emergencia se dividen principalmente de acuerdo al voltaje generado:
Bifásica
Trifásica
De acuerdo al motor que utilizan se pueden clasificar: Con respecto a su alimentación
de combustible:
Gasolina
Diesel
Gas Natural y gas LP
De acuerdo al sistema de enfriamiento que utilizan:
Enfriadas por aire
Enfriadas por liquido (figura 1.17)
Por lo regular las plantas de emergencia enfriadas por aire son bifásicas y las enfriadas
por líquido son trifásicas, aunque pueden existir de los dos tipos.
FIGURA 1.17. PLANTA DE EMERGENCIA DE CA TRIFASICA, ENFRIADA POR LIQUIDO A
GAS LP
También se pueden clasificar de acuerdo a su capacidad en KW, lo que nos lleva a tres
categorías con respecto a su aplicación:
Residencial (8-20 KW).- Llamadas plantas en espera (STAND-BY). Utilizadas
para casas, residencias, departamentos, negocios pequeños.
Comercial (22-60 KW).- Utilizadas para plazas comerciales, tiendas
departamentales, estacionamientos, escuelas, hospitales, clínicas.
Industrial (80-250 KW).- Utilizadas para cualquier tipo de industria.
Alternador
29
1.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR
Partimos de la base de que si un conductor eléctrico corta las líneas de fuerza de un
campo magnético, se origina en dicho conductor una corriente eléctrica (ley de
Faraday). La generación de corriente trifásica tiene lugar en los generadores, en relación
con un movimiento giratorio. Según este principio, existen tres embobinados iguales
independientes entre sí, dispuestos de modo que se encuentran desplazados entre sí
120°. Según el principio de la inducción, al dar vueltas el motor se genera en los
embobinados, tensiones alternas sinusoidales y respectivamente corrientes alternas,
desfasadas también 120° entre sí, por lo cual quedan desfasadas igualmente en cuanto a
tiempo. De esa forma tiene lugar un ciclo que se repite constantemente, produciendo la
corriente alterna trifásica. En la figura 1.18 se muestra un generador trifásico con
inductor móvil e inducido fijo.
La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión
de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos
está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la
corriente en cada embobinado es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético
dará una vuelta completa por ciclo. Aunque las tres corrientes son de igual frecuencia e
intensidad, la suma de los valores instantáneos de las fuerzas electromotrices de las tres
fases, es en cada momento igual a cero, lo mismo que la suma de los valores
instantáneos de cada una de las fases, en cada instante.
FIGURA 1.18. SALIDA DEL GENERADOR (CORRIENTE TRIFASICA)
En la figura anterior se muestran las tres fases, ya desfasadas sobre un mismo eje a 120º.
La línea negra del grafico representa la corriente de distinta polaridad, es decir, en este
caso el negativo de la fase 1, corriente opuesta a las fases 2 y 3 que son por su
naturaleza de polaridad positiva.
La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la distribución de la
energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población, y en nuestro caso, por
parte de una planta de emergencia de CA cuando la compañía de luz falle. Nikola Tesla
probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era
usando circuitos trifásicos.
120 °
120 ° 120 ° -
+ +
I t1 t2 t3
I t1 t2 t3
t 0
Uu Uv Uw
w U
30
SISTEMA DE TENSIONES INDUCIDAS
Dominio temporal
3
4cos2)(
)16.1(3
2cos2)(
cos2)(
3
2
1
wtEte
wtEte
wtEte
Plano complejo
3
2
3
4
)17.1(3
2
0
3
2
1
EEE
EE
EE
SECUENCIA DE FASES
En la figura 1.19 se muestra la secuencia de fases de la generación del sistema trifásico
equilibrado. Es importante ya que esta secuencia determina el grupo de conexión de los
transformadores, los métodos de medida de potencia y el sentido de giro de los motores
de inducción.
120
)18.1(120
0
UU
UU
UU
T
S
R
120
)19.1(120
0
UU
UU
UU
T
S
R
Secuencia directa Secuencia inversa
FIGURA 1.19. DIAGRAMAS FASORIALES DE LA SECUENCIA DE FASES
120 °
120 °
120 °
120 °
120 °
120 °
31
CONEXIONES BASICAS
Existen 2 principales tipos de conexiones para los sistemas trifásicos: Conexión en delta
y conexión en estrella. Solo me enfocare en la conexión en estrella, ya que tanto nuestra
fuente, que es el generador, como las cargas se encuentran en dicha conexión.
FIGURA 1.20. FUENTES EN CONEXIÓN ESTRELLA
Condiciones para que la fuente trifásica sea equilibrada
0
)20.1(
TSR
TSR
gTgSgR
UUU
UUU
ZZZ
FIGURA 1.21. CARGAS EN CONEXIÓN ESTRELLA
La tensión simple o de fase es la diferencia potencial que existe en cada una de las
ramas monofásicas de un sistema trifásico.
La tensión de línea o compuesta es la diferencia de potencial que existe entre dos
conductores de línea o entre dos terminales de fase.
Intensidad de fase es la que circula por cada una de las ramas monofásicas de un sistema
trifásico.
Intensidad de línea es la que circula por cada uno de los conductores de línea.
La intensidad de fase y de línea coinciden en un sistema conectado en estrella.
Punto
neutro
de la
fuente
32
Condiciones para que la carga trifásica sea equilibrada:
)21.1(321 ZZZ
CORRIENTES DE LINEA Y DE FASE
Como mencione anteriormente, las corrientes de fase y de línea coinciden,
independientemente de la secuencia de fases del sistema.
)22.1(TSR III
TENSIONES DE FASES
De la formula 1.20 obtenemos las tensiones de fases:
TNSNRN UUU ,,
120
)23.1(120
0
UU
UU
UU
TN
SN
RN
TENSIONES DE LÍNEA
TRSTRS UUU ,,
)25.1(3
3030120
)24.1(303120120
3031200
EU
UEEUUU
UEEUUU
UEEUUU
L
TNRNTNTR
SNTNSNST
RNSNRNRS
La tensión de línea adelanta 30 ° respecto a la de fase.
33
1.7. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Nikolaus August Otto fue el primero en inventar un motor de combustión interna. Otto
desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en
versiones de cuatro y dos tiempos.
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica
directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de
una cámara de combustión, la parte principal de un motor.
Se emplean motores de combustión interna de 2 tipos principalmente:
El motor de explosión ciclo Otto (2 Y 4 tiempos). Los cuales funcionan con gas
y gasolina. Y se dice que son encendidos a chispa.
El motor diesel, inventado por Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio
diferente y suele consumir gasóleo. Se dice que son encendidos a compresión.
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de
combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante.
Una característica clave de los motores de combustión interna es que en cada ciclo se
aspira aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema en el interior del motor.
Luego los gases quemados son expulsados del sistema y se debe aspirar nueva mezcla o
aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto.
FIGURA 1.22. CICLO OTTO
En la figura 1.22 vemos un ciclo genérico de un motor de combustión interna. Existe
una presión mínima en el sistema equivalente a Pa. Desde 1 hasta 2 se realiza una
compresión, en teoría adiabática sin roce. Entre 2 y 3 se realiza la combustión, con un
aporte de calor Qabs. Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes.
Normalmente es en esta etapa donde se entrega la mayor parte del trabajo. Esta
expansión es también, en teoría, adiabática y sin roce. En 4 se arrojan los gases
quemados a la atmósfera. El ciclo es realmente abierto, pero (para efectos de análisis) se
supone que se cierra entre 4 y 1, volviéndose el estado inicial. Se introduce, por lo tanto,
el concepto de Ciclo de aire equivalente. Esto significa que suponemos que el ciclo lo
describe solo aire, al cual lo hacemos pasar por una sucesión de estados tal que se
reproduce el ciclo real. Esto implica las siguientes suposiciones y simplificaciones:
34
Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo (no varían ni
presión ni volumen, aunque en el caso real sí lo hacen por variación de
temperatura y porque en parte del ciclo se trabaja con gases quemados).
Se supone un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del sistema y
se somete a las evoluciones equivalentes.
Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la evolución
equivalente.
En forma análoga, entre 4 y 1 se supone que se enfría el aire en forma
equivalente.
Una evolución clave en este ciclo genérico es la compresión de base 1-2. En efecto, ella
es característica de cada ciclo y es (relativamente) constante. En cambio en la operación
real, la cantidad de calor Qabs puede variar en forma importante, por lo tanto también
varía la evolución 3-4. Pero la compresión de base es relativamente estable.
1.7.1 RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO
Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos
el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que
el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas
propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una
simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de
combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el
estudio del ciclo.
El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:
Evoluciones:
La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente
ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan.
La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas
como evoluciones a volumen constante.
La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen
adiabáticas sin roce. Es decir ΔQ12 = 0 y ΔQ34 =0.
Rendimiento:
)26.1(1Qabs
Qcedotto
Con los signos explícitos:
)27.1()14()23( TTCvQcedTTCvQabs
De donde:
)28.1()23(
)14(1
TT
TTotto
35
Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base:
)12/3(
)11/4(
2
11
TT
TT
T
Totto
Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce:
)31.1(1
22
1
11
VV TT
)29.1(1
33
1
44
VV TT
Dividiendo (1.32) / (1.31):
1
2
1
3
2
3
1
1
1
4
1
4
V
V
V
VT
T
T
T
Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que:
2
3
1
4
T
T
T
T
De donde:
1
2
1
1
1
2
1
1 111
2
11
VVV
Vottootto
ottoT
T
Llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que:
)30.1(1
11
a
otto
Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del ciclo conviene, en lo posible, aumentar lo
más que se pueda la compresión de base. Los límites a esta compresión pueden venir de
dos fuentes:
En el caso de que solo se comprima aire (motores Diesel, turbina a gas), la
compresión máxima queda fijada solo por razones tecnológicas.
En el caso que se comprima una mezcla aire-combustible (motor Otto), la
compresión máxima queda fijada por los límites de detonación o
autoinflamación.
36
1.7.2 DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO OTTO:
Consideramos la siguiente grafica del ciclo Otto teórico para poder describir mejor los
tiempos del motor que se llevan a cabo en el proceso de la combustión.
FIGURA 1.23. CICLO OTTO TEORICO
Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al
PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión se encuentra abierta. El pistón
realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final
de la admisión (en el PMI) se cierra la válvula de admisión. El llenado del cilindro
requiere un trabajo negativo.
Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (V de admisión y válvula de
escape), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se
comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La
compresión requiere trabajo negativo.
Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS,
se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión,
aumentando la presión de 2 a 3.
Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el
PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática.
La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo
en que se genera trabajo positivo al exterior.
Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea
y ocurre cuando se abre la válvula de escape.
Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una
carrera completa (la válvula de escape está abierta y la válvula de admisión se encuentra
cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual
el trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para
realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro
tiempos.
Vmin Vmax
37
“PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA”
38
Se solicita por parte del Colegio Simón Bolivar implementar un sistema que suministre
corriente alterna para alimentar y soportar sus cargas resistivas, inductivas y capacitivas.
Debido a los constantes cortes de energía que se les ha presentado últimamente. Dicho
sistema se utilizara solo para emergencia. Que sea capaz de manejarse manual y
automáticamente. Dicho sistema quedaría en el estacionamiento de sus instalaciones. El
sistema deberá soportar todas las cargas de sus instalaciones de la escuela primaria,
además de tener un bajo nivel de ruido, menor contaminación y ser más económico.
Se realiza un levantamiento técnico en sitio, para saber lo que se tiene y así poder darle
una solución a dicho problema.
2.1 LEVANTAMIENTO
2.1.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO
Se revisa con que tipo de alimentación y cargas cuentan. El colegio cuenta con una
alimentación trifásica y cargas trifásicas, a 220 VCA y una frecuencia de 60 Hz; por lo
que la planta de emergencia será trifásica. Existe suficiente espacio en el
estacionamiento de sus instalaciones, cuenta con suficiente ventilación. Se le
recomienda al cliente que sea a gas LP, debido a que requieren del menor ruido posible,
menor contaminación, además de que consuma menor combustible y que sea fácil de
abastecer.
Se procede a verificar cargas que se respaldaran con la planta de emergencia, con el fin
de dimensionar la planta de emergencia indicada para su aplicación. Se realizaran las
mediciones de cargas del colegio, con la ayuda de un amperímetro de gancho. Se
medirán las cargas en cada línea, primero las cargas sin motores y posteriormente con
motores (KW de arranque). Se sumaran y se obtendrá el valor de la planta de
emergencia. Cabe mencionar que se cuentan con cargas resistivas (luminarias),
inductivas (motores para bombas) y capacitivas (UPS).
A continuación se mencionan los equipos con los que cuenta el colegio y los cuales se
respaldaran:
20 Ventiladores
5 Televisión
10 Computadoras
1 Calentador eléctrico para alberca
1 Refrigerador
1 Horno de microondas
1 Sistema de seguridad (CCTV)
5 Acondicionador de aire
2 Bombas de presión para agua de 1 HP
2 Bombas de presión de 3 HP
1 UPS de 10 KVA
Iluminación total
39
Por otra parte, cuando se tienen las plantas de emergencia trabajando bajo condiciones
de operación diferentes a las especificadas en las placas de datos del mismo, como es el
factor de potencia, altura de operación sobre el nivel del mar, temperatura ambiente, se
tiene que realizar algunas correcciones en los cálculos de la potencia ya que esta se ve
afectada por los factores antes descritos, para no incurrir en errores y por lo mismo no
afectar la vida útil del equipo.
Se debe tener especial atención en la combinación de cargas con las que cuenta la
instalación ya que esto modifica el factor de potencia de operación de la carga y se
modifica automáticamente la corriente a suministrar por el equipo. Tanto la eficiencia
del equipo, factor de potencia y altura de operación sobre el nivel del mar se encuentran
en la hoja de especificaciones de la planta de emergencia (Anexo 2).
En la actualidad nos encontramos cada vez mas con cargas mas complejas, como son
los UPS’s, variadores de velocidad, cargadores de baterías, o cualquier equipo que este
compuesto por SCR’s o tiristores, estos dispositivos debido al disparo de los mismos,
generan picos transitorios de voltaje en el generador y generan así mismo un alto
contenido de armónicas en el sistema con el consiguiente daño a los componentes
electrónicos del generador, fatigas de los aislamientos del generador y de conductores,
calentamientos excesivos del conductor neutro y daños a la carga.
En caso de que a una planta se le tenga que aplicar una carga compuesta por este tipo de
equipos, se debe considerar:
Distorsión total armónica de la carga (UPS).
Impedancia del sistema (carga).
Capacidad real en KW y KVA del UPS o de las cargas no lineales.
Capacidad de crecimiento a futuro (%).
Capacidad real de los equipos de aire acondicionado o climas de precisión.
Capacidad real de los motores (bombas de agua, hidroneumáticos. calentadores).
Máxima desviación de frecuencia permitida por la carga al ser alimentada por la planta
eléctrica.
Máxima desviación de voltaje permitido por la carga al ser alimentada por la planta
eléctrica.
En caso de exceder la corriente máxima o el valor de sobrecarga permisible del equipo
se puede incurrir en daños como son:
Reducción considerable de la vida útil del motor y generador.
Reducción de la velocidad del motor provocando baja frecuencia del voltaje generado y
posible daño al generador, regulador de voltaje y la carga.
Sobrecalentamiento del generador y del motor.
Mala operación del equipo.
En la figura 2.1 se muestra la subestación y el transformador que alimentan el tablero
general, el cual se respaldara.
40
FIGURA 2.1. SUBESTACION Y TRANSFORMADOR
El transformador esta en conexión estrella a 220 VCA. El tablero general viene
integrado con un interruptor termomagnético general trifásico de 300 Amperes, que se
conecta a unas barras de cobre, las cuales alimentan a 10 interruptores termomagneticos
de distintas capacidades para alimentar sus cargas; es decir, este tablero general tiene su
distribución de cargas integrado. Ver figura 2.2.
FIGURA 2.2. TABLERO GENERAL CON DISTRIBUCION DE CARGAS
41
La apropiada instalación de la planta de emergencia será crucial para el buen
funcionamiento y rendimiento de la misma. Se deben de cumplir con todas las normas,
códigos y reglas de toda instalación de equipos generadores de luz. A continuación
mencionare algunas y las más importantes en este sistema:
NFPA (Asociación de Protección Nacional contra Incendios)
110 Standard para sistemas de potencia de emergencia
70 NEC (Código Nacional Eléctrico)
Generadores
Sistemas de emergencia
Conexión de Fuentes de potencia
Sistema de tierra
37 Instalación y uso de motores estacionarios
58 Código de gas LP
54 Código nacional de suministro de gas
UL (Laboratorios Aseguradores)
2200 Motor-Generador estacionario
1008 Tableros de transferencia automáticos
142 Almacenamiento de gas liquido
Todas deben cumplirse al 100 % para mayor seguridad y eficiencia del equipo. Los
factores más importantes para la instalación de la planta de emergencia de CA son:
Ubicación del equipo, sistema de combustible (instalación de gas) y conexión eléctrica
del equipo (instalación eléctrica).
2.1.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO
La planta fue diseñada para instalarse a la intemperie; viene integrada con una caseta
semiacustica, que aparte de que atenúa el sonido que genera la planta, también la
protege contra el medio ambiente.
La planta de emergencia deberá colocarse en un lugar con buena ventilación,
permitiendo la entrada de aire fresco y la salida de aire caliente. Por lo tanto es
primordial que la instalación de la planta este bien diseñada para el correcto desalojo de
aire caliente producto del enfriamiento de la maquina, el aire caliente deberá ser
desalojado del cuarto, aprovechando el trabajo que efectúa el motor al pasar el aire a
través del radiador y ser expulsado fuera del cuarto, ya que una falla en la descarga del
aire caliente puede provocar una recirculación dentro del mismo, ocasionando un
incremento paulatino en la temperatura ambiente con lo cual se originaria un
sobrecalentamiento y posible daño a la maquina. Se deberá proveer una entrada de aire
frío lo suficientemente grande para suministrar el aire que se requiera para el
enfriamiento de la planta, del generador y de la correcta combustión del motor. El aire
fresco para el enfriamiento no deberá ser tomado cerca de la salida de aire caliente de
enfriamiento para evitar recirculación, así como tampoco estar cerca de la salida de los
gases de escape del motor.
42
En nuestro caso, como mencione anteriormente, se instalara en interior, así que es
necesario cumplir con ciertas especificaciones, tales como, se debe considerar un área
considerable alrededor del equipo para efectuar los servicios de mantenimiento y para
efectos de flujo de aire; ya sea instalar un ducto o un sistema de escape para la salida de
los gases al exterior en caso necesario. Los gases de escape del motor contienen
monóxido de carbono, un gas que puede ser mortal. Este peligroso gas, si se respira en
suficiente concentración puede causar la pérdida de conocimiento o hasta la muerte. El
sistema de escape debe instalarse correctamente, en estricto cumplimiento con los
códigos y normas aplicables, en nuestro caso no es necesario, pues existe suficiente
ventilación en el estacionamiento, ya que es un lugar muy amplio y abierto.
La planta debe colocarse sobre una buena superficie plana metálica o de concreto
perfectamente nivelada y diseñada de acuerdo al peso y tamaño del equipo, así mismo,
del tipo de terreno del que se trate. La importancia de tener una base de cimentación
robusta y bien fabricada es soportar el peso del equipo y evitar que exista vibración
innecesaria en la planta. La profundidad de la base deberá estar en función del tipo de
subsuelo de que se trate, en este caso no hay ningún problema, ya que existe concreto.
La vibración de la maquina se puede reducir considerablemente, si en el montaje se
emplean elementos antivibradores o amortiguadores de vibración entre base de
cimentación y base de la planta. Los amortiguadores son normalmente empleados para
reducir la transmisión de vibración originada por el movimiento relativo entra la planta
y la rigidez de la base.
Por último es muy recomendable instalar el generador tan cerca como sea posible del
suministro de combustible, para reducir la longitud de las tuberías y así el costo sea
menor. Al igual que la planta quede tan cerca como sea posible del tablero de
transferencia para reducir costos. Los tableros si se encuentran cerca. Las instalaciones
no cuentan con tanque de gas, así que se instalara uno, el problema será que quedara
hasta la azotea de las instalaciones, en donde el costo de la instalación se incrementara,
pero será necesaria y obligatoria por norma.
2.1.3 INSTALACION DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE
La planta de emergencia de estudio, se alimenta gas LP. El Gas Licuado de Petróleo
mas comúnmente conocido como gas LP es un compuesto de hidrógeno y carbón,
comúnmente conocidos como hidrocarburos. El gas LP se obtiene del gas natural o
como el resultado del refinamiento del petróleo crudo de las refinerías. Para facilitar su
transporte y almacenamiento, el gas LP se puede licuar comprimiéndolo y enfriándolo,
esto reduce su volumen, ya que aproximadamente 270 galones de vapor pueden ser
comprimidos al equivalente de un galón de líquido. Esta presión mantiene al gas LP en
forma líquida, razón por la cual se necesitan recipientes cuyo diseño y construcción
satisfagan las necesidades requeridas. El gas LP no tiene olor, ni color, por eso antes de
transportarlo se le añade un odorante que lo identifica y que permite rápidamente
detectar la presencia de fugas o escapes. Debido a sus propiedades físico-químicas, los
equipos y accesorios utilizados en el uso, manejo y traslado del gas LP, deben ser los
adecuados. Más adelante se detallan las ventajas de utilizar este tipo de combustible.
43
En toda instalación de gas LP es necesario que tenga un regulador, con el fin de
mantener una presión constante, al igual que la medición del suministro y contenido del
gas LP. Las normas para instalación de aprovechamiento de gas LP y demás instructivos
en vigor, establecen que toda instalación de aprovechamiento debe contar
necesariamente con un regulador de presión. La función de los reguladores de presión es
la de proporcionar el gas en estado de vapor a las tuberías de servicio al valor de presión
requerida y con un mínimo de fluctuaciones. Los reguladores se clasifican de acuerdo a
la relación de las presiones que reciben y entregan, a su posición en la instalación y
también en cuanto a sus capacidades expresadas en m3/hr de vapor. La falta de
capacidad de los reguladores implica necesariamente una notable caída de presión. Los
principios básicos de construcción y funcionamiento de los reguladores de presión son
similares, no así los modelos, tipos, formas y capacidades, que difieren considerando
que se fabrican para resolver tantas y tan diversas necesidades. La presión del gas en
estado de vapor a la entrada de los reguladores es muy variable, de acuerdo al tipo de
servicio, los factores de demanda y principalmente a las diferentes estaciones del año.
Comercialmente se dispone de dos tipos de reguladores, de acuerdo estrictamente al
vapor de sus presiones de entrada y salida:
1. Reguladores de alta presión
2. Reguladores de baja presión
La mejor solución para controlar con un máximo de eficiencia el valor constante de la
presión en las tuberías de servicio, es haciendo la regulación en dos etapas. Toda la
instalación será nueva, ya que las instalaciones no cuentan con tanque estacionario de
gas ni con ninguna instalación de gas.
2.1.4 INSTALACION ELECTRICA
Para el buen funcionamiento y seguridad de la planta, también se requiere de una buena
instalación eléctrica, cumpliendo con las normas, códigos y reglas estándares
mencionadas anteriormente. La instalación es muy sencilla, se requiere que cuente con
un tablero general, en el cual llega la acometida de CFE, y un tablero de distribución, el
cual será la alimentación de carga protegida por la planta de emergencia; en caso de no
contar con alguno de los dos, es necesario instalarlos forzosamente
Uno de los puntos más importantes y críticos de una instalación eléctrica, es el correcto
aterrizaje del sistema o la correcta interconexión entre los neutros de la red comercial
(transformador de la subestación), planta de emergencia y sistema de cargas. Una
correcta instalación del sistema de tierras, protege el equipo contra descargas
atmosféricas, cargas estáticas generadas en la planta por efecto del rozamiento y así
mismo protege el sistema cuando las cargas se encuentran desbalanceadas y las
corrientes en el neutro pueden ocasionar problemas en el generador y la carga, y por las
corrientes parasitas generadas en los laminados del generador.
El sistema de tierra física comúnmente empleado es una varilla de cobre enterrada en un
lugar en donde se ha preparado con soluciones salinas para una correcta conducción de
la corriente hacia la tierra. El conductor utilizado por lo regular es un cable desnudo, se
utiliza dos calibres menores al calibre utilizado para el cable de fuerza. En nuestro caso,
la tierra física ya existe, solo es cuestión de conectarnos a ella.
44
2.2. SOLUCION AL PROBLEMA
Ya que sabemos con lo que se cuenta, daremos la solución al problema. A continuación
explicare todas las partes que conforman el sistema de emergencia propuesto y el
funcionamiento del mismo, el cual es la solución que se le dio al cliente para resolver
su problema de energía.
2.2.1. PARTES PRINCIPALES DE LA PLANTA DE EMERGENCIA
IMPLEMENTADA
En la figura 2.3 se muestran las partes principales que conforman la planta de
emergencia, las cuales se explican brevemente a continuación. Es de vital importancia
el conocimiento de dicho sistema para entender perfectamente su funcionamiento. Las
partes primordiales son: motor, generador, sistema de arranque, regulador de voltaje,
regulador de gas, gobernador, panel de control, protecciones, batería, cargador de
batería, conexiones de CA, tablero de transferencia. Y el sistema de alimentación que
se detallara más adelante.
FIGURA 2.3. ESTRUCTURA DE LA PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW
2.2.1.1 GENERADOR
Como ya se explico en el capitulo anterior, el generador, es una maquina rotatoria
sincrónica, que se basa en la producción de una fuerza electromotriz alterna mediante el
fenómeno de inducción electromagnética, esto es, transforma la energía mecánica en
energía eléctrica.
La bobina que genera el campo magnético se denomina campo, que en este caso es el
inductor o rotor, el cual es giratorio y la bobina en la que se induce la fuerza
electromotriz recibe el nombre de armadura, que en este caso es el inducido o estator.
El generador requiere de un regulador de voltaje, el cual será el encargado de variar la
intensidad del campo magnético, y de una excitación, que será la fuente de
alimentación de dicho regulador de voltaje.
45
ROTOR
El rotor está relacionado con la velocidad del generador, la cual es directamente
proporcional a la frecuencia. La potencia máxima que un generador puede manejar
depende del volumen del rotor. Para una potencia de salida dada, podrá elegir entre un
gran generador de baja velocidad, o un generador más pequeño de alta velocidad,
dependiendo también de los polos que contenga dicho rotor. El generador cuenta con un
rotor de 2 polos (figura 2.5)
FIGURA 2.5. GENERADOR CON ROTOR DE 2 POLOS
Las plantas de emergencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona del
generador de corriente alterna está determinada por la frecuencia de CA suministrada y
el número de polos en el rotor, de acuerdo con la relación de la siguiente ecuación:
)1.2(120
))(.( RPMPolosNof
Podemos determinar la velocidad a la cual deberá girar el motor de combustión interna
para entregar una frecuencia de 60 Hz. Por lo tanto conociendo la frecuencia, la cual
deberá ser constante y el número de polos del rotor, se despeja RPM de la ecuación 2.1,
obteniéndose:
2..60 polosdeNoHzf
)2.2(.
))(120(
PolosNo
fRPM
36002
)60)(120(RPM
ESTATOR
El estator esta diseñado con salidas individuales de los devanados separados de las
fases que pueden reconectarse a configuraciones Y o Delta. A este se le conoce a
menudo como estator reconectable de 6 puntas, tiene 6 devanados separados (12
terminales). Estos son fabricados principalmente por flexibilidad y eficiencia de
manufactura. Figura 2.7.
46
Los 3 tipos de configuraciones reconectables con los que cuenta el generador son:
Alta “Y” estrella (3 fases)
Baja “Y” estrella (3 fases)
Delta (1 o 3 fases)
ALTA Y (277/480 VAC) BAJA Y (120/208 VAC) DELTA (120/240 VAC)
FIGURA 2.7. CONFIGURACIONES DEL ESTATOR
Nuestro equipo cuenta con la conexión Baja Y estrella trifásica, como se muestra en la
figura 2.8.
FIGURA 2.8. CONEXIÓN DEL ESTATOR
0321
321
LLL
LLL
VVV
III
Sistema balanceado
Las características del generador son:
Generador del tipo síncrono, con aislamiento del rotor y estator del tipo H, con una
distorsión total armónica menor al 5 %, trifásico (3 fases y 1 neutro), con conexión en
estrella (Y) configurable, autoexcitado. El generador se acopla al motor a través de
discos flexibles y tiene una capacidad de 80 KW. Figura 2.8.
47
FIGURA 2.9. GENERADOR DE PLANTA DE 80 KW
En la figura 2.10 se despliega la estructura del generador, que es el estator, rotor,
excitación y acoplamiento.
FIGURA 2.10. ESTRUCTURA DEL GENERADOR
Generador
Autoexcitación Conexión Y
configurable
Acoplamiento
Estator
Rotor
Armadura de
excitación
Campo
excitador
Disco
flexible
Soporte
giratorio
Volante
Adaptador
del motor
Anillo
Terminales Autoexcitacion
48
2.2.1.2. EXCITACION
Los generadores están equipados con un sistema de excitación, el cual es la
alimentación para el regulador de voltaje automático. Existen 3 principales: excitación
directa (con escobillas), autoexcitación (sin escobillas) y excitación con imán
permanente (excitación separada).
AUTOEXCITACIÓN (SIN ESCOBILLAS)
El sistema de excitación de un generador autoexcitado energiza al regulador de voltaje
automático, derivando potencia de la salida del generador (DPE), dicho embobinado se
encuentra 90° desfasado y se encuentra dentro del estator. El voltaje del regulador
detecta el voltaje y la frecuencia de salida, la compara con los valores de referencia y
entonces suministra una salida de CD a los devanados del campo del excitador. El
campo del excitador induce una salida de CA en el rotor del excitador el cual está en el
eje giratorio del generador impulsado por el motor. La salida del excitador es
rectificada por unos diodos rotatorios, que también están en el eje del generador, para
suministrar CD al rotor principal (campo de generador).
En la figura 2.10 se muestra el diagrama de dicha excitación:
FIGURA 2.10 DIAGRAMA DE UNA GENERADOR AUTOEXCITADO
Típicamente este sistema de excitación es el más económico disponible de un
fabricante. Da buen servicio a todas las condiciones de operación cuando el generador
es del tamaño apropiado para la aplicación. En la figura 2.11 se muestra dicha
excitación (esquemática y físicamente).
49
FIGURA 2.11 AUTOEXCITACION
Las desventajas de un sistema autoexcitado son:
Podría ser necesario seleccionar un generador más grande para proveer
desempeño de arranque de motor aceptable.
Las maquinas autoexcitables dependen del magnetismo residual o remanente
para energizar el campo. Si este no es suficiente será necesario flashear el campo
con una fuente de potencia de CD.
Podría no sostener fallas de corriente lo suficiente para disparar interruptores de
circuito más adelante en el circuito.
La ventaja de un sistema autoexcitado sobre un sistema excitado con imán permanente
es que el primero esta inherentemente autoprotegido bajo condiciones de corto circuito
simétricas porque el campo se colapsa. Debido a esto, no se considera necesario un
interruptor de circuito en línea para proteger al generador y a los conductores al primer
nivel de distribución, reduciendo así el costo del sistema instalado.
CAMPO EXCITADOR
ARMADURA DE EXCITACION
PUENTE DE DIODOS (diodos rotatorios)
50
ECUACIONES DEL GENERADOR
El generador consta de dos circuitos: circuito de campo y circuito de armadura. En la
figura 2.12 se muestran:
Circuito de armadura circuito de campo
FIGURA 2.12. GENERADOR SIN CARGA
Donde:
flujo
velocidad
campodecorrienteic
campodeBobinaLc
campodesistenciaRc
campodevoltajeVc
Re
GENERADOR SIN CARGA
Ecuaciones en el dominio del tiempo:
)4.2(
)3.2(
Egdt
diaLaRaiaVa
dt
dicLcRcicVc
Debido a que no existe carga, no circula ninguna corriente, así que ic=0, por lo tanto:
)5.2(EgVa
La fem inducida es proporcional a la velocidad y al flujo magnético.
)6.2( KgEgfem
inducidovoltajeEg
armaduradecorrienteia
armaduradeBobinaLa
armaduradesistenciaRa
armaduradevoltajeVa
Re
51
Donde:
flujo
velocidad
generadordelcteKg
.
corrienteladefuncionenestai
cteessiKgEg
cteessiKgEg
)(
.
.
Ecuaciones en el dominio de la frecuencia
Para el dominio de la frecuencia tenemos que 2.3 y 2.4 por la Transformada de Laplace:
)8.2()(
)7.2()()()(
EgSVa
SLcSIcSRcIcSVc
Para obtener la función de transferencia )(
)(
SVc
SVa se tiene que:
)9.2()(
)(LcSRc
SVcSIc
Consideramos que KgIcEg
)11.2()(
)(
)10.2(1
1)(
)(
2
1
S
K
SLc
RcLc
Kg
LcSRc
Kg
SVc
SVa
S
K
SRc
LcRc
Kg
LcSRc
Kg
SVc
SVa
Donde:
1
.
2
1
Lc
Rc
tiempodecteRc
Lc
Lc
KgK
Rc
KgK
52
GENERADOR CON CARGA
FIGURA 2.13. GENERADOR CON CARGA
Ecuaciones en el dominio del tiempo:
)13.2(
)12.2(
EgiaZdt
diaLaRaiaVa
dt
dicLcRcicVc
L
Para el dominio de la frecuencia tenemos que 2.9 y 2.10 por la Transformada de
Laplace:
)15.2()()()()(
)14.2()()()(
EgSIaZSLaSIaSRaIaSVa
SLcSIcSRcIcSVc
L
Para obtener la función de transferencia )(
)(
SVc
SVa se tiene que:
)16.2(
)1)(1(
)(
))(()(
)( argarg
) SR
LS
Rc
Lc
SLRKg
ZLaSRaLcSRc
KgZ
SVc
SVa
eq
eq
acacL
Donde:
aceq
aceq
acacL
LLaL
RRaR
SLRZ
arg
arg
argarg
53
2.2.1.3 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO (AVR)
Los reguladores de voltaje, también llamados AVR (por sus siglas en ingles Automatic
Voltage Regulator) varían de acuerdo a la salida de potencia que manejan. Todos ellos
monitorean el voltaje de salida del generador y ajustan su nivel de salida de excitación
para mantener el voltaje del generador deseado. La figura 2.14 muestra la función de un
simple control automático, en este caso, se refiere al regulador de voltaje automático.
Este se basa en un amplificador operacional, el cual tiene dos entradas (una positiva y
otra negativa) y una salida. Este amplificador operacional es usado como un
comparador de dos señales.
FIGURA 2.14 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO
En el regulador de voltaje, la comparación es hecha entre la señal del voltaje del
generador medido o sensado y un voltaje de referencia (VREF), el cual es establecido por
el AVR para representar en nivel de voltaje nominal o deseado. El resistor variable, es
un resistor para ajustar el voltaje que permite cambiar el nivel de voltaje deseado o
nominal requerido para operar el generador. Si un voltaje positivo es aplicado a la
entrada positiva del amplificador, la salida del amplificador entonces será positiva. Si el
voltaje positivo es aplicado a la entrada negativa del amplificador, el amplificador
invierte la polaridad a su salida.
En operación, el voltaje del generador y el voltaje de referencia son aplicados a las
entradas del amplificador como se muestra en la figura anterior, y el amplificador
operacional ajusta la excitación para el generador hasta que las entradas sean iguales. Si
el voltaje de referencia es más grande que el voltaje del generador, la salida del
amplificador incrementara, incrementando la excitación, hasta que el voltaje del
generador sea igual al voltaje de referencia. Si el voltaje del generador excede el voltaje
de referencia, el amplificador disminuirá la salida, reduciendo la excitación hasta que el
voltaje del generador sea igual al VREF.
54
Refiriéndonos nuevamente a la figura 2.14, la señal de error del amplificador es
conectada al bloque de control de potencia. La función de este bloque es similar al
regulador de voltaje en la figura 2.16. El voltaje del generador de CA usado para la
potencia de excitación es aplicado a la etapa de control de potencia para el campo
excitador. La etapa de control de potencia ideal es capaz de apagar el voltaje de campo
completamente o aplicar todo el voltaje disponible al campo. La etapa de control de
potencia deberá ser capaz de apagar o prender rápidamente, típicamente en uno o dos
ciclos eléctricos.
El rendimiento del regulador de voltaje esta ilustrado en la figura 2.15. La línea superior
representa los cambios de voltaje del generador con el tiempo, cuando una carga es
aplicada a dicho generador. La segunda línea es la señal de control del amplificador
operacional. La línea inferior es el voltaje de campo. El regulador de voltaje en este
ejemplo es lento a la respuesta y su regulación es de 5%, desde cero carga a plena carga:
)17.2(100arg
argsinargRe% x
acplenaaVoltaje
acVoltajeacplenaaVoltajegulacion
Estas características serán modificadas para mejorar el rendimiento del regulador de
voltaje.
FIGURA 2.16 RENDIMIENTO DEL GENERADOR CON REGULADOR DE VOLTAJE
AUTOMATICO
En la figura anterior se muestra como el generador, al estar sin carga, se encuentra en su
velocidad nominal (se asume que la velocidad nunca cambia durante el ejemplo), y el
voltaje en el nivel deseado (100%). El primer evento que ocurre es cuando se le aplica
la carga, causando que disminuya el voltaje del generador al 80% (esto por la reactancia
subtransciente del generador), entonces disminuye aun mas al 70%. El regulador de
voltaje responde a través de su censado incrementando la señal de control del AMP OP.
El control de potencia toma un pequeño tiempo para responder al comando de control,
entonces incrementa el voltaje de campo al máximo disponible. Hay que notar que el
máximo voltaje disponible en ese momento es del 70%, debido a que la alimentación es
tomada del voltaje de salida del generador, el cual ha disminuido al 70% del nominal.
55
El voltaje de campo causa que la corriente del campo excitador incremente
gradualmente por la inductancia del campo, incrementando el voltaje de salida del
excitador, en este caso, autoexcitable, y gradualmente incrementando la corriente del
campo del generador. Así el voltaje del generador comienza a incrementarse al valor
nominal. El amplificador operacional censa la restauración del voltaje y disminuye su
señal de control a medida que el voltaje va aumentando. La reducción de la señal de
error ocurre cuando el voltaje de excitador disponible esta incrementándose. La señal de
control de potencia regresa a su valor nominal de excitación. Para reducir el voltaje de
campo cuando la señal de error disminuye, el voltaje del campo excitador deberá ser
reducido al nivel requerido para mantener un voltaje constante en condición de plena
carga.
Por que el voltaje regresa al 95% en lugar del 100%? Si el amplificador operacional
pudiera detectar cualquier error entre el censado y la referencia, sin importar que tan
pequeño sea este, el voltaje siempre regresaría al 100% del voltaje nominal. Con
tecnología moderna, existe la posibilidad. La recuperación del voltaje nominal debería
ser más rápido para entregar el mejor rendimiento del generador. En la figura 2.16 se
muestra el diagrama de un regulador de voltaje con la ajuste de estabilidad, en cual nos
permite un control mas preciso y confiable. Este es similar al mostrado en la figura 2.14,
solo que ahora se le agrega el bloque de estabilidad. Sin este bloque, el voltaje del
generador oscilara por la ganancia del regulador de voltaje. Por lo tanto es necesario un
circuito de estabilidad para corregir la oscilación. Este bloque toma una señal negativa
de la retroalimentación que viene del campo hacia el punto de suma del regulador de
voltaje. Esta señal de retroalimentación forma la respuesta del sistema y suplementa la
señal de corrección desde el circuito detector de error.
FIGURA 2.16 DIAGRAMA A BLOQUES DE UN REGULADOR TIPICO DE VOLTAJE
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El circuito de retroalimentación es un circuito de red sensible a la frecuencia, que
consiste de capacitancia y resistencia. En la figura 2.17 se muestra un circuito sencillo
conectado al campo para entregar una señal al punto de suma del regulador de voltaje.
FIGURA 2.17 CIRCUITO SIMPLE DE ESTABILIDAD PARA ADELANTO Y ATRASO DE LA
SEÑAL DEL CAMPO EXCITADOR
Hay tres factores que afectan la estabilidad del voltaje del sistema del generador. Las
cuales son la ganancia, la red de estabilidad y la constante de tiempo.
El modelo para la estabilidad nos ayuda a obtener la función de transferencia del
regulador de voltaje automático y combinado este con la función de transferencia del
excitador y generador. Las funciones de transferencia son ecuaciones matemáticas que
representan el comportamiento de cada elemento del sistema. Estas permiten sobretodo
una evaluación del cambio de fase y ganancia en un sistema de lazo cerrado sobre cierto
rango de frecuencia. Cada sistema de excitación de un generador tiene funciones de
transferencia con sus variables de entrada que contienen la ganancia y las constantes de
tiempo del generador y regulador de voltaje. La norma IEEE 421.5 ofrece una guía para
varios modelos de los diferentes tipos de sistemas excitación. El tipo seleccionado
depende de que si el sistema excitador es del tipo estático o rotatorio.
En la figura 2.18 se muestra un modelo matemático IEEE de un sistema de excitación
rotatorio con rectificador, que es con el que viene equipado nuestro equipo de
emergencia. En la tabla 2.1 se muestra la nomenclatura utilizada.
FIGURA 2.18. MODELOS MATEMATICO DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN DE UN
GENERADOR
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TABLA 2.1
La regulación digital es muy similar a los reguladores de voltaje análogo. La principal
diferencia entre los dos es que el sistema de excitación digital reemplaza algunos de los
bloques análogos con un microprocesador. En la siguiente figura se muestra un
diagrama a bloques de un sistema de excitación digital.
FIGURA 2.19. DIAGRAMA A BLOQUES DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN DIGITAL
El regulador de voltaje censa el voltaje de salida del generador. Cuando el voltaje de
salida va por debajo del punto de ajuste del voltaje del regulador al colocar la carga, éste
incrementa la excitación de CD al rotor, aumentando así el campo magnético del rotor,
volviendo el voltaje a su nivel de ajuste. Cuando el voltaje va por arriba del punto de
ajuste del voltaje del regulador al retirar la carga, éste decrece la excitación de CD al
rotor, volviendo el voltaje a su nivel de ajuste. El regulador es alimentado por una
fuente externa y aislada de CA, que es la excitación.
Existe una gran variedad de reguladores de voltaje para las plantas de emergencia, pero
la función de cada uno es la misma. Tiene entrada de alimentación, que es la
excitación, entrada de voltaje para el censado y salida de voltaje para el rotor. Algunos
cuentan solo con ajuste para variar el voltaje, otros para ajustar voltaje, frecuencia y
ganancia, que son los que nos dan una mayor estabilidad al equipo.
BLOQUE 1 BLOQUE 2
Vc Voltaje de salida del generador K2 Ganancia del excitador
Vref Voltaje de referencia K3 Ganancia del generador
KA Ganancia del regulador de voltaje TBS Constante de tiempo del campo del
excitador
TAS Constante de tiempo del amplificador
de error en segundos
TCS Constante de tiempo del campo del
generador
KFS Ganancia del circuito de estabilidad
del regulador
TFS Constante de tiempo del circuito de
estabilidad del regulador en segundos
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El regulador de voltaje con el que cuenta el equipo es totalmente digital, con censado
trifásico, compatible con el controlador H-100 que se explica mas adelante. Cuenta con
ajuste de voltaje, frecuencia, ganancia y estabilidad a través del Genlink (Anexo 3).
Figura 2.20.
FIGURA 2.20. REGULADOR DE VOLTAJE
2.2.1.4 CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE
El circuito de campo de arranque es un circuito de excitación utilizado solo para el
arranque. Este consiste de una resistencia de potencia (R1) y un diodo de la velocidad
(D1). A la resistencia de potencia le llega un voltaje que proviene de una tarjeta
controladora (12 VCD). El resistor alimenta al diodo. Cuando la unidad arranca por
primera vez, un voltaje es dirigido hacia la resistencia de potencia la cual reduce el
voltaje (figura 2.21). Posteriormente dicho voltaje pasa hacia el diodo y la salida
alimenta al rotor, con la ayuda del campo excitador, esto excita al rotor y la unidad
produce un voltaje de salida reducido menor al 50% en el embobinado de excitación
(DPE) y en el embobinado de potencia. Este voltaje es suficiente para encender el
regulador de voltaje. El regulador de voltaje entonces empieza a excitar al rotor. Cuando
el voltaje de excitación del regulador excede el voltaje que proviene del circuito de
arranque de campo, el diodo se polariza inversamente, se abre el circuito y el regulador
ahora controla el voltaje de CD que va hacia el rotor.
El circuito de campo de arranque viene incluido dentro del panel de control y cuenta
con un circuito de protección.
FIGURA 2.21. CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE
Diodo
Resistencia
Al rotor
Al regulador de voltaje
Señal de arranque
Breaker DPE
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2.2.1.5 MOTOR
El equipo cuenta con un motor marca FORD, tipo en V, de 8 cilindros, con un
desplazamiento de 4.6 L, compresión 9.4:1 y naturalmente aspirado. Figura 2.22.
FIGURA 2.22. MOTOR DE PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW
En la figura 2.23 se muestra la estructura del motor, y se muestra sus filtros de aire y
aceite, llenado de aceite, varilla para la medición del aceite, carter, bobinas de ignición y
bujías.
FIGURA 2.23. MANTENIMIENTO DEL MOTOR
2.2.5.1 SISTEMAS PRINCIPALES DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
Consta de dos reguladores de gas (figura 2..24a) accionados por solenoides para
suministrar la presión necesaria de gas LP hacia el carburador al momento del arranque
(figura 2.24b), el cual a su vez, inyecta directamente a la cámara de combustión.
Llenado de
aceite
Varilla de
medición de
aceite
Filtro de
aceite
Carter
Filtro de
aire
Bobinas de
ignición y
bujías
60
FIGURA 2.24. SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Estos reguladores se encuentran internamente en la planta de emergencia. A través de
estos mecanismos de regulación de combustible, se realiza el arranque y paro de la
planta. Para el arranque, la tarjeta de control envía una señal a los 2 solenoides de
combustible y el solenoide auxiliar, abriéndolas y permitiendo el paso de combustible,
quedándose abierta durante la operación. Para apagar, la tarjeta de control deja de
enviar la señal y desenergiza los solenoides, cerrando su válvula e impidiendo el paso
de combustible. También cuenta con un interruptor de presión para mantener el equipo
funcionando a la presión requerida.
Solenoide
auxiliar
Al arnés del
motor
Mangueras
Carburador
Regulador
Regulador
b) a)
a)
Solenoide de combustible
Regulador de gas
Señales provenientes de
tarjeta de control
Regulador
b)
A
B C
Al filtro de
aire
Carburador
Gobernador
electrónico
C
A B
Gobernador
electrónico
A la entrada
del múltiple
Sensor de presión
Interruptor de
presión
Solenoide
auxiliar
Solenoide de
combustible
61
Cabe mencionar que estos reguladores son configurables, es decir, pueden ser usados
para operar a gas natural o a gas LP, dependiendo de la aplicación que uno requiera;
solo es necesario hacer un cambio de configuración en los reguladores.
El sistema de alimentación de combustible de un motor de combustión interna a gas
consta de un depósito, un gobernador y un dispositivo que vaporiza o atomiza el
combustible líquido, para poder ser quemado, el cual es llamado carburador. Ver figura
2.25
FIGURA 2.25 SISTEMA DE ALIMENTACION (CARBURADOR)
En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros
a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Los motores cuentan con
un colector de escape o de expulsión, que transporta los gases producidos en la
combustión.
CARBURADOR
El carburador es el dispositivo que hace la mezcla de aire-combustible en los motores a
gas. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia
de salida, es importante que el combustible utilizado esté mezclado con el aire en las
proporciones óptimas.
El carburador posee una división donde el combustible y el aire son mezclados y otra
porción donde el combustible es almacenado. Estas partes están divididas pero están
conectadas por la tobera principal. La relación de aire-combustible es determinante
para el funcionamiento del motor. La clave es que el aire debe ser frío para que este
rendimiento se haga. En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del
cilindro y la presión interior del cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador
(filtro), carburador y colector de admisión, fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire
pasa a través de la porción angosta del carburador, la velocidad se eleva, y aspira el
combustible desde la tobera principal. Este combustible aspirado es soplado y
esparcido por el flujo de aire y es mezclado con el aire.
Esta mezcla aire-combustible es luego aspirada dentro del cilindro. La cantidad de aire
es controlada por la flecha de un gobernador, determinándose así la cantidad de mezcla
aire-combustible aspirado.
62
ACCESORIOS DEL CARBURADOR
AHOGADOR
El ahogador, también conocido como válvula de aire, cebador o arrancador, es un
dispositivo que por diversos mecanismos incrementa la riqueza de la mezcla para que el
motor arranque correctamente y tenga un funcionamiento suave mientras no haya
alcanzado la temperatura de trabajo. El dispositivo consiste en una mariposa o guillotina
que cubre de forma total o parcial la boca del carburador. Sin embargo, reciben distintos
nombres en función de la naturaleza del mecanismo que activa el dispositivo. Existen
tres tipos de ahogadores: manual, térmico y eléctrico.
AHOGADOR ELÉCTRICO.- Es el sistema más avanzado que usan los carburadores.
Consiste en un sensor eléctrico de temperatura que permite consultar la temperatura del
refrigerante. En lugar del bombo tenemos un electroimán que mantiene cerrado el
ahogador mientras el sensor no alcance la temperatura indicada (las plantas de
emergencia cuentan con este tipo de ahogador, el cual es controlado por solenoides).
GOBERNADOR
Es el encargado de mantener una frecuencia constante al variar la carga aplicada al
motor; esto lo logra por medio de un dispositivo mecánico o electrónico conectado al
solenoide (ahogador) del carburador, controlando la posición de dicho ahogador para
mantener la frecuencia. El gobernador puede ser mecánico o electrónico.
GOBERNADOR ELECTRÓNICO.- Los gobernadores electrónicos se usan en
aplicaciones donde se especifica equipo de sincronización y paralelismo activos. Las
RPM del motor son generalmente detectadas por un sensor electromagnético y la
alimentación del motor se controla por solenoides impulsados por circuitos
electrónicos. Estos circuitos, ya sea auto-contenidos o como parte de un control de
generador por microprocesador, utilizan sofisticados algoritmos para mantener el
control de la velocidad precisa, y por lo tanto la frecuencia.
Los gobernadores electrónicos permiten que los motores-generadores se recuperen
más rápidamente de los pasos de carga transición que los gobernadores mecánicos. Los
gobernadores electrónicos se deben usar siempre que las cargas incluyan equipos
UPS. En la figura 2.26 se muestra el despiece del gobernador electrónico de nuestro
equipo.
FIGURA 2.26. GOBERNADOR ELECTRONICO
63
Los motores modernos solo están disponibles con sistemas de gobernación electrónica.
La demanda o los requerimientos de la ley para lograr más alta eficiencia de
combustible, bajas emisiones y otras ventajas requieren el control preciso ofrecido por
estos sistemas. Nuestra planta de emergencia cuenta con este sistema de gobernación.
El equipo tiene un gobernador electrónico (figura 2.27). Sus funciones son
preestablecidas en fábrica, aunque se pueden realizar algunos ajustes a través del
Genlink (Anexo 3). Su función es mantener la frecuencia de 60 Hz. La tarjeta de control
H-100 envía las señales a la tarjeta controladora de gobernador, y esta amplifica dichas
señales para enviarlas al gobernador, el cual es un motor a pasos, para mantener la
regulación del paso del combustible al carburador al sufrir cambios en la carga y así
mantener la frecuencia constante. Esto se logra con un solenoide que se encuentra
dentro del carburador.
FIGURA 2.27. GOBERNADOR ELECTRONICO
SISTEMA DE IGNICION (ENCENDIDO)
El sistema de ignición es muy importante para el buen funcionamiento del motor ya que
afecta de manera directa su consumo de combustible y por lo tanto su rendimiento. Este
sistema proporciona impulsos de alto voltaje (de 20,000 a 40,000 volts) entre los
electrodos de las bujías en el cilindro del motor. Estos impulsos producen arcos
eléctricos en el espacio comprendido entre los electrodos de la bujía, chispas que
inflaman la mezcla comprimida en la cámara de combustión.
Cada arco eléctrico se sincroniza de manera que salte cuando el pistón se aproxima al
punto muerto superior en la carrera de compresión. Es por ello importante conocer sus
componentes y la forma en la cual funciona. Este sistema puede afectar la potencia de
su motor, el arranque y su sistema de control.
El sistema de ignición tiene varios objetivos:
Suministrar el voltaje necesario para producir la chispa en las bujías y generar la
combustión en los cilindros.
Generar la chispa en cada bujía en el momento preciso (cuando el pistón se
encuentra en la parte superior del cilindro y la mezcla aire combustible esté
comprimida).
Distribuir el alto voltaje a cada uno de los cilindros.
Modificar el momento en el cual se debe generar la chispa en cada cilindro (tiempo
de encendido), el cual debe ir sincronizado con el árbol de levas.
Tarjeta controladora de
gobernador Gobernador
64
En la figura 2.28 se muestra un diagrama de bloques de los componentes del sistema de
encendido. Resulta imprescindible una fuente de suministro de energía eléctrica para
abastecer al sistema, este puede ser una batería o un pequeño generador. Luego será
necesario un elemento que sea capaz de subir el bajo voltaje de la batería, a un valor
elevado para el salto de la chispa (miles de voltios). Este generador de alto voltaje
tendrá en cuenta las señales recibidas de los sensores de posición del cilindro (árbol de
levas) y de la velocidad de rotación del motor (posición del cigueñal) para determinar el
momento exacto de la elevación de voltaje. Para la elevación del voltaje se usa un
transformador relevador de altísima relación entre los embobinados, que se le llama
bobina de encendido y un generador de pulsos que lo alimenta (el cual puede ser
mecánico o electrónico). Será necesario también un dispositivo que distribuya el alto
voltaje (distribuidor) a los diferentes cables de cada uno de los productores de la chispa
dentro de los cilindros (bujías) en concordancia con las posiciones respectivas de sus
pistones.
FIGURA 2.28. SISTEMA DE ENCENDIDO
ENCENDIDO ELECTRONICO INTEGRAL
Al quedar suprimidos los dispositivos mecánicos de los sistemas de corrección de
avance del encendido por la aplicación de componentes electrónicos, se obtiene mayor
precisión en las curvas de avance, que pueden adaptarse cualquiera que sea su ley,
cumpliendo perfectamente con la normativa de anticontaminación. El mantenimiento de
estos sistemas de encendido es prácticamente nulo.
El distribuidor evoluciona a la vez que se perfecciona el sistema de encendido. El
distribuidor en este tipo de encendido se limita a distribuir, como su propio nombre
indica, la alta tensión procedente de la bobina a cada una de las bujías.
SUMINISTRO DE
VOLTAJE
GENERADOR DE
ALTO VOLTAJE
SENSOR DE
VELOCIDAD
SENSOR DE
POSICION
DISTRIBUIDOR
ELEMENTOS
PRODUCTORES DE
CHISPA
65
El tipo de sistema de encendido al que nos referimos ahora se le denomina: "encendido
electrónico integral" y tiene ciertas particularidades con respecto a los anteriores
sistemas de encendido. En la figura 2.29 se muestra este sistema.
FIGURA 2.29. ESQUEMA DE UN SISTEMA DE ENCENDIDO ELECTRONICO
GENERADOR DE IMPULSOS DE TIPO INDUCTIVO
Para saber el número de RPM del motor y la posición del cigüeñal se utiliza un
generador de impulsos inductivo. Esta constituido por una corona dentada que va
acoplada al volante de inercia del motor y un sensor magnético frente a ella. El sensor
esta formado por un imán permanente, alrededor esta enrollada una bobina donde se
induce una tensión cada vez que pasa un diente de la corona dentada frente a el. Como
resultado se detecta la velocidad de rotación del motor. La corona dentada dispone de
un diente y su correspondiente hueco más ancho que los demás situado 90º antes de
cada posición PMS. Cuando pasa este diente frente al sensor la tensión que se induce es
mayor, lo que indica a la centralita electrónica que el pistón llegara al PMS 90º de giro
después. Observar figura 2.30.
1. Bobina de encendido
2. Distribuidor
3. Bujía
4. Unidad de control
5. Sensor de temperatura del
motor
6. Sensor de posición de la
mariposa
7. Sensor de revoluciones y PMS
8. Disco dentado
9. Llave de contacto
10. Sistema de alimentación
(Puede ser bomba de inyección
o carburador, dependiendo del
tipo de combustible que utilice el
motor)
10
66
FIGURA 2.30. SITUACION DEL SENSOR DE RPM Y SEÑAL ELECTRICA QUE GENERA
UNIDAD DE CONTROL
La unidad de control del "encendido electrónico integral" es el cerebro del sistema,
recibe señales del generador de impulsos para saber el número de RPM del motor y la
posición que ocupa con respecto al PMS. Además de recibir estas señales tiene en
cuenta la temperatura del motor mediante un sensor que mide la temperatura del
refrigerante (agua del motor) y un sensor que mide la temperatura del aire de admisión.
Con todos estos datos la unidad de control calcula el avance al punto de encendido. El
elemento principal de la unidad de control para encendido electrónico es un
microprocesador. Este contiene todos los datos. Como sabemos, los sensores
suministran señales eléctricas analógicas, y estas señales deben ser convertidas a
digitales a través de un convertidor analógico-digital para ser procesadas por el
microprocesador. En la figura 2.31 se muestra el diagrama de dicho control.
FIGURA 2.31. ESQUEMA A BLOQUES DE UNA UNIDAD DE CONTROL DE ENCENDIDO
Ya habiendo entendido bien los sistemas de encendido existentes, es mucho mas fácil
entender el funcionamiento del encendido de nuestra planta de emergencia el cual es
totalmente electrónico.
Tiempo
Tensión
Sensor
inductivo
de RPM
Corona
dentada
Señales de entrada Señales de salida Unidad de control de encendido
Bobina de
encendido
1. Microprocesador
2. Convertidor analógico-digital
3. Etapa de potencia de encendido
4. Sensor de RPM y posición PMS
5. Señales de conexión (mariposa)
6. CANbus
7. Presión en el colector de admisión
8. Temperatura del motor
9. Temperatura del aire aspirado
10. Tensión de batería
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Aquí, el distribuidor es una tarjeta electrónica de ignición (figura 2.32a), que es la
encargada de distribuir los voltajes a las bujías (distribuidor electrónico) y lograrse así
el encendido del motor. Esta tarjeta envía una señal de voltaje a las bobinas de ignición
(figura 2.32b) de las bujías para crear la chispa y se produzca la combustión dentro de la
cámara de combustión del motor. Esta tarjeta recibe las señales de dos sensores
magnéticos instalados en el motor, que le indican la posición del árbol de levas y del
cigüeñal (RPM) para sincronizar el momento justo en que debe enviar las señales a las
bobinas de ignición.
FIGURA 2.32. SISTEMA DE IGNICION
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO
La temperatura es un parámetro que afecta de manera importante el funcionamiento de
los motores de combustión interna. En algunas partes del motor se tienen temperaturas
mayores de 1000 °C (cámara de combustión), en algunos casos los gases de escape
salen a 550 °C. En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a
través del combustible se pierde en forma de calor. El sistema de enfriamiento es el que
se encarga de que los diferentes componentes del motor se mantengan en temperaturas
seguras y así evitar que el motor sufra desgastes prematuros o daños importantes y
lograr con ello su máximo rendimiento. Algunas partes del motor que se deben enfriar
constantemente son:
Cámara de combustión
Parte alta del cilindro
Cabeza del pistón
Válvulas de escape y de admisión
Cilindro
Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura
homogénea entre 82 y 113 °C. Un sistema que no cumpla los requisitos que se exigen
puede producir: un desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, en especial en
el pistón con la pared del cilindro; preignición y detonación; daño a componentes del
motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza del motor, monobloque, bielas,
cilindros); corrosión de partes internas del motor, entrada de refrigerante a las cámaras
de combustión; fugas de refrigerante contaminando el aceite lubricante; evaporación del
lubricante; formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor
como los ductos del radiador; sobreconsumo de combustible y formación de lodos por
baja o alta temperatura en el aceite lubricante.
68
Es por todo esto importante conocer cómo trabaja el sistema de enfriamiento, las
características que debe tener un buen refrigerante o “anticongelante” y las acciones
que pueden afectar de manera negativa al enfriamiento del motor.
Los objetivos principales del sistema de enfriamiento es: reducir la temperatura dentro
de rangos seguros de operación para los diferentes componentes, tanto exteriores como
interiores del motor; disminuir el desgaste de las partes; reducir el calentamiento de los
elementos de la máquina que se mueven unos con respecto a otros y mantener una
temperatura óptima para obtener el mejor desempeño del motor. Para cumplir con estos
objetivos el sistema cuenta con un refrigerante, que es la sustancia encargada de
transferir el calor hacia el aire del medio ambiente.
Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de elemento
utilizado para enfriar el motor. En algunos casos es un líquido y en otros es aire. Ambos
elementos presentan características muy particulares. En sistemas que manejan aire
como elemento refrigerante, se requieren grandes cantidades de este elemento para
enfriar al motor, por lo cual su uso está restringido a motores pequeños o en condiciones
muy específicas. Generalmente el aire es llevado al exterior del cilindro el cual cuenta
con una serie de aletas para mejorar la transferencia de calor, en otras ocasiones el aire
es utilizado además para enfriar un radiador por el cual circula el aceite lubricante y es
éste el que realmente enfría al motor.
Estos sistemas son muy confiables ya que no presentan fugas de la sustancia
refrigerante pero no son tan eficientes como los que utilizan una sustancia líquida,
además de que proporcionan un mejor control de la temperatura en los cilindros y la
cámara de combustión.
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO
Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea de la bomba de agua, ésta
provoca el movimiento del líquido refrigerante del motor hacia el radiador, en él se hace
pasar una corriente de aire movida por el ventilador hacia el líquido refrigerante, lo que
le permite bajar su temperatura y, a través de unas mangueras, este líquido retorna hacia
el motor para volver a iniciar el ciclo. El líquido que entra al motor transfiere parte del
calor generado en la cámara de combustión removiéndolo de la parte superior del
cilindro, de las válvulas de admisión y de escape, y del mismo cilindro a través de las
camisas que lo envuelven y que forman parte del monobloque. Este líquido caliente es
impulsado por la bomba de agua y enviado hacia el radiador pasando por el termostato
concluyendo así el ciclo.
Cuando el motor está por debajo de la temperatura de operación, el termostato bloquea
el flujo de agua hacia el radiador, circulando éste solamente por las camisas de agua
para elevar la temperatura de manera homogénea hasta un nivel óptimo. En días fríos, el
termostato permite apenas la circulación de refrigerante suficiente a través del radiador
para eliminar el exceso de calor y mantener una temperatura adecuada en el motor.
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PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO
1. Radiador
2. Tapón de radiador
3. Mangueras
4. Termostato
5. Ventilador
6. Tolva
7. Bomba de agua
8. Poleas y bandas
9. Depósito recuperador (tanque de expansión)
10. Camisas de agua
11. Intercambiador de calor
12. Bulbo de temperatura
En la siguiente figura se muestra el sistema claramente con sus partes identificadas:
FIGURA 2.33. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LIQUIDO
El motor de nuestro equipo cuenta con su sistema de enfriado por líquido (figura 2.34).
FIGURA 2.34. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO PARA EL MOTOR
70
SISTEMA DE ARRANQUE
Los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo
que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar
el ciclo. Los motores de las plantas de emergencia utilizan un motor eléctrico, llamado
también motor de arranque, conectado al cigüeñal por un embrague automático que se
desacopla en cuanto arranca el motor. El sistema de arranque tiene por finalidad dar
manivela al cigüeñal del motor para conseguir el primer impulso vivo o primer tiempo
de expansión o fuerza que inicie su funcionamiento. El arrancador consume gran
cantidad de corriente al transformarla en energía mecánica para dar movimiento al
cigüeñal y vencer la enorme resistencia que opone la mezcla al comprimirse en al
cámara de combustión.
Una batería completamente cargada puede quedar descargada en pocos minutos al
accionar por mucho tiempo el interruptor del sistema de arranque; se calcula que el
arrancador tiene un consumo de 400 a 500 amperes de corriente y entones nos
formamos una idea de que una batería puede quedar completamente descargada en poco
tiempo, por eso no es recomendable abusar en el accionamiento del interruptor de
arranque.
FUNCIONAMIENTO
El motor de arranque funciona como un motor eléctrico, con un piñón y un dispositivo
para guiar el piñón en la rueda dentada del volante. Exteriormente, la armadura, las
zapatas polares y el devanado de excitación son semejantes a los del generador. El
devanado de excitación se conecta en serie, funcionando como el motor; gracias a la
corriente principal se adapta bien a la marcha, debido a que, por su elevado par motor,
consigue desde el principio sobrepasar la resistencia impuesta por el motor.
La relación de transmisión entre el anillo y la cremallera es de aproximadamente 20:1.
En esta alta relación de transmisión el piñón no permanece engranado continuamente,
puesto que el motor de marcha alcanzaría una frecuencia de giro demasiada alta. Por tal
motivo, se necesita un dispositivo especial de desenganche, con el fin de que haya
separación entre el motor principal y el de marcha, cuando la frecuencia de giro del
motor sobrepase cierto valor.
ESTRUCTURA DEL MOTOR DE ARRANQUE
La constitución interna de un motor de arranque se muestra en la figura 2.35. El piñón
que lleva en el extremo de su eje, se monta de tal forma que engrane con la corona
dentada de la periferia del volante. De esta forma cuando gire el motor eléctrico,
obligará a girar también al motor de combustión interna y podrá arrancar. El tamaño del
piñón depende de la velocidad propia del arrancador eléctrico.
71
FIGURA 2.35. PARTES DEL ARRANCADOR
El arrancador está compuesto básicamente de tres conjuntos:
Conjunto de Solenoide o mando magnético
Conjunto del Motor de Arranque propiamente
Conjunto del impulsor o Bendix
TIPOS DE MOTOR DE ARRANQUE
Hay dos tipos comunes de motor de arranque: los que llevan solenoide separado y los
que lo llevan incorporado.
ARRANCADOR CON SOLENOIDE INTEGRADO.- Cuando se activa la llave hacia
la posición de arranque, un cable lleva la corriente de 12 volts hacia el solenoide del
motor de arranque, el solenoide tiene un campo magnético, que al ser activado hace 2
cosas, primero, desliza un pequeño engrane llamado Bendix, hacia los dientes del
volante, y al mismo tiempo hace un puente de corriente positiva (+) entre el cable que
llega al motor de arranque desde la batería y el cable que suministra corriente a los
campos del motor de arranque, al suceder esto, el motor de arranque da vueltas rápidas
y con la suficiente fuerza para que el engrane pequeño de vueltas a la rueda volante del
motor.y así se da inicio al arranque del motor. Ver figura 2.36.
FIGURA 2.36. PARTE ELÉCTRICA DEL MOTOR DE ARRANQUE CON SOLENOIDE
INTEGRADO
72
En la figura anterior se muestra, la parte resaltada en negro, las dos bobinas eléctricas
que forman el relevador de arranque. También se ve el bobinado inductor y las
escobillas, así como el circuito eléctrico exterior que siempre acompaña al motor de
arranque.
Nuestro equipo cuenta con un motor eléctrico con solenoide integrado para el sistema
de arranque, el cual fue explicado anteriormente. Aquí, la tarjeta de control de la planta
de emergencia envía una señal de voltaje directo a un contactor pequeño, el cual, al
recibir dicha señal de control, cierra sus platinos y envía el voltaje al solenoide
integrada del motor de arranque y así poder darle marcha al cigüeñal del motor de
combustión interna y logarse el encendido del equipo. Figura 2.37.
FIGURA 2.37. SISTEMA DE ARRANQUE DEL MOTOR
El motor de arranque se alimenta a 12 V. La batería utilizada debe tener suficiente
capacidad en Amperes de Arranque en Frío para suministrar al motor de arranque la
corriente necesaria para dar marcha al motor. En la figura 2.38 se muestra la batería
empleada en el sistema, la cual es de plomo-ácido, de 12 V y 525 AMP para arranque en
frío.
FIGURA 2.38. BATERIA DE 12 V 525 CCA
73
También se requiere de un cargador de tipo flotante, energizado por la fuente de energía
normal para mantener la batería completamente cargada cuando el generador no este
funcionando. Se puede usar la siguiente regla general para definir el tamaño de los
cargadores auxiliares de batería:
)2.2(arg
2.1arg
acderequeridashoras
bateriadehoraamperexbateriasdeacdeamperes
La planta de emergencia de 80 KW tiene un alternador (12 V 30 AMP) para cargar la
batería cuando la planta esta operando (figura 2.39a) y un cargador estático electrónico
(12 V 2 AMP) para cargar la batería cuando el equipo esta apagado (figura 2.39b).
a b
FIGURA 2.39. CARGADORES DE BATERIA
2.2.1.6 PANEL DE CONTROL H-100
La función principal del panel o tarjeta de control H-100 es enviar y recibir las señales
de mando para los distintos dispositivos que conforman la planta de emergencia. Se
encarga de realizar el arranque de la planta cuando esta en automático, enviando la
señal al contactor de arranque; envía señal al solenoide del regulador de gas para
permitir e impedir el paso de combustible; recibe señales de los sensores (protecciones
del motor y generador) gestionando el equipo; envía señales a la tarjeta de ignición para
lograr la sincronía e ignición de la mezcla en la cámara de combustión. También realiza
la comunicación al tablero de transferencia para realizar la transferencia de carga, esto
lo logra sensando el voltaje de CFE con la ayuda de unas tarjetas anexas que vienen
integradas en el tablero de transferencia que se explicaran mas adelante.
Las principales partes que conforman el panel de control son: la tarjeta de control
(controlador H-100), llave de encendido (manual y automático), paro de emergencia,
alarma audible, circuito de arranque de campo y breaker del circuito de excitación.
Todos estos dispositivos vienen conectados en el panel de control para el
funcionamiento en conjunto de la planta de emergencia. Dentro del panel se encuentra
el regulador de voltaje y la tarjeta controladora de gobernador
74
En la figura 2.40 se muestra el controlador H-100, que cuenta con 2 displays de 4 líneas
para lecturas de:
Voltaje (220 o 440 V) Corriente (0-200 AMP)
Factor de potencia (1.0) KW (0-80 KW)
KVAR (1) Estado del interruptor de transferencia
Velocidad del motor (3600 RPM) Horas de operación (33)
Recordatorio de servicios de mantenimiento Hora y fecha
Historial de alarmas Velocidad en ejercitador semanal (1800 RPM)
Selección del tablero de transferencia Presión de aceite
Baja presión de combustible Paro por baja presión de aceite
Paro por alta temperatura de anticongelante Bajo nivel de anticongelante
Sobrevoltaje Sobrevelocidad
Funciones internas como:
Función para proteger generador contra corto
circuito
Comunicación con tablero de transferencia
HTS
Paro de emergencia Puerto RS232 para control de Genlink
Función de auto arranque programable Puerto RS485 para comunicación remota
Arranque remoto a 2 hilos Canbus direccionable
Ejercitador semanal Controlador de gobernador y regulador de
voltaje compatibles con la tarjeta de control
maestra
Velocidad de motor ajustable para ejercitador
FIGURA 2.40. CONTROLADOR H-100
En el anexo 4 se detallan las características y funciones de este controlador.
La tarjeta de control cuenta con su fusible de protección de 15 AMP localizado dentro
del panel y de 10 AMP para distintas funcionalidades (figura 2.41).
FIGURA 2.41. FUSIBLES DE PROTECCION PARA EL CONTROL
También todas las tarjetas electrónicas (de gobernador, de ignición, cargador de batería)
tienen sus fusibles de protección, pero estos vienen conectados en el arnés del cableado
en un portafusible.
J1
J2
75
2.2.1.7 PROTECCIONES PARA EL MOTOR Y GENERADOR
El motor cuenta con ciertas protecciones que pueden bloquear o parar la planta para
Asegurar el buen funcionamiento del equipo. Estas protecciones se realizan con
sensores que envían señales a la tarjeta de control cuando ocurre algún evento de falla y
esta actúa con el paro, reestableciéndose dicha alarma no solo corrigiendo la falla si no
que también hay que desbloquear dicha alarma. El sistema de emergencia de 80 KW
viene equipado con las siguientes protecciones: sensor de presión (baja presión de
aceite), sensor de temperatura (alta temperatura de anticongelante), sensor de nivel (bajo
nivel de anticongelante), sensor magnético (bajas revoluciones por minuto y
sobrevelocidad) y con la tarjeta de control (sobremarcha). Ver figura 2.43. Además de
las alarmas de bloqueo y paro, el equipo cuenta con alarmas que no bloquean la planta,
las cuales se reestablecen automáticamente al corregirse la falla, que son batería baja y
baja presión de combustible, entre otras. Todas las alarmas pueden ser registradas y
gestionadas con la ayuda del Genlink (Anexo 3). Cabe mencionar que cada sensor
requiere de un acondicionador de señal para ser procesado por la tarjeta de control, al
igual que la tarjeta de ignición y la tarjeta del gobernador. En la figura 2.42 se muestra
el diagrama de dicho acondicionador.
FIGURA 2.42. ACONDICIONADOR DE SEÑAL
FIGURA 2.43. PROTECCIONES PARA PLANTA DE EMERGENECIA DE 80 KW
76
2.2.1.8 CONEXIONES DE AC
La planta de emergencia cuenta con su gabinete de CA, en cual se encuentra la salida
de los embobinados del estator, es decir, el voltaje de salida trifásico generado por la
planta. La salida lleva un breaker de protección para la planta, esto es, un interruptor
termomagnético de la capacidad de la planta de emergencia que es de 300 AMP. Este
se calcula de acuerdo a la máxima corriente que nos entrega el equipo (el calculo se
encuentra en la memoria técnica).
También en este gabinete se encuentra la conexión del control de la planta, es decir, el
enlace entre tablero de transferencia y planta de emergencia, para que la planta
funcione automáticamente.
Para la lectura de voltaje de las fases, se utilizan unos transformadores de control,
llamados de interfase (figura 2.44), los cuales envían las señales analógicas de voltaje a
la tarjeta de control y esta interpreta los valores, desplegándolos digitalmente en el
display.
FIGURA 2.44. TRANSFORMADORES DE CONTROL PARA LECTURA DE VOLTAJE
2.2.1.9 TABLERO DE TRANSFERENCIA
El tablero de emergencia es un mecanismo magnético que tiene por objeto establecer o
interrumpir el paso de corriente. Es muy utilizado para automatizar equipos, en este
caso una planta de emergencia Este mecanismo consta principalmente de un contactor
de dos polos dos tiros (bifásicos) y tres polos dos tiros (trifásicos), además cuenta con
ciertos dispositivos para que el mecanismo sea autómata (relevadores, monitores de
fase, timers, relays, switches, tarjetas de monitoreo de fase). En la figura 2.45 se
muestra la principal aplicación del mecanismo de transferencia, el cual es alimentar
una carga (KW), ya sea del lado de Normal (CFE) o del lado de Emergencia (planta de
emergencia de CA).
FIGURA 2.45. SISTEMA DE TRANSFERENCIA
77
El contactor de dos tiros consta de dos bobinas (conectadas en serie), el cual permite
solo el paso de la corriente de un lado, ya sea de lado de Normal (CFE) o Emergencia
(generador). Las principales partes que componen el contactor son:
CARCAZA.- Soporte fabricado en material no conductor, con un alto grado de rigidez y
rigidez al calor, sobre el cual se fijan todos los componentes conductores del contactor.
ELECTROIMAN.- Es el elemento motor del mecanismo. Está compuesto por una serie
de elementos cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo,
generando un campo magnético muy intenso, el cual a su vez producirá un movimiento
mecánico.
BOBINA.- Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado y un gran numero de
espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético. El flujo magnético
produce un electromagnético, superior al par resistente de los muelles (resortes) que
separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse
estrechamente. Cuando una bobina se energía con CA, la intensidad absorbida por esta,
denominada corriente de llamada, es relativamente elevada, debido a que en el circuito
prácticamente solo se tiene la resistencia del conductor. Esta corriente elevada genera
un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede atraer a la armadura, a
pesar del gran entrehierro y la resistencia mecánica del resorte o muelle que los
mantiene separados en estado de reposo.
Una vez que se cierra el circuito magnético, al juntarse el núcleo con la armadura,
aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de llamada se reduce
considerablemente, obteniendo de esta manera una corriente de mantenimiento o trabajo
mucho más baja.
NUCLEO.- Es una parte metálica, de material ferromagnético que va fijo en la carcaza.
Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada
en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura.
ARMADURA.- Elemento móvil, cuya construcción se parece a la del núcleo, pero sin
espiras de sombra, Su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la
bobina, ya que en este estado de reposo debe estar separado del núcleo, por acción de un
muelle. Este espacio de separación se denomina entre hierro. Las características del
muelle permiten que, tanto el cierre como la apertura del circuito magnético, se realicen
en forma muy rápida (solo unos 10 milisegundos). Cuando el par resistente del muelle
es mayor que el par electromagnético, el núcleo no lograra atraer la armadura o lo hará
con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es demasiado débil,
la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria.
Como mencione anteriormente, algunos tableros de transferencia cuentan con sus
relevadores para activar las bobinas del contactor, timers, monitores de fase. Centa con
un control de interfase que se comunica con el control de la planta de emergencia a
través de un protocolo de comunicación MODBUS (más adelante se explica a detalle)
El tablero de transferencia HTS fue diseñado para trabajar con el controlador H-100, usa
comunicación por dos hilos. Es un tablero de transición abierta. Tiene retroalimentación
con el controlador del generador, todos los ajustes de voltaje y tiempos del sistema son
programados en el software del controlador del generador (Genlink). Figura 2.46.
78
FIGURA 2.46. TABLERO DE TRANSFERENCIA HTS
El funcionamiento de la tarjeta de display de interfase se detalla en el anexo 5.
En las siguientes figuras (2.47, 2.48, 2.49 y 2.50) se muestra la planta de emergencia de
80 KW, la cual he descrito anteriormente.
Interruptor para
mantenimiento
Tarjeta de display
de Interfase
Contactor
Barra de
neutros
Conexión del
control
Tarjeta de control de interfase
Tarjeta fuente
Relevadores de
transferencia y
retardo
79
FIGURA 2.47. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW (PARTE FRONTAL)
FIGURA 2.48. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW (PARTE TRASERA)
Controlador H100
Conexión CA
Motor
Salida de
Aire caliente
Entrada de
Aire fresco
Entrada de
Aire fresco Salida de
Aire caliente Generador
80
FIGURA 2.49. PANEL DE CONTROL
FIGURA 2.50. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW
Tarjeta de
gobernador
Circuito de campo
de arranque
Cargador
de batería
Tarjeta
de
control
Regulador de
voltaje
Tarjeta de
relevadores
Radiador Filtro de aire
Bobinas de
ignición y
bujías
Tarjeta de
ignición
Medidor de
aceite
Deposito de
reserva de
anticongelante
Motor de
arranque
Escape Escape
Filtro de
aceite
81
2.3. OPERACIÓN DE LA PLANTA DE EMERGENCIA
La planta de emergencia puede funcionar tanto en automático como en manual. Tiene
un interruptor tipo llave (SW1) para accionar dicha función. Este interruptor es el que
da el arranque inmediatamente (manual) y manda señal de espera a la señal de control
para el arranque (automático).
Explicare el funcionamiento en automático, que es la función en la cual se encontrara
operando siempre el equipo.
Fallo de red comercial (CFE).- Cuando la planta de emergencia se encuentra en auto,
esta lista para el funcionamiento, carga suministrada por la alimentación de la red.
Cuando la red falla (ya sea que caiga por debajo del 65 % del valor nominal, se pierda
una sola fase o se tenga un alto voltaje), se inicia un tiempo de demora de interrupción
de la línea de 10 segundos (opcionalmente programable a través del Genlink (Anexo
3)). Si aún no hay suministro de la red una vez finalizado el tiempo del cronómetro, la
planta se arrancará y pondrá en marcha. Una vez en funcionamiento, se iniciará un
cronómetro de calentamiento del motor de 5 segundos programable (opcionalmente
programable a través del Genlink (Anexo 3)). Cuando caduca el cronómetro de
calentamiento, el control transferirá la carga a la planta de emergencia.
Si la alimentación de la red se restablece (por arriba del 75 % del valor nominal) en
cualquier momento a partir del inicio del arranque del motor hasta que el generador
está listo para aceptar una carga (no ha transcurrido el tiempo de calentamiento de 5
segundos), el controlador completará el ciclo de arranque y hará funcionar el
generador a través de su ciclo normal de enfriamiento; sin embargo, la carga
permanecerá en la alimentación de la red (no habrá transferencia de carga)
Restablecimiento de red comercial.- El generador está suministrando alimentación a la
carga del cliente. Cuando regresa el servicio de la red (por arriba del 75 % del valor
nominal), se iniciará un cronómetro de 15 segundos de retorno a la red. Al completarse
el periodo indicado por este cronómetro, si la alimentación de la red aún está presente y
resulta aceptable, el control transferirá la carga nuevamente a la red y hará funcionar el
motor a lo largo de un periodo de enfriamiento de un 1 minuto (opcionalmente
programable a través del Genlink (Anexo 3)) y luego se apagará.
Si la red falla durante tres 3 segundos durante este periodo de enfriamiento, el control
transferirá la carga nuevamente al generador y continuará en funcionamiento mientras
monitoriza el regreso del servicio de la red.
82
La planta también cuenta con un programador semanal de ejercicio, el cual se programa
a través del controlador H-100 o a través del Genlink (anexo 3). La planta arrancara por
15 minutos una vez por semana el día y a la hora programada, esto es con el fin de que
el motor se mantenga lubricado, se mantenga cargada la batería y se eliminen problemas
de arranque previos. Cabe mencionar que dicho programador puede ser programado
para que funcione a menores revoluciones y para que no realice transferencia de carga.
En la figura 2.51 se muestra el diagrama de conexión de los dispositivos de arranque de
la planta de emergencia. La batería alimenta al motor de arranque, alternador, contactor
de arranque, cargador de batería y controlador. Cuando se arranca la planta, la tarjeta de
control envía una señal al contactor de control, el cual cierra sus contactos y alimenta al
motor de arranque a través de la batería, dicho motor de arranque impulsa al cigüeñal
del motor para que este inicie su movimiento.
Al mismo tiempo se envía una señal al solenoide de combustible, para permitir el paso
del gas hacia el carburador, y con la ayuda del gobernador, se controlara dicho paso de
combustible (figura 2.51 y 2.52).
En la figura 2.52 se muestra la conexión de los dispositivos del motor (sensores). La
tarjeta de ignición, recibe las señales del sensor de posición del árbol de levas y del
cigüeñal para así enviar las señales de voltaje a cada una de las bobinas de ignición en el
momento preciso, para que éstas a su vez eleven el voltaje que les llega a las bujías que
van en cada cilindro y así se produzca la chispa dentro de la cámara de combustión y se
produzca el movimiento del motor, que a su vez al estar acoplado al generador, se
generará la Corriente Alterna.
En otras palabras, al haber ya combustible y al actuar el árbol de levas del motor, se
realiza la mezcla de aire-combustible, y con la chispa de las bujías, se realiza la
combustión interna del motor, lográndose un movimiento mecánico del volante del
motor y éste, acoplado con la ayuda de unos discos flexibles, se conecta directamente al
rotor del generador (figura 2.55), el cual con su sistema de excitación y regulación de
voltaje (regulador de voltaje) mostrado en la figura 2.53, se genera energía eléctrica de
corriente alterna.
Con la ayuda de un controlador se puede monitorear el voltaje, corriente (figura 2.54),
frecuencia, etc. Dicho controlador es el cerebro del equipo, ya que se encarga de enviar,
recibir y gestionar todas las señales del motor, lográndose la generación de energía lo
más limpia posible.
La automatización del equipo se realiza con la ayuda de un tablero de transferencia
(mostrado en la figura 2.57), el cual consta de unos transformadores de sensado, que
vienen en una tarjeta llamada fuente, para detectar la pérdida de voltaje de normal
(CFE) y también sirvan como fuente de voltaje para alimentar la tarjeta de control de
interfase. Dicho sensado se envía a la tarjeta de control H-100 a través de una
comunicación de 2 hilos (puerto RS485); esto se logra con la ayuda de un circuito de
control (figura 2.56). La tarjeta de control H-100 interpreta que no hay voltaje en
normal y envía una señal al tablero de transferencia para que se lleve a cabo la
transferencia de carga, claro con sus respectivos tiempos de retardo para proteger el
equipo.
83
En las siguientes figuras se muestran los diagramas electrónicos de la planta de
emergencia y tablero de emergencia.
FIGURA 2.51. DIAGRAMA DEL SISTEMA DE ARRANQUE DE LA PLANTA
Batería
12 V
Tierra
Contactor de arranque
Localizado atrás del panel
de control
Motor de
arranque
Cargador de batería
Localizado atrás del panel
de control
Alternador
Solenoide de
combustible 2
Solenoide de
combustible 1
Sensor de
baja presión
84
FIGURA 2.52. DIAGRAMA DEL SISTEMA DEL MOTOR
Modulo de ignición
Mono Bloque del motor
Bobinas de ignición
Sensor para
posición del
cigueñal
Sensor para
posición del
árbol de levas
Sensor de
temperatura de
aceite
Tarjeta de
gobernador
Acondicionador
de señal
Sensor de
temperatura de
anticongelante Sensor de
nivel de
anticongelante
Sensor de presión de
aceite
Sensor
magnético para
RPM
Cilindro
Gobernador
85
FIGURA 2.53. DIAGRAMA DE LA CONEXIÓN DEL REGULADOR DE VOLTAJE, SWITCH DE
ARRANQUE Y DE PARO
Circuito de
arranque de
campo
Regulador de
voltaje
Switch de
encendido
Paro de
emergencia
Tarjeta de
relevadores
86
FIGURA 2.54. DIAGRAMA DE MEDICION DE VOLTAJE Y CORRIENTE DEL SISTEMA
FIGURA 2.55. DIAGRAMA DEL GENERADOR
Transformadores para la
medición de la corriente y
voltaje de la planta
Autoexcitación
Estator
Rotor Breaker
principal de
salida
Breaker
principal de
salida
87
FIGURA 2.56. DIAGRAMA DEL CONTROL DEL TABLERO DE TRANSFERENCIA
Tarjeta
fuente
Tarjeta de
control de
interfase
Tarjeta de
display de
interfase
Relevadores de
transferencia y
retardo
88
FIGURA 2.57. DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL TABLERO DE TRANSFERENCIA
Interruptor
para
mantenimiento
Transformadores de
sensado de la tarjeta
fuente
Contactor
Relevador
de retardo
Relevador de
transferencia
Relevador de
transferencia
Contactor
Transformador
de sensado
Transformador
de sensado
89
“MEMORIA TECNICA DE LA PLANTA
DE EMERGENCIA”
90
En la memoria técnica de la planta de emergencia, se encuentran todos los datos
técnicos de la instalación del equipo, como son todos los cálculos para determinar la
capacidad de la planta de emergencia, breaker de protección, cálculos para los
materiales de la instalación del equipo (ubicación, instalación eléctrica y de
alimentación de combustible) de acuerdo a las normas que la rigen.
3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO
Las plantas de emergencia se calculan para operar una carga con un factor de potencia
de 0.8, cuando el usuario opera una carga con un factor de potencia diferente, se deberá
realizar la corrección en los cálculos de la corriente según la fórmula 3.1:
)1.3(3 FPIVP
La medición realizada con ayuda de un amperímetro de gancho fue de 150 AMP, ya con
la corriente de arranque de los motores existentes. El cliente nos pide considerar un 20%
de crecimiento.
AMPI 180%20150
Así que se calculan los KW de acuerdo a dicha corriente de acuerdo a la formula
anterior (3.1) de potencia eléctrica:
KWP 8.54)8.0()180)(220(3
El cálculo se comprueba por medio de los consumos de los equipos que se respaldaran,
dichos consumos se obtienen de la placa de cada equipo:
CANTIDAD EQUIPO CONSUMO
UNITARIO (W)
CONSUMO
TOTAL (W)
20 Ventiladores 200 400
5 Televisión 250 1250
2 Equipo de audio 100 200
8 Computadoras 350 2800
3 Impresoras 500 1500
1 Calentador eléctrico para alberca 1300 1300
1 Refrigerador 700 700
1 Horno de microondas 1000 1000
1 Sistema de seguridad (CCTV) 3000 3000
3 Acondicionador de aire 3200 9600
2 Bombas de presión para agua de 1 HP 2000 4000
2 Bombas de presión de 3 HP 3000 6000
1 UPS de 6 KVA 10000 10000
60 Iluminación total 300 18000
TOTAL 59750
91
Considerando una planta de 80 KW, nos entrega una corriente total de 262 AMP.
Despejando I de la formula anterior:
)2.3(3 FPV
PI
AMPV
WI 262
8.02203
000,80
Que comparado con el dato en las hojas de especificaciones del equipo (anexo 2) es
similar, siendo de 278 AMP.
Los cálculos son correctos si la planta se encontrara al nivel del mar; pero para operar
en la ciudad de México y de acuerdo a las hojas de especificaciones del equipo:
Que es 1% por cada 100 m arriba de 183 m, estando la ciudad de México a una altura de
2200 metros sobre el nivel del mar. Tenemos una perdida del 20%, por lo tanto:
AMPII RNIVELDELMATOTAL 209%)20(
Cabe mencionar, que no se toma en cuenta la perdida de caída de tensión, ya que la
trayectoria del cableado es muy corta y la perdida por temperatura ya que por lo regular
en México no varia.
Por lo tanto, la planta de 80 KW, será capaz de respaldar la carga sin ningún problema
de sobrecarga, ya que nos entrega 209 AMP netos y se respaldara 180 AMP.
Para el cálculo de la protección del equipo, tenemos que el equipo nos entrega 209
AMPERES, este multiplicado por el factor de sobrecarga para un interruptor
termomagnético que es de 1.25, tenemos una protección de:
AMPxI
fxII
proteccion
scimaproteccion
25.26125.1209
)3.3(max
Así la protección será de 300 AMP, al igual que como lo indica las hojas de
especificaciones.
Para el análisis de la instalación de la planta, se realiza un dibujo isométrico de dicha
instalación, en donde se incluye la ubicación de la planta, tablero de transferencia,
tablero general y tanque de gas, así como la trayectoria eléctrica y de gas, con medidas
reales.
En la figura 3.1 se muestra el levantamiento de dicho proyecto. Se analiza el sistema y
se decide colocar un tablero externo para que sea el tablero general para la planta de
emergencia y tablero de transferencia; quedando el tablero existente como tablero de
distribución únicamente.
92
FIGURA 3.1. ISOMETRICO DE INSTALACION DE PLANTA
Planta De
Emergencia
Tablero de Distribución
Tablero general
Tablero de
Transferencia
Tanque de gas
Regulador de alta
presión con su
manómetro
Regulador de baja
presión
Manómetro de
baja presión
3 m
2 m
10 m
15 m
10 m
2 m
1 m
3 m
5 m 2 m
1 m
1 m
3 m
1 m 6 m
1 m
Línea de
llenado
93
3.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO
La planta quedara instalada dentro del estacionamiento del colegio, el cual cuenta con
suficiente ventilación para la entrada de aire fresco y salida de aire caliente, sin la
necesidad de colocar un sistema de escape. El tablero de transferencia quedara a una
distancia de 10 metros de la planta de emergencia. El tablero general quedara a una
distancia de 1 metro (mas cuatro metros que se le agregaran para instalar el nuevo
tablero general para la planta del tablero existente). El tablero de distribución quedara a
una distancia de 8 metros del tablero de transferencia. Su sistema ya cuenta con tierra
física. El tanque de gas estacionario de LP quedara en la azotea del colegio (debido a
que debe de estar en exterior forzosamente por norma) a una distancia de 33 metros de
la planta de emergencia, además 12 metros para la línea de llenado.
Se le hará una base de concreto a la planta de emergencia y se le colocara tela ciclón
para delimitar área.
3.3 SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Se utilizo principio de regulación a dos etapas. Inmediatamente después del tanque
estacionario, se instala un regulador de alta presión (regulador de primer etapa) para que
este reciba el gas directamente del tanque estacionario con las variaciones de presión
conocidas y le permita fluir hacia y por la tubería de servicio en alta presión regulada a
valores promedio de 0.70 a 1.50 Kg/cm2, según la época del año y temperatura
ambiente. Al final de la tubería de servicio de alta presión regulada, y a una distancia no
menor de 3 metros antes de la planta de emergencia se instala precedido de una válvula
de globo para gas en estado de vapor, un regulador de baja presión (regulador de
segunda etapa) para reducir la presión a un valor constante de 11 a 14 pulgadas de agua,
que es la presión de trabajo de la planta de emergencia a gas LP.
Con la regulación a dos etapas se evitan las variaciones notables en la presión recibida
por los reguladores de segunda etapa, obteniéndose una presión uniforme en las tuberías
de servicio, consecuentemente un óptimo funcionamiento del equipo. También se
reducen considerablemente los diámetros de las tuberías de servicio y con ello los
costos de materiales y de mano de obra. Los reguladores de alta y de baja necesitan
llevar forzosamente su manómetro de presión, para verificar la presión que se esta
manejando para la planta; además de colocar siempre a la llegada de la planta una
manguera flexible, para evitar vibraciones hacia la tubería y posibles fugas.
Para garantizar el volumen de presión que requiere la planta de emergencia, y no tenga
problemas de arranque y funcionamiento, a parte de los reguladores de gas, caemos a
dimensionar adecuadamente el diámetro de la tubería de gas y la capacidad del tanque
estacionario. La tabla 3.1 será la referencia principal para el cálculo del diámetro de la
tubería, en la que se toma en cuenta la distancia que se encuentra la planta de
emergencia al tanque de gas estacionario (en pies) y el consumo del equipo en ft3/hr .
Durante la planificación inicial de la instalación, también se deben ser considerados los
aparatos que puedan ser alimentados en el futuro y los que se alimentaran también al
mismo tiempo, esto con el fin de no tener problemas de arranque y de operación de la
planta de emergencia.
94
Como se menciono anteriormente, con la regulación a dos etapas, se reducen costos. Ya
que se coloca por lo regular tubería de ½” o ¾” toda la trayectoria de alta presión (de la
salida del tanque y regulador de alta a la entrada del regulador de baja), y ya en la línea
de baja presión (salida de regulador de baja a la planta) se coloca el diámetro de tubería
que se obtiene de la tabla siguiente. TABLA 3.1
DIÁMETRO DE TUBERIA
DISTANCIA ½” ¾” 1” 1 ¼” 1 ½” 2”
15’ 76 172 345 750 1220 2480
30’ 52 120 241 535 850 1780
45’ 43 99 199 435 700 1475
60’ 38 86 173 380 610 1290
75’ 77 155 345 545 1120
90’ 70 141 310 490 1000
105’ 65 131 285 450 920
120’ 120 270 420 800
150’ 109 242 380 780
180’ 100 225 350 720
210’ 92 205 320 600
240’ 190 300 620
270’ 178 285 580
300’ 170 270 545
450’ 140 226 450
600’ 119 192 300
Para el cálculo del tanque estacionario, se tomara como referencia la siguiente figura
3.2, con base de la más baja temperatura esperada y a un 50 % lleno.
FIGURA 3.2. GRAFICA PARA DETERMINAR CAPACIDAD DE TANQUE DE GAS
ESTACIONARIO Al 50% LLENO
Tamaño del
tanque
(Litros)
Consumo
(ft3/h)
95
El tanque debe ser dimensionado de acuerdo a su temperatura de vaporización del
combustible y no por el tiempo de combustible consumido. Para el buen funcionamiento
de la planta, se requiere que el tanque de gas cuente con un mínimo del 80% lleno, y no
llenarlo al 100% para que tenga un margen para la presion, aunque como mencione, el
cálculo para la capacidad del tanque se realiza considerando un tanque al 50%, para
considerar las diferentes temperaturas que se puedan tener dependiendo del tiempo,
como lo indica la grafica de la figura 3.2.
La instalación de gas se calculo de acuerdo a la capacidad de la planta (consumo de gas)
la cual es de 800 ft3/hr, según las hojas de especificaciones (apéndice 2) y su trayectoria
que es de de 110’, con la ayuda de la grafica de la figura 3.2. Así, la instalación de gas
de nuestro equipo se realizó a dos etapas, con su regulador y manómetro de alta presión
a la salida del tanque, su regulador y manómetro de baja presión a 5 metros de la planta
de emergencia, con un tanque de 1000 litros de capacidad, tubería de ¾” para la línea de
alta presión, tubería de 2” para la línea de baja presión, con sus respectivas válvulas de
esfera a la salida del tanque y a la llegada a la planta y su manguera flexible; además un
juego de línea de llenado con tubería de ¾”. En el anexo 1 se encuentran las
especificaciones de los reguladores de presión y los manómetros utilizados.
3.4 INSTALACION ELECTRICA
Se realiza el enlace eléctrico entre planta de emergencia y tablero de transferencia
(cables de control y cables de fuerza (del tipo THW)), en tubo galvanizado. Se realiza la
conexión entre tablero de transferencia y tableros existentes o instalados (general y de
distribución). Ver figura 3.3.
FIGURA 3.3. INSTALACION ELECTRICA DE PLANTA DE EMERGENCIA
El tablero de transferencia es el enlace entre planta de emergencia y tablero de
distribución (cargas protegidas). Maneja una comunicación vía MODEM, que utiliza un
cable blindado con 3 hilos (RS485 +, RS485 – y RS485 malla (tierra)) para comunicarse
con la planta de emergencia. También puede ser configurado para arranque remoto a 2
hilos (178 y 183).
Tablero de
transferencia
Tablero
principal
Tablero de
distribución
Carga
Cables de control
Cables de
fuerza
PLANTA DE
EMERGENCIA
Acometida
(CFE)
Medidor
Base
96
Obedece tanto al arranque remoto como al de sensado por vía MODEM al mismo
tiempo. Es necesario que dentro del conducto de control, se deba incluir un hilo para
conectar el cargador de batería de la planta.
El cableado de control nunca deberá ser instalado junto con el cableado de fuerza, para
evitar inducción o interferencia electromagnética, que pudiera afectar la correcta
operación de las unidades de control y gobernadores electrónicos, así mismo para evitar
que el calentamiento generado en las mismas líneas de fuerza afecte el cableado de
control. Un factor importante a considerar, es la distancia que existe entre el tablero de
transferencia y la planta, para calcular el diámetro adecuado del conductor de fuerza y
control, evitando de esta manera que existan problemas por calentamiento y caídas de
voltaje por diámetros inadecuados o cálculos mal realizados. El cable de control
recomendado, se muestra en la tabla 3.2, el cual depende de la distancia entre
transferencia y planta.
TABLA 3.2
DISTANCIA (M) CALIBRE (AWG)
15 14 o 18 x 2 (blindado)
30 12 o 16 x 2 (blindado)
50 10 o 14 x 2 (blindado)
La instalación del cableado de fuerza se deberá calcular para que los conductores
seleccionados soporten la máxima corriente que entrega la planta de emergencia,
considerando una sobredimension por expansión futura, así mismo deberá soportar el
voltaje de operación del sistema. Con la ayuda de la tabla 3.3 podemos realizar el
cálculo. TABLA 3.3
CALIBRE (AWG) CORRIENTE ADMISIBLE (AMP)
14 20
12 25
10 35
8 50
6 65
4 85
2 115
1/0 150
2/0 175
3/0 200
4/0 230
250 255
300 285
97
Se debe incrementar el calibre de cables al próximo superior en caso de que la distancia
sea mayor de 50 metros. Al igual que los conductores, los ductos también se
dimensionan de acuerdo al número de cables que llevara la instalación y al calibre de
dichos conductores, en nuestro caso será a través de tubos conduits galvanizados (tabla
3.4).
TABLA 3.4
DIAMETRO NOMINAL DEL TUBO mm (pulg)
CALIBRE
(AWG)
13
(1/2”)
19
(3/4”)
25
(1”)
32
(1¼“)
38
(1½“)
51
(2”)
63
(2½“)
76
(3")
14 8 14 22 39 54
12 6 11 17 30 41 68
10 4 8 13 23 32 52
8 2 4 7 13 17 28 40
6 1 2 4 7 10 16 23 36
4 1 1 3 5 7 12 17 27
2 1 1 2 4 5 9 13 20
1/0 1 1 2 3 5 8 12
2/0 1 1 1 3 5 7 10
3/0 1 1 1 2 4 6 9
4/0 1 1 1 3 5 7
250 1 1 1 2 4 6
300 1 1 2 3 5
Así, para la instalación eléctrica de nuestro equipo, se utilizó tubo conduit galvanizado
de 3” (fuerza) para facilitar el cableado y ½” (control), tubo flexible de 3” y ½” para las
conexiones a la planta y tableros, cable calibre 4/0 (fuerza), calibre 2/0 desnudo (tierra
física), calibre 14 (cargador de batería) y blindado 18 x 2 (comunicación).
98
“INSTALACION Y PUESTA EN MARCHA
DE PLANTA DE EMERGENCIA”
99
4.1 INSTALACION DE LA PLANTA DE EMERGENCIA
Ya con la memoria técnica del equipo, se procede a realizar la instalación propia de la
planta de emergencia. Lo primero es realizar su base de concreto, de acuerdo a las
medidas y peso de la planta. En la figura 4.1 se muestra dicha base.
FIGURA 4.1. BASE DE CONCRETO PARA PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW
Posteriormente se pasa a realizar la instalación eléctrica. Para esto se fijan antes, planta
de emergencia (figura 4.2), tablero de transferencia y tablero general (4.3).
FIGURA 4.2. PLANTA DE EMERGENCIA QT08024
FIGURA 4.3. TABLERO DE TRANSFERENCIA HTS Y TABLERO GENERAL
100
Se realiza la instalación de la tubería de la planta de emergencia al tablero de
transferencia (figura 4.4), del tablero de transferencia al tablero general (figura 4.5) y de
estos a su tablero de distribución (figura 4.6).
FIGURA 4.4. INSTALACION ELECTRICA DE PLANTA A TRANSFERENCIA
FIGURA 4.5. INSTALACION ELECTRICA DE TRANSFERENCIA A TABLERO GENERAL
FIGURA 4.6. INSTALACION ELECTRICA DE TRANSFERENCIA Y TABLERO GENERAL AL
TABLERO DE DISTRIBUCION
Ducto De
fuerza
Ducto De
control
Ducto De fuerza
CFE
Tablero de
transferencia
Tablero
general
Ducto de
fuerza de
salida
(Carga)
Ducto de
fuerza de
entrada
(CFE)
101
Posteriormente se realiza el cableado como se muestra en el diagrama de la figura 4.7.
FIGURA 4.7. CABLEADO DE FUERZA Y CONTROL ENTRE PLANTA DE EMERGENCIA Y
TABLERO DE TRANSFERENCIA.
En la figura 4.8 se muestra la conexión del cableado del tablero general (instalado por
nosotros) y de la planta de emergencia al tablero de transferencia.
Panel de control
H-100
Tablero de
transferencia
HTS
Utilidad
(CFE)
Salida
(Carga)
Generador
Cable de Fuerza
Cable para
alimentar cargador
de batería
Cable de control
(Comunicación)
Entrada
Cargador
Batería
Cable de control
(Comunicación)
Cable de Fuerza
Neutro
Neutro
Planta de
emergencia
Clema para
cables de
control
102
FIGURA 4.8. CONEXIÓN DEL CABLEADO ELECTRICO AL TABLERO DE TRANSFERENCIA
Las tres protecciones (tablero general, tablero de transferencia y planta de emergencia)
son de la misma capacidad, es decir de 300 AMP.
Tablero de
transferencia
HTS
Tablero
General
Interruptor de salida
planta de emergencia
Salida al tablero de
distribución
Conexión del
Cable de
control
Conexión del
Cable de
control
103
Para realizar la conexión al tablero general y tablero de distribución, fue necesario abrir
el circuito, ya que como se menciono al principio de la instalación, el tablero general y
de distribución era el mismo y estaban conectados a través de unas barras de cobre. Así
que se instalo el otro tablero general y se retiraron las barras que conectaban el
interruptor principal con las barras de distribución como se muestra en la figura 4.9.
FIGURA 4.9. CONEXIÓN DEL CABLEADO ELECTRICO AL TABLERO DE DISTRIBUCION
Barras de
cobre
retiradas
Carga
CFE
(Proveniente del
transformador)
Barra de
neutros
Barra de
tierra física
104
Terminado lo eléctrico, lo siguiente es la instalación del combustible, suministro de gas
LP. En la figura 4.10 se observa el gas estacionario, línea de alta presión y línea de
llenado, con su regulador de alta.
FIGURA 4.10. INSTALACION DE GAS (ALTA PRESION)
En la figura 4.11 se muestra la línea de baja presión (llegada a la planta).
FIGURA 4.11. INSTALACION DE GAS (BAJA PRESION)
Tanque estacionario
1000 Litros
Regulador con
manómetro de alta
presión
de 1-3 Kg/m2
Línea de alta
presión
Línea de
llenado
Línea de alta
presión
Regulador de
baja presión
Línea de baja
presión
Manómetro de
baja presión
Manguera
flexible
Válvula de esfera
para mantenimiento
De 11 – 14 pulgadas de agua
105
4.2 PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA
Ya que el equipo esta correctamente instalado, se lleva a cabo su puesta en marcha, en
el cual se arranca el equipo siguiendo un protocolo, lo cual consta de revisar sus
parámetros más importantes (presión de entrada de combustible, nivel de aceite, nivel
de anticongelante, voltaje de batería, cargador de batería). Se configuran algunos
parámetros como son: voltaje, frecuencia, ganancia, estabilidad (se ajustan solo en caso
de ser necesario), estos ajustes se realizan a través de la PC con la ayuda del software
Genlink (Anexo 3). La conexión se realiza por el puerto RS232, con un cable serial. Ver
figura 4.12.
FIGURA 4.12. CONEXIÓN A PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW
Todo el arranque se lleva cabo con la conexión a la PC. En el anexo 3 se muestra la
instalación, conexión y menú principal de configuración del software Genlink, en el
cual se pueden visualizar y modificar algunos parámetros del sistema y en el anexo 4
tenemos las características del controlador H-100 y sus principales menús para la
verificación de los principales parámetros de operación.
Antes de conectarnos al controlador con el Genlink, se procede a verificar las
conexiones del tablero de transferencia. Es necesario conectar un cable para que exista
la comunicación entre el tablero de transferencia y el controlador H-100 (figura 4.13),
que no es más que la alimentación hacia la tarjeta de interfase del tablero de
transferencia.
FIGURA 4.13. CONEXIÓN DE LA TARJETA DE INTERFASE DEL TABLERO DE
TRANSFERENCIA
Voltaje de respaldo
para alimentación de
tarjeta de interfase de
tablero de emergencia
Cable
desconectado
Cable
conectado
Conexión al
controlador
Puerto RS232
Cable de
comunicación serial
Controlador H-100
106
Ya verificado todo lo anterior, nos conectamos al equipo a través del Genlink, y se
procede a enlazar la comunicación entre el controlador H-100 y el tablero de
transferencia. Se puede hacer directamente con el controlador H-100 (Anexo 4) o con el
Genlink (figura 4.14).
FIGURA 4.14. HABILITAR COMUNICACIÓN ENTRE CONTROLADOR H-100Y TABLERO DE
TRANSFERENCIA A TRAVES DEL GENLINK
Ya estando comunicados, se arranca el equipo en manual y se verifican valores en la PC
(figura 4.15). También se realizan mediciones con la ayuda de un multimetro para
verificar que las lecturas sean correctas.
FIGURA 4.15. SOFTWARE DE MONITOREO DE PLANTA DE EMERGENCIA
107
Los valores mas importantes a verificar son el voltaje, la frecuencia, temperatura del
anticongelante, presión de aceite, voltaje de batería, velocidad del motor y la frecuencia.
También se pueden verificar estos parámetros con el controlador H-100 (Se detalla en el
anexo 4). Ver figura 4.16.
Menú principal medición de temperatura y presión
Medición de voltaje sin carga
FIGURA 4.16. MEDICION DE PARAMETROS CON EL CONTROLADOR H-100
Finalmente se procede a realizar las pruebas en automático, simulando perdida del
suministro normal de energía para realizar transferencia. Se vuelven a verificar
mediciones a través del controlador (figura 4.17).
FIGURA 4.17. MEDICION DE LA CARGA CON EL CONTROLADOR H-100
Se verifica la secuencia de las fases del generador, que coincidan con el sentido de las
fases del servicio normal, debido a que existen motores trifásicos. Esto se verifica con
el controlador H-100 y el Genlink, ya que cuenta con una alarma preventiva de falla de
secuencia de fases. En caso de que no coincida la secuencia, solo se intercambian unas
de las salidas de las fases del generador.
Ya verificando que todo esté en orden, se deja el equipo operando en automático. Se
deja funcionando en óptimas condiciones con lo que el cliente queda completamente
satisfecho. Quedando la planta de emergencia como se muestra en la figura 4.18.
FIGURA 4.18. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP TRIFASICA, IMPLEMENTADA
EN EL COLEGIO SIMON BOLIVAR
108
“COSTO-BENEFICIO”
109
En este capitulo, se explica brevemente los beneficios que nos proporciona nuestro
equipo de emergencia. El por que es una solución muy viable para cualquier cliente que
la requiera.
Como ya se menciono anteriormente, la función principal de una planta de emergencia
de CA es suministrar energía eléctrica a una carga en la cual la interrupción por parte de
la línea comercial puede ser critica o provocar pérdidas cuantiosas en una empresa por
detener el proceso, perdida de información en los equipos de computo respaldados por
sistemas NO-BREAKS o UPS’s, en los cuales el respaldo se limita a unos cuantos
minutos, o a la perdida de las comunicaciones como es en el caso de las estaciones
retransmisoras, estaciones de radio, televisión, telefonía celular.
Así, que la planta de emergencia en si, por su función principal, siempre será eficiente y
nos ahorrara perdidas en costos de operación. Además de que la planta implementada se
alimenta con gas LP (bajo consumo y menor contaminación), es trifásica, cuenta con
encendido totalmente electrónico y gobernador electrónico, caseta semi-acústica
(menor ruido), muy fácil de instalar y fácil de mantenimiento. A continuación explicare
cada uno de los beneficios que acabo de mencionar, los cuales se reflejan directamente
en los costos del equipo.
Al ser nuestro equipo trifásico, diré algunas de las razones por las que la energía
trifásica es superior a la monofásica: La potencia en KVA (Kilo Volts-Ampere) del
motor trifásico es aproximadamente 150 % mayor que la de un motor monofásico. En
un sistema trifásico balanceado los conductores necesitan ser el 75 % del tamaño que
necesitarían para un sistema monofásico con la misma potencia en VA, por lo que esto
ayuda a disminuir los costos y por lo tanto a justificar el tercer cable requerido. La
potencia proporcionada por un sistema monofásico cae tres veces por ciclo. La potencia
proporcionada por el sistema trifásico nunca cae a cero por lo que la potencia enviada a
la carga es siempre la misma, no existe tanta perdida de energía.
El principal beneficio de nuestro equipo es el combustible utilizado: gas LP. El gas LP
es actualmente el combustible alterno más práctico y uno de los menos contaminantes,
además de poseer en México un precio preferencial inferior al de la gasolina y el diesel.
Adicionalmente, su uso en motores, contribuye a disminuir las emisiones de partículas y
es actualmente la alternativa de solución más radical al problema de las emisiones
contaminantes.
Como ya sabemos, el gas LP esta compuesto de butano y propano de uso comercial. Es
incoloro e inodoro (se le agregan odorantes para detectarlo en caso de fugas); tiene la
propiedad de volverse líquido a temperaturas atmosféricas cuando es sujeto a una
compresión moderada, y regresa a su estado gaseoso cuando esta presión se reduce.
Gracias a esta propiedad, el gas LP se puede almacenar y transportar en estado líquido,
en cilindros o tanques. Así, puede ser manejado con la conveniencia de un líquido y
utilizado con el beneficio particular de los combustibles gaseosos. Se puede transportar
a cualquier lugar, ya sea en la ciudad o el campo, pues es posible almacenarlo en
recipientes; y tiene una combustión completa y limpia, por lo que en grandes ciudades
con problemas de contaminación vehicular, se utiliza como combustible de
automotores.
110
A pesar de que el gas LP es más denso que el aire, el buen estado de la instalación
permite que el gas se disperse en caso de que exista alguna fuga.
El sistema debe interactuar con el control del microprocesador del motor (tarjeta de
control de la planta) y los sistemas de control de emisiones, esto con el fin de modular la
alimentación del gas LP dentro del motor para optimizar los niveles de potencia y
emisiones.
Otra gran ventaja que tiene el uso del gas LP como combustible, es que los motores no
requieren grandes modificaciones; el sistema de suministro está constituido por un
tanque de almacenamiento en los cuales se almacena el gas LP; de aquí, el gas es
conducido a través de una línea de alta presión a un regulador que provoca una caída en
la presión para, posteriormente pasar por una válvula solenoide la cual impide el paso
del gas al dejar de funcionar el motor, por medio de un carburador el gas es admitido en
la corriente de aire del puerto de admisión o del cuerpo de aceleración, mezclándose con
éste.
El sistema implementado, cuenta con un gobernador electrónico, lo cual incrementa la
eficiencia del equipo, se tiene un mejor control en el consumo de combustible, se
disminuyen los tiempos muertos de recarga de combustible, no existe evaporación del
combustible y se evita la extracción indebida de combustible.
Al contar con un sistema totalmente electrónico, reemplazando los dispositivos
mecánicos del sistema por la aplicación de componentes electrónicos, se obtiene mayor
precisión y mayor eficiencia. El mantenimiento de este sistema de encendido es
prácticamente nulo.
En cuanto a la operación y mantenimiento de las plantas de emergencia que consumen
gas LP, se puede afirmar que existe un gran ahorro por estos conceptos. El gas LP tiene
un octanaje de 130, característica que permite incrementar la potencia de los motores,
propiciando que trabajen con mayor eficiencia, evitando dejar residuos de la
combustión, y por lo tanto desgastando menos los motores, los costos de mantenimiento
se ven reducidos al poder espaciar los cambios de aceite, bujías y filtros.
Por todo lo mencionado anteriormente, decidimos llevar a cabo dicho proyecto además
de que al cliente le pareció muy atractivo y muy eficiente, se redujeron los costos de
operación e instalación considerablemente.
111
“CONCLUSIONES”
112
Las maquinas eléctricas rotatorias toman muchas formas y las conocemos por muchos
nombres: de cd, sincrónicas, de imán permanente, de inducción, de reluctancia variable,
de histéresis, etc. Aunque esas maquinas parezcan muy diferentes y necesiten de varias
técnicas analíticas, los principios físicos que gobiernan su comportamiento son bastante
semejantes, y de echo esas maquinas se pueden explicar con frecuencia con el mismo
cuadro físico.
Las plantas de emergencia se consideran maquinas rotatorias sincronías, este nombre se
deriva de que la frecuencia en ciclos por segundo con que opera la planta de emergencia
es la misma que la velocidad del rotor en revoluciones por segundo, es decir, la
frecuencia eléctrica esta sincronizada con la velocidad mecánica. En este tipo de equipo,
el devanado de armadura es el miembro estacionario o estator, mientras que el devanado
de campo es el miembro rotatorio o rotor, en este último se contienen las bobinas de
excitación o fuente de flujo magnético. Esta característica diferencia este tipo de
maquina de los demás tipos de maquinas rotatorias.
Cuando un generador sincrónico suministra energía eléctrica a una carga, la corriente de
la armadura crea una onda de flujo magnético en el entrehierro, que gira a velocidad
sincrónica. Este flujo reacciona con el flujo creado por la corriente del campo y se
provoca un par electromagnético de la tendencia a linearse que tienen estos dos campos
magnéticos. En un generador este par se opone al giro, y la maquina de impulsión debe
suministrar el par mecánico para sostener la rotación. Este par electromagnético es el
mecanismo mediante el cual el generador sincrónico convierte la energía mecánica en
energía eléctrica
En un motor, el par electromecánico esta en la dirección de giro y compensa al par de
reacción necesario para impulsar la carga mecánica. El flujo que producen las corrientes
en la armadura de un motor sincrónico gira adelante del que produce el campo, y así jala
sobre el campo y efectúa trabajo. Caso contrario al generador sincrónico, en el cual el
campo efectúa trabajo al jalar el campo de la armadura, que esta retrasado. Tanto en los
generadores como en los motores se produce el par electromagnético y un voltaje
rotacional. Estos son los fenómenos esenciales de la conversión de la energía
electromagnética, que fue nuestro principal objetivo. Esto se logro con un motor de
combustión interna y un generador sincrónico.
Cabe mencionar que el regulador de voltaje es el encargado de llevar a cabo el
funcionamiento de la maquina generadora sincrónica, y con el análisis matemático de
dicho dispositivo, se comprendió mucho mejor la operación del equipo y se llego
también a la conclusión de que al ser digital, se logra una mayor eficiencia y mayor
precisión del equipo.
Sabemos que aunque son esenciales las técnicas analíticas y los modelos matemáticos
para el análisis de maquinas eléctricas, la intuición física es una herramienta valiosa en
la ingeniería para el análisis y aplicación de estos dispositivos.
113
La introducción al generador síncrono y al motor de combustión interna fue
fundamental en esta tesis, ya que gracias a eso, logramos entender mejor el
funcionamiento de la planta de emergencia. Otra parte primordial para entender el
funcionamiento del equipo fue el sistema de control (controlador H100), que es el
cerebro del equipo, el cual interactúa con los dispositivos principales, como son el
regulador de voltaje, gobernador electrónico, sensores para las protecciones, etc.
El proyecto se tomo desde el levantamiento, hasta la puesta en marcha del equipo; se
tomaron muchas decisiones, se hicieron requisiciones, cotizaciones, supervisión de
técnicos para la instalación y operación de la propia planta de emergencia. Con esto, se
cumplió con el objetivo principal y con los objetivos específicos en su totalidad.
En un futuro muy próximo, las plantas de emergencia a gas LP serán unas de las
aplicaciones más utilizadas en los próximos años y se introducirán aun más en el
mercado debido a la gran eficiencia que proporcionan. Además se requerirán más de
estos equipos debido a los continuos cortes de energía que se siguen presentado, que
han sido principalmente por el mal clima que vivimos, malas instalaciones subterráneas,
y por el problema que surgió con la compañía de LUZ y FUERZA.
Gracias a su fácil instalación y funcionamiento del equipo, los clientes han recurrido a
esta solución. El gas LP como combustible es mucho más barato que el diesel o la
gasolina, como ya se dijo, además de que estos últimos siguen subiendo de precio muy
rápidamente, en cambio el gas LP se mantiene más estable. También el bajo ruido es un
factor muy importante al igual que la disminución de la emisión de gases.
El trabajo realizado fue todo un éxito, ya que todo funciono correctamente a lo
estipulado y el cliente quedo completamente satisfecho, tanto que nos solicito una
póliza de mantenimiento anual para que nosotros la mantengamos vigilada al 100%.
Además nos han solicitado más de estas plantas a gas LP, claro de diferentes
capacidades, para diferentes instalaciones de sus colegios, ya que cuentan con muchos
de estos colegios en México, siendo todos muy reconocidos.
Por todo lo anterior, la instalación y puesta en marcha de la planta automática de
emergencia a gas LP dejo ganancias tanto a nuestra empresa como al cliente, con lo que
se puede deducir que fue todo un buen negocio en el que se implico la nueva tecnología
del diseño de nuestros equipos.
114
115
[1] Manual de usuario de planta de 80 KW
Generac
[2] Máquinas eléctricas
Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans
Mc Graw Hill
[3] Manual de aplicación
Generadores enfriados por líquido
Cummins power generation
[4] Manual técnico
Plantas generadores de energía eléctrica con sistema de control DALE 3100
Ottomotores
[5] Electromagnetismo y materia. Física Vol. II
Feynman, R. y Leighton
Addison-Wesley Iberoamericana
[6] Electricidad y Magnetismo. Física Universitaria vol. II
Sears, Francis W., Zemansky, Mark W., Young, Hugh D.
Editorial Pearson Educación.
[7] Electricidad Automotriz
F. Niess, R Kaerger B. Willenbuecher
Colecciones Tecnológicas Lima
[8] Sistema Eléctrico - Electromagnetismo
F. Nash.
[9] Comunicación eléctrica
Shrader.
Mac-Graw-Hill.
[10] Instalaciones eléctricas, Introducción a las instalaciones eléctricas
Bratu.
Alfa omega grupo editor, 2da. Edición, México D. F.
[11] Guía práctica para el cálculo de instalaciones eléctricas
Harper
Editorial Limusa.
[12] Manual de servicio para instalación de gas LP
ECII (Engineered controls International, Inc)
[13] www.automecanico.com
[14] www.monografias.com
[15] www.es.wikipedia.org
116
117
ANEXO 1
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE REGULADORES DE GAS Y MANOMETROS
REGULADOR MODELO 10-1757 DE PRIMERA ETAPA (ALTA PRESION)
Adecuado para servicio en líquido y vapor. Su aplicación principal es como regulador
de primera etapa y en quemadores de alta presión, sopletes, calentadores y llenado de
aerosoles. Es aplicable en CO2, aire a presión, como regulador piloto en aire para
instrumentos, en herramientas y una amplia variedad de aplicaciones industriales. El
cuerpo del regulador tiene incorporada una salida roscada (1/4" NPTH) para montar un
manómetro y poder controlar la presión de salida hacia la línea de servicio. El producto
cumple con la norma norteamericana UL-144 , con la certificación NUM. 83GJ.
ESPECIFICACIONES:
CUERPO Y TAPA: Aluminio inyectado
DIAFRAGMA: Buna-N reforzada con Nylon
VASTAGO: Acero Inoxidable. SELLO: Buna-N
RESORTES: Acero al carbono
CONEXIONES: Entrada: 1/2 M NPTH (12.7 mm).
Salida: 1/2 M NPTH (12.7 mm).
CAPACIDAD EN PROPANO (1): 3,628,800 BTU/hr (40.8 m3/hr).
PRESION MAXIMA DE TRABAJO: 17.5 kg/cm2 (250 psig).
1) Basadas en una presión de entrada de 100 psig (70 kg/cm2)
2) Para otras aplicaciones consultar a la planta.
El manómetro de alta presión que utiliza este regulador es de 0 a 7 Kg/cm2.
118
REGULADOR MODELO REGO DE SEGUNDA ETAPA (BAJA PRESION)
Los reguladores de segunda etapa se diseñan para reducir la presión que se recibe del
regulador de primera etapa a la presión de trabajo del los aparatos de consumo. También
es aplicable en el control de la presión de aire para instrumentos y en manejo de CO2.
Su utilización permite suministrar presión en rangos muy controlados y sin variaciones
a los aparatos de consumo, permitiendo un control muy preciso de la combustión en los
mismos, al mismo tiempo que ayuda a reducir la condensación de humedad en los
orificios de los reguladores garantizando un servicio continuo en la línea de
abastecimiento. La instalación se realiza sin herramientas especiales. La calibración a la
presión de servicio es simple y fácil. El producto cumple las especificaciones de la
Norma Oficial Mexicana NOM-018/4.
ESPECIFICACIONES:
CUERPO Y TAPA: Aluminio inyectado
DIAFRAGMA: Buna-N
VÁLVULA: Nylon con fibra de vidrio
SELLO: Buna-N
RSORTE: Acero al carbono
CONEXIONES: ENTRADA 1/2" (13mm), 3/4" (19mm) y 1" (25mm)
SALIDA 1" (25mm)
CALIBRACIÓN DE FÁBRICA: 11" C.A. (279 mm C.A.)
RANGO DE AJUSTE: 229-330 mm C.A. (9-13" C.A.)
PRESION MAXIMA DE
ENTRADA: 1.75 kg/cm2 (25 psig)
MANOMETRO DE BAJA PRESION
Código: 63200
Descripción:
Manómetro marca metron para bajas presiones, carátula de 2-1/2" de diámetro, conexión
inferior de 1/4" npt, bourdon y conexión en bronce. Escala dual en onza/pulg2 y cm H20.
Rangos: 0-20 oz/pulg2 0-30 oz/pulg2 0-40 oz/pulg2 0-60 oz/pulg2 0-80 oz/pulg2 0-100 oz/pulg2
119
ANEXO 2
HOJA DE ESPECIFICACIONES DE PLANTA DE 80 KW
Capacidad en KW 80
Modelo de motor 4.6 L V8
Salida del generador 80 KW/60Hz (AMP)
120-240 V, 1 fase, 1.0 fp
120-208 V, 3 fases, 0.8 fp
277-480 V, 3 fases, 08 fp
Breaker de protección
333 400
278 300
120 150
KVA disponibles de rotor bloqueado del
generador
1 fase o 3 fases 208 V
3 fases 480 V
160
185
Consumo de combustible del motor
(gas natural) (gas LP)
Ciclo de ejercicio
25% de carga
50% de carga
75% de carga
100% de carga
Gas natural Gas LP
(ft3/hr) (gal/hr) (ft3/hr)
131 1.45 109
312 3.45 226
600 6.64 341
835 9.25 465
1154 12.78 800
Enfriamiento del motor
Flujo de aire (ft3/min)
Capacidad de anticongelante del sistema (gal)
Máxima temperatura de operación de aire en el
radiador (ºC)
Máxima temperatura ambiente (ºC)
5,300
4
60
50
Emisión de ruido en DBA
Ejercicio a 7 metros
Operación normal a 7 metros
64
74
Sistema de lubricación del motor
Tipo de lubricación de aceite
Capacidad del cárter (L)
Engranes
6
Emisión de sonido (dB)
Ciclo de ejercicio a 7 metros
Operación normal a 7 metros
64
74
Escape
Flujo de escape de gases a una salida fija de 60
Hz (m3/min)
Temperatura del escape en el mofle de salida
(ºF)
720
840
Parámetros del motor
RPM (60 Hz)
HP a KW fijos (60 Hz)
3600
126
Ajuste de potencia por las condiciones de
ambiente
Desviación de temperatura
3 % por cada 10 ºC arriba (ºC)
Desviación de altitud
1% por cada 100 m arriba (m)
25
183
120
ANEXO 3
GENLINK H100
INSTALACION
El software utilizado para la interfase entre el controlador H-100 de la planta de
emergencia de 80 KW y una PC es el GENLINK, el cual es un programa muy amigable
para ser operado por cualquier usuario. Para la instalación se siguen los siguientes
pasos:
1)
2)
121
3)
122
CONEXIÓN
Ya que esta instalado el software de Genlink, se procede a instalar un controlador,
configurando un puerto de entrada USB de nuestra PC, ya que dicho controlador lo
tenemos en una memoria USB; éste servirá como código de acceso, el cual recibe el
nombre de Dongle. También se configura otro puerto USB de la PC para el cable de
comunicación, a través RS232.
Ya configurado lo anterior, se abre el programa Genlink:
Para verificar que existe comunicación entre PC y controlador H-100, se verifica con el
botón TEST (prueba):
Ya detectada la comunicación, nos conectamos. Debido a que se instalo el controlador
para el acceso, no necesita clave, solo se da OK y se conectara:
123
GENLINK
Ya estando dentro de GENLINK, aparece la siguiente pantalla:
PANTALLA INICIAL DE GENLINK
MENU DE CONFIGURACION
124
CANALES DE ENTRADAS ANALOGICAS
CANALES DE ENTRADAS DIGITALES
125
CANALES DE SALIDAS DIGITALES
FUNCIONES DE SALIDAS DIGITALES
CONFIGURTACION DEL PUERTO DE COMUNICACION
126
PARAMETROS DEL MOTOR
PARAMETROS DEL REGULADOR
127
PARAMETROS DEL GOBERNADOR
PARAMETROS DEL GENERADOR
128
CONFIGURACION DEL TABLERO DE TRANSFERENCIA
CONFIGURACION DEL EJERCITADOR SEMANAL
129
ANEXO 4
CONTROLADOR H-100
CARACTERISTICAS DEL CONTROLADOR H-100
El controlador H-100 esta diseñado a base de un microcontrolador con las siguientes
características:
Procesador Motorota de 32 bits
Solución de control integrada
Realiza todas las funciones de control del equipo:
Protección y monitoreo del motor
Protección y monitoreo del generador
Control del combustible (gobernador electrónico)
Control del campo magnético (regulador de voltaje automático)
En el siguiente diagrama se muestran las principales entradas, salidas y opciones de
comunicación del controlador.
A continuación se describen las entradas analógicas y digitales, salidas digitales y las
funciones de las salidas digitales. También se describe el conector J1 y J2 del
controlador.
CONTROLADOR
H-100
Alimentación de batería 12 VCD
Entradas analógicas 4-20 mA (7)
Entrada sensor magnético (1)
Entradas digitales (11)
Entrada analógica 0-1 V (1)
Sensado de voltaje (3) 0-28.8 VRMS
Sensado de corriente 0-3 ARMS
(3)
Entrada analógica 0-10 V (1)
RS232 Genlink
RS 485 Monitoreo remoto
Can Bus
MODEM
Salidas digitales
12 colector abierto
2 PWM
C
o
m
u
n
i
c
a
c
i
ó
n
130
ENTRADAS ANALOGICAS H-100
NUMERO NOMBRE DE SEÑAL TIPO CONECTOR
1 Temperatura de aceite 4-20 mA J1-9 +
JI-8 rtn
2 Temperatura de anticongelante 4-20 mA J1-15 +
JI-31 rtn
3 Presión de aceite 4-20 mA J1-20 +
JI-19 rtn
4 Nivel de anticongelante 4-20 mA J1-30 +
JI-29 rtn
5 Entrada analógica # 5 Configurable
Nivel de combustible
4-20 mA J1-7 +
JI-6 rtn
6 Entrada analógica # 6 Configurable
Presión de combustible
Temperatura del múltiple
4-20 mA J1-28 +
JI-27 rtn
7 Entrada analógica # 7 Configurable
Posición de la mariposa del gobernador
4-20 mA J1-18 +
JI-17 rtn
8 Entrada analógica # 8 Configurable
Sensado de emisiones
Nivel de aceite
0-1 V J1-5 +
JI-5 rtn
9 Entrada analógica # 9 Configurable
Corriente del cargador de batería
0-10 V J1-16 rtn
10 Voltaje de batería 0-30 V J1-35 +
JI-12 -
11 Corriente de fase A 0-3 ARMS J2-12 +
J2-11 -
12 Corriente de fase B 0-3 ARMS J2-35 +
J2-34 -
13 Corriente de fase C 0-3 ARMS J2-10 +
J2-9 -
15 Voltaje entre fases A-B 0-28.8 VRMS J2-6
16 Voltaje entre fases B-C 0-28.8 VRMS J2-29
17 Voltaje entre fases C-A 0-28.8 VRMS J2-17
22 RPM del motor (sensor magnético) Efecto Hall J1-24 +
JI-25 -
SALIDAS DIGITALES H-100
NUMERO DESCRIPCION DE LA SEÑAL CONECTOR
1 Relevador de arranque JI-23
2 Relevador de combustible JI-11
3 Falla de relevador JI-34
4 Relevador de gas J1-22
5 Auxiliar 1 J2-23
6 Auxiliar 2 J2-22
7 Auxiliar 3 J2-33
8 Auxiliar 4 J2-21
9 Modulo de ignición J2-32
10 Paro por sobrevelocidad J1-10
11 Control del combustible (gobernador electrónico) J1-33
13 Control del Campo (regulador de voltaje automático) J2-20
14 Control del Campo (regulador de voltaje automático) J2-8
131
ENTRADAS DIGITALES H-100
NUMERO DESCRIPCION DE LA SEÑAL CONECTOR
1 Llave de encendido en AUTO J2-5
2 Llave de encendido en MANUAL J2-28
3 Estado del paro de emergencia J2-16
4 Arranque remoto J2-4
5 Entrada digital # 1 Configurable DI1
Falla del cargador de batería
J2-27
6 Entrada digital # 2 Configurable DI2
Baja presión de combustible
J2-15
7 Entrada digital # 3 Configurable DI3
Potencia de Normal
J2-3
8 Entrada digital # 4 Configurable DI4
Potencia de generador
J2-26
9 Modem (configurable) J1-14
10 Modem Habilitado J1-26
11 Detección de sobrevelocidad del generador INTERNO
FUNCIONES DE SALIDAS DIGITALES H-100
NUMERO NOMBRE DE LA FUNCION DESCRIPCION DE LA FUNCION
1 COMMON ALARM Alarma activa
2 COMMON WARNING Alerta activa
3 GEN RUNNING Operando generador
4 READY FOR LOAD Calentándose generador y listo para tomar carga
5 GEN READY TO RUN Generador listo para arrancar
6 GEN-STOPPED ALRM Generador apagado por alarma de paro
7 GEN STOPPED Generador apagado
8 GEN IN AUTO Generador en modo automático
9 GEN IN MANUAL Generador en modo manual
10 GEN IN OFF Generador en modo apagado
11 OVERCRANK ALARM Alarma de sobremarcha
12 OIL INHIBIT ALRM Generador apagado, presión de aceite muy alta
13 COOL TMP HI ALRM Alarma por alta temperatura de anticongelante
14 COOL TMP LO ALRM Alarma por baja temperatura de anticongelante
15 COOL TMP HI WARN Alerta por alta temperatura de anticongelante
16 COOL TMP LO WARN Alerta por baja temperatura de anticongelante
17 COOL TMP FAULT Falla del sensor de temperatura de anticongelante
18 OIL PRESS HI ALRM Alarma por alta presión de aceite
19 OIL PRESS LO ALRM Alarma por baja presión de aceite
20 OIL PRESS HI WARN Alerta por alta presión de aceite
21 OIL PRESS LO WARN Alerta por baja presión de aceite
22 OIL PRESS FAULT Falla del sensor de presión de aceite
23 COOL LVL HI ALARM Alarma por alto nivel de anticongelante
24 COOL LVL LO ALRM Alarma por bajo nivel de anticongelante
25 COOL LVL HI WARN Alerta por alto nivel de anticongelante
26 COOL LVL LO WARN Alerta por bajo nivel de anticongelante
27 COOL LVL FAULT Falla del sensor de nivel de anticongelante
28 FUEL PRS HI ALARM Alarma por alta presión de combustible
29 FUEL PRS LO ALRM Alarma por baja presión de combustible
30 FUEL PRS HI WARN Alerta por alta presión de combustible
31 FUEL PRS LO WARN Alerta por baja presión de combustible
32 FUEL PRS FAULT Falla del sensor presión de combustible
33 GOV POS HI ALARM Alarma de gobernación alta
132
34 GOV POS LO ALRM Alarma de gobernación baja
35 GOV POS HI WARN Alerta de gobernación alta
36 GOV POS LO WARN Alerta de gobernación baja
37 GOV POS FAULT Falla de la mariposa del gobernador
38 CHG CURR HI ALARM Alarma por alta corriente del cargador
39 CHG CURR LO ALRM Alarma por baja corriente del cargador
40 CHG CURR HI WARN Alerta por alta corriente del cargador
41 CHG CURR LO WARN Alerta por baja corriente del cargador
42 CHG CURR FAULT Falla de corriente del cargador
43 BAT VOLT HI ALARM Alarma por alto voltaje de batería
44 BAT VOLT LO ALRM Alarma por bajo voltaje de batería
45 BAT VOLT HI WARN Alerta por alto voltaje de batería
46 BAT VOLT LO WARN Alerta por bajo voltaje de batería
47 AVG CURR HI ALARM Alarma por alta corriente
48 AVG CURR LO ALRM Alarma por baja corriente
49 AVG CURR HI WARN Alerta por alta corriente
50 AVG CURR LO WARN Alerta por baja corriente
51 AVG VOLT HI ALARM Alarma por alto voltaje
52 AVG VOLT LO ALRM Alarma por bajo voltaje
53 AVG VOLT HI WARN Alerta por alto voltaje
54 AVG VOLT LO WARN Alerta por bajo voltaje
55 TOT PWR HI ALARM Alarma por alta potencia real total
56 TOT PWR LO ALRM Alarma por baja potencia real total
57 TOT PWR HI WARN Alerta por alta potencia real total
58 TOT PWR LO WARN Alerta por baja potencia real total
59 GEN FREQ HI ALARM Alarma por alta frecuencia
60 GEN FREQ LO ALRM Alarma por baja frecuencia
61 GEN FREQ HI WARN Alerta por alta frecuencia
62 GEN FREQ LO WARN Alerta por baja frecuencia
63 GEN FREQ FAULT Falla de frecuencia del generador
64 ENG RPM HI ALARM Alarma por altas RPM del motor
65 ENG RPM LO ALRM Alarma por bajas RPM del motor
66 ENG RPM HI WARN Alerta por altas RPM del motor
67 ENG RPM LO WARN Alerta por bajas RPM del motor
68 ENG RPM FAULT Falla del sensor de RPM
69 SWITCH IN AUTO Llave de encendido en automático
70 SWITCH IN MANUAL Llave de encendido en manual
71 E-STOP ACTIVE Paro de emergencia activo
72 REMOTE START ACT Arranque remoto activo
73 BATT CHARGE FAIL Falla del cargador de batería
74 LOW FUEL PRS ACT Baja presión de combustible activa
75 LINE POWER ACT Potencia de Normal activa
76 GEN POWER ACT Potencia de generador activa
77 MODEM ACT Modem activo
78 MODEM ENAB ACT Modem habilitado
79 IN WARM UP Generador encendido, calentándose
80 IN COOL DOWN Generador encendido, enfriándose
81 CRANKING Arrancando generador
82 NEED SERVICE Dar mantenimiento
83 SHUTDOWN GENSET Alarma de paro activa
84 CHCK V PHS ROT Secuencia de fases incorrecta
86 FAULT RLY ACTIVE Alarma audible activa
87 INT EXERSICE ACT Ejercicio semanal activo
133
DESCRIPCION DEL CONECTOR H-100
J1 CABLE SEÑAL DESCRIPCION J2 CABLE SEÑAL DESCRIPCION
1 CAN (rtn) CAN bus 1 391 RS485 (-) Conexión remota
2 CAN (+) CAN bus + 2 388 RS232 (tx) Genlink
3 810 GND Alimentación de Modem (-) 3 IN7 IN (DB) Potencia de normal
4 805 AN8 (rtn) Sensor de emisiones 4 183 IN (DB) Arranque remoto
5 804 AN8 (+) Sensor de emisiones 5 174 IN (DB) Llave de encendido en auto
6 575R AN5 (rtn) Nivel de combustible 6 224 V sense Voltaje entre fases AB
7 575V AN5 (+) Nivel de combustible 7 227 GND Negativo del sensado del
controlador
8 523R AN1 (rtn) Temperatura de aceite 8 409 OUT (OC) Disparo B del regulador de
voltaje
9 523V AN1 (+) Temperatura de aceite 9 399C CT3 (-) Corriente de fase C
10 R15B OUT (OC) Paro por sobrevelocidad 10 398C CT3 (+) Corriente de fase C
11 256 OUT (OC) Relevador de combustible 11 399A CT1 (-) Corriente de fase A
12 0 - BATT Alimentación del
controlador (-)
12 398A CT1 (+) Corriente de fase A
13 CAN (-) CAN bus (-) 13 390 RS485 (+) Conexión remota
14 811 IN (DB) Modem 14 387 RS232 (rx) Genlink
15 68V AN2 (+) Temperatura de
anticongelante
15 567/601 IN (DB) Presión de combustible baja
16 803 AN9 (+) Carga del cargador de
batería
16 R15 IN (DB) Paro de emergencia
17 766R AN7 (rtn) Posición del gobernador 17 226 V sense Voltaje entre fases CA
18 766V AN7 (+) Posición del gobernador 18 + 12V Voltaje de sensado para
controlador
19 69R AN3 (rtn) Presión de aceite 19 405 GND Negativo del regulador de
voltaje
20 69V AN3 (+) Presión de aceite 20 404 OUT (OC) Disparo A del regulador de
voltaje
21 221/808 OUT (OC) Solenoide de combustible 21 0C8 OUT (OC) Salida auxiliar 4
22 242 OUT (OC) Relevador para gas 22 0C6 OUT (OC) Salida auxiliar 2
23 56A OUT (OC) Relevador de arranque 23 0C5 OUT (OC) Salida auxiliar 1
24 0/SHLD RPM (+) RPM del motor 24 SHLD RS485
(shld)
Conexión remota
25 79 RPM (-) RPM del motor 25 389 RS232
(com)
Genlink
26 812 IN (DB) Modem Habilitado 26 IN8 IN (DB) Potencia del generador
27 806/754
R
AN6 (rtn) Ignición 27 505 IN (DB) Falla del cargador de batería
28 754V AN6 (+) Ignición 28 175 IN (DB) Llave de encendido en manual
29 573R AN4 (rtn) Nivel de anticongelante 29 225 V sense Voltaje entre fases BC
30 573V AN4 (+) Nivel de anticongelante 30 406 AVR zero
crossing
Cruce por cero del regulador de
voltaje
31 68R AN2 (rtn) Temperatura de
anticongelante
31 194 + 12V Alimentación del regulador de
voltaje
32 809 +12 V Alimentación de Modem
(+)
32 0C9/25 OUT (OC) Alimentación de tarjeta de
ignición
33 769 OUT (OC) Tarjeta de gobernador 33 OC7 OUT (OC) Salida auxiliar 3
34 445 OUT (OC) Falla de relevador 34 399B CT2 (-) Corriente de fase B
35 15B + BATT Alimentación del
controlador (+)
35 398B CT2 (+) Corriente de fase B
134
FUNCIONES DEL CONTROLADOR H-100
MENU PRINCIPAL
DISPLAY IZQUIERDO (LEFT DISPLAY)
VOLTAJE (VOLTS) POTENCIA (POWER)
INTERRUPTOR (SWITCH) GRAFICA DE FRECUENCIA (GRAPH HZ)
HISTORIAL DE ALARMAS (ALARM LOG)
135
ALARMAS (ALARMS)
Muestra las alarmas activas tiene el equipo.
MOTOR (ENGINE)
Muestra los parámetros del motor, tales como presión de aceite, temperatura del
anticongelante, horas de operación del equipo, nivel de anticongelante, velocidad,
voltaje de batería, carga de batería y posición de la mariposa del gobernador.
ESTADO (STATUS)
Muestra el estado en que se encuentra la planta, ya sea si se encuentra apagada, en
manual o automático; al igual que si esta operando, transfiriendo, calentando, enfriando,
con alarmas, etc. También muestra la hora.
SERVICIO (SERVICE)
Se indica el porcentaje de uso para los servicios de mantenimiento, estos deben de
configurarse a través del Genlink, que por lo regular esta función no esta habilitada.
136
GENERADOR (GENERATOR)
Se muestran parámetros del generador como voltaje, carga, frecuencia, potencia,
porcentaje de potencia utilizada y temperatura del generador para la protección térmica.
DIAGNOSTICO (DIAGNOSTIC)
Se muestran las entradas y salidas digitales del equipo, entradas analógicas, estado de
los puertos de comunicación RS232 y RS485.
EJERCICIO / HTS (EXERCISE / HTS)
En este menú se programa el ejercitador semanal, se habilita la comunicación entre el
tablero de transferencia y el controlador H-100, muestra el voltaje de la alimentación de
la tarjeta de interfase y el voltaje de la línea comercial.
137
ANEXO 5
CONTROL DE HTS
Esta tarjeta es la interfase entre el tablero de transferencia HTS y el controlador H100,
cuyas funciones principales son:
SYSTEM READY (Sistema listo). El led estará encendido si la planta de emergencia se
encuentra en automático. Si hay una pérdida de comunicación entre tablero y planta, el
led parpadeara.
STANDBY OPERATING (Operando en emergencia) - UTILITY AVAILABLE (CFE
disponible). El led que esta encendido, indicara la alimentación de la carga en ese
momento.
SWITCH POSITION (Posición del contactor). El led encendido, indicara la posición
del contacto, ya sea en emergencia (Generator) o en normal (Utility)
TEST (Prueba). Realiza la transferencia inmediata de la carga manualmente). Este es
para probar que el contactor funcione correctamente.
FAST TEST (Prueba rápida). Realiza también la transferencia manualmente, pero a
diferencia al anterior, obedece los tiempos de retardo de arranque, calentamiento y
enfriamiento del motor.
RETURN TO NORMAL (Regreso a normal). Realiza la retransferencia inmediata, de
emergencia a normal.
RESET (Reseteo). Se utiliza para reiniciar el sistema en caso de que ocurran fallas en el
equipo y se queden algunas alarmas pegadas.