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DIMENSIONAMIENTO DE LOSMOTORES Y GENERADORES EN

APLICACIONES DE ENERGÍAELÉCTRICA

GUÍA DE APLICACIÓN E INSTALACIÓN

Contenido

Consideraciones de clasificación de grupos electrógenos ............ 2

Definiciones de clasificación ................................ ..................... 2

Factor de carga del grupo electrógeno ................................ . 3

Potencia auxiliar de emergencia ................................ .......... 3

Potencia auxiliar................................ ................................ ... 3

Potencia principal................................ ................................ . 3

Potencia continua ................................ ................................ 3

La norma ISO 8528-1 (2005) de la Organización de ........... 4

Potencia de operación continua (COP) ................................ 4

Potencia de funcionamiento principal (PRP) ........................ 4

Potencia de funcionamiento de tiempo limitado (LTP) ......... 4

Administración de carga ................................ ........................... 4

Aislado de la empresa de servicios públicos de energía

menos de 500 horas por año ................................ ............... 5

Aislado de la empresa de servicios públicos de energía más

de 500 horas por año ................................ ........................... 5

Operación en paralelo con la empresa de servicios públicos

de energía durante menos de 500 horas por año ................ 5

Operación en paralelo con la empresa de servicios públicos

de energía durante más de 500 horas por año .................... 6

Normas................................ ................................ ..................... 6

Capacidad de clasificación del generador ............................ 7

Límites de tolerancia del generador ................................ ..... 8

Impacto de las condiciones del sitio en las clasificaciones de

los grupos electrógenos ................................ ........................... 9

Altitud................................ ................................ ................... 9

Calor ................................ ................................ .................... 9

Ambientes corrosivos ................................ ........................... 9

Humedad ................................ ................................ ............. 9

Polvo................................ ................................ .................. 10

Respuesta transitoria ................................ .............................. 10

Criterios para dimensionamiento ................................ ........ 11

Arranque del motor ................................ ............................ 12

Carga de bloque ................................ ................................ 13

Normas de respuesta transitoria ................................ ............. 13

Consideraciones del motor ................................ ................ 14

Configuración del motor ................................ ..................... 19

Sistema de aire ................................ ................................ .. 19

Motores de gas ................................ ................................ .. 20

Capacidad de carga en bloque o respuesta transitoria ...... 20

Interacción del sistema ................................ ...................... 21

Reguladores de voltaje ................................ ...................... 21

Regulador de voltaje digital ................................ ................ 22

Requisitos del cliente ................................ ................................ .. 24

Demanda de potencia ................................ ............................ 24

Requisitos de potencia en el sitio ................................ ....... 24

Administración de carga................................ ..................... 24

Perfiles de carga ................................ ................................ 24

Estimación de datos de carga ................................ ............ 26

Clasificación de las cargas ................................ ................. 26

Cálculo de la carga VA/pies 2................................ .............. 27

Pasos de carga ................................ ................................ ...... 28

Priorización ................................ ................................ ........ 28

Desconexión de cargas................................ ...................... 29

Cargas intermitentes ................................ .......................... 29

Categorías adicionales de carga................................ ........ 29

Estrategias de administración de carga ............................. 29

Corte de crestas................................ ................................ . 30

Carga fundamental ................................ ............................ 30

Importación cero/Exportación cero ................................ ..... 31

Compartición de crestas ................................ .................... 32

Cogeneración ................................ ................................ .... 32

Curvas de duración de carga ................................ ............. 33

Pautas para estimación de cargas ................................ ..... 33

Crecimiento de la carga ................................ ..................... 34

Factor de demanda ................................ ................................ 35

Factor de diversidad ................................ ............................... 36

Factor de demanda y factor de diversidad en la determinación

del tamaño................................ ................................ .............. 37

Caídas de frecuencia ................................ ......................... 37

Carga en bloque y normas ................................ ................. 37

Requisitos de arranque ................................ .......................... 38

Aceptación de carga ................................ .......................... 38

Arranque de 10 segundos ................................ .................. 38

Centros de atención médica y NFPA 99 ............................ 39

Selección del combustible................................ .................. 39

Rendimiento ................................ ................................ ........... 40

Emisiones ................................ ................................ .......... 40

Factores de corrección ................................ ...................... 41

"Nominal" comparado con "No exceder" ............................ 42

Equilibrio térmico ................................ ............................... 42

Uso de cogeneración ................................ ......................... 43

Análisis de carga................................ ................................ ......... 44

Cargas de sistemas de iluminación ................................ ........ 45

Cargas lineales de sistemas de iluminación ....................... 45

Sistemas de iluminación ................................ .................... 45

Iluminación incandescente ................................ ................. 46

Corriente interna de lámparas de tungsteno ...................... 46

Cargas no lineales de sistemas de iluminación .................. 46

Lámparas fluorescentes ................................ ..................... 47

Lámparas de descarga de gas ................................ ........... 47

Cargas de motores ................................ ................................ . 47

Motores de inducción ................................ ......................... 48

Rotor de devanado (anillo colector) ................................ ... 49

Definición de deslizamiento ................................ ............... 50

Motores sincrónicos ................................ ........................... 51

Motores CC................................ ................................ ........ 51

Motores monofásicos ................................ ......................... 52

Motores trifásicos ................................ ............................... 53

Rendimiento del motor ................................ ........................... 53

Clase de diseño ................................ ................................ . 53

Arranque del motor ................................ ............................ 55

Factor de potencia de arranque ................................ ......... 58

Carga de arranque del motor ................................ ............. 59

Par del motor ................................ ................................ ..... 59

Voltaje del motor ................................ ................................ 64

Técnicas de arranque del motor ................................ ............. 65

Arranque a voltaje pleno ................................ .................... 65

Arranque suave - Arranque amortiguado del motor con

carga................................ ................................ .................. 68

Arranque de voltaje reducido ................................ ............. 68

Métodos de arranque reducido ................................ .......... 70

Arranque intermitente ................................ ........................ 77

Técnicas de localización y solución de problemas de

arranque del motor................................ ............................. 77

Cargas variadas ................................ ................................ ..... 78

Mandos de velocidad ajustable (variable) .......................... 78

Sistemas de Rectificador Controlado de Silicio (SCR) ....... 79

Cargas de soldadura ................................ .......................... 80

Suministro de Potencia Ininterrumpida (UPS) .................... 81

Potencia regenerativa ................................ ........................ 87

Transformadores................................ ................................ 88

Cargas críticas ................................ ................................ ... 90

Consejos útiles de aplicación de carga .............................. 91

Cargas monofásicas ................................ .......................... 94

Equilibrio de la carga ................................ ......................... 94

Diagramas de una línea ................................ ..................... 96

Consideraciones de selección de grupos electrógenos ............. 101

Tipos de carga................................ ................................ ...... 101

Cargas lineales ................................ ................................ 101

Cargas no lineales ................................ ........................... 102

Contenido de armónicas ................................ ....................... 103

Consideraciones del generador ................................ ............ 105

Calentamiento del generador ................................ ........... 105

Impacto de reactancia del gener ador............................... 105

Distorsión de onda ................................ ........................... 106

AVR y excitación del generador ................................ ....... 108

Determinación de la distorsión ................................ ......... 109

Paso del generador................................ .......................... 109

Paso de 2/3................................ ................................ ...... 109

Cargas no lineales y paso de 2/3 ................................ ..... 110

Operación en paralelo y paso de 2/3 ............................... 110

Aplicaciones que requieren paso de 2/3 .......................... 110

Otras consideraciones de selección de grupos

electrógenos ................................ ................................ .... 111

Gama de voltaje/Número de cables ................................ . 111

Selección de voltaje del grupo electrógeno ...................... 112

Instalaciones con varios motores ................................ .......... 113

Operación en paralelo ................................ ...................... 113

Caídas y reguladores ................................ ....................... 116

Compensación del regulador ................................ ........... 117

Control de carga ................................ .............................. 118

Orden de carga ................................ ................................ 118

Apagado de la unidad ................................ ...................... 118

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PrólogoEsta sección de la Guía de Aplicación e Instalación describe la selección de

motores y generadores en aplicaciones de energía eléctrica, en sistemas conmotores Caterpillar®. Otros sistemas de motores, componentes y principios setratan en otras secciones de esta Guía de Aplicación e Instalación.

La información y los datos específicos de cada motor se pueden obtener dediferentes fuentes. Consulte la sección ‘Introducción’ de esta guía para obtenerreferencias adicionales.

Los sistemas y los componentes descritos en esta guía pueden no estardisponibles o no aplicar a todos los motores.

Guía de Aplicación e Instalación Dimensionamiento de Motores y Generadoresen aplicaciones de Energía Eléctrica

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Dimensionamiento de Motores y Generadores enAplicaciones de Energía Eléctrica

Los grupos electrógenos, en el mismo sitio de trabajo, se usan en una variedadde aplicaciones. Se usan cada vez más en aplicaciones de administración decarga gracias a la desregulación y a la privatización de las empresas deservicios públicos. Algunos grupos electrógenos se usan estrictamente como"respaldo" para emergencias y, en otros casos, como l a fuente principal deenergía eléctrica.

Aunque pueden usarse programas de computadora para un dimensionamientoadecuado del grupo electrógeno, es provechoso comprender las fórmulas,cálculos y factores no numéricos para determinar los requerimientos de t amaño.

Se deben considerar los siguientes temas, tratados específicamente en estasección.

Clasificaciones del motor Aplicaciones del cliente Análisis de carga Criterios de selección de los grupos electrógenos Instalaciones con varios motores

CONTENIDO DE LA SECCIÓN

Consideraciones de clasificación delos grupos electrógenos .................. 2 Definiciones de clasificación Administración de carga Normas Impacto de las condiciones del sitio

en las clasificaciones de los gruposelectrógenos

Respuesta transitoria Normas de respuesta transitoriaRequisitos del cliente ..................... 24 Demanda de potencia Pasos de carga Factor de demanda Factor de diversidad Factores de demanda y diversidad

en el dimensionamiento

Requisitos de arranque RendimientoAnálisis de carga ............................. 44 Cargas de sistemas de iluminación Cargas de motores Rendimiento del motor Técnicas de arranque del motor Cargas variadasSelección de grupos electrógenosConsideraciones............................ 101 Tipos de carga Contenido de armónicas Consideraciones de generadores Instalaciones con varios motores

Dimensionamiento de Motores y Generadores Guía de Aplicación e Instalaciónen Aplicaciones de Energía Eléctrica

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Consideraciones de clasificación de gruposelectrógenos

Definiciones de clasificaciónUn grupo electrógeno se compone

de un motor y un generador. Sinembargo, es mejor considerar el motory el generador como un sistema.Individualmente, cada uno tienecaracterísticas únicas; pero comosistema, estas cualidades tienen unimpacto significativo en e l rendimientoy en el dimensionamiento del sistemade grupo electrógeno.

Las capacidades del motor y elgenerador se consideran individual yconjuntamente cuando se seleccionangrupos electrógenos. Los motoresproducen potencia al freno (okilovatios) mientras controlan lavelocidad o la frecuencia. Losgeneradores determinan elcomportamiento del motor, pero sonresponsables, principalmente, detrasformar la potencia del motor enkilovoltios-amperios (kVA) y kilovatioseléctricos (kW). Éstos también debensatisfacer los flujos altos de "corrientede magnetización" (kVAR) o lascondiciones de corrientes transitoriasdel equipo eléctrico.

Generalmente, un grupo electrógenodispone de un generador quecorresponde con la capacidad desalida del motor. El dimens ionamientode los motores se relaciona con lapotencia actual en kW requerida paracumplir con las necesidades de lainstalación. El generador, por otraparte, debe poder manejar la potenciaaparente máxima medida en kVA. Lapotencia real puede identificarse devarias maneras. Puede calcularsetomando las clasificaciones de laplaca del equipo que impulsará el

generador. Si se hace ésto, tambiéndeben considerarse las eficiencias delequipo. La potencia real puededeterminarse mediante un análisis decarga de la instalación. Ésto implicaun estudio de los requisitos depotencia durante un período detiempo.

ekW = pf x kVAekW

bkW = eff

+ Demandadel

ventiladorkVA = kVA de salida del generadorpf = factor de potencia de la carga

conectadaekW = energía eléctrica (kW

eléctrico)bkW = potencia del motor (kW al

freno)eff = eficiencia del generadorCuando los kW no se indican como

eléctricas (ekW) ni como al freno(bkW), es importante aclarar cuál delas dos aplican cuando se realizancálculos o comparaciones deproductos.



Factor de carga del grupoelectrógeno

El factor de carga de un grupoelectrógeno se usa como criterio declasificación. Se calcula hallando elproducto de varias cargas:Factor de carga = % de tiempo x % decarga

tiempo en cargaespecífica% de tiempo = tiempo de

operación total

carga específica% de carga = carga nominal

El tiempo extendido de velocidadbaja en vacío y el tiempo en que elgrupo electrógeno no está enoperación, no se incluye en el cálculodel factor de carga.

Por ejemplo, suponga que unainstalación tiene un grupo electrógenoclasificado a 550 kW y opera doshoras a la semana. Durante estas doshoras, opera a 400 kW por 1,5 horasEncuentre el factor de carga.

Las fórmulas indican lo siguiente:400 kW% de

carga = 550 kW = 0,73

90 min.% detiempo = 120 min. = 0,75

Factor de carga = 0,73 x 0,75 =54,75%

Este factor de carga indicaría que elgrupo electrógeno podría usarse comoauxiliar, debido a que cumple con elfactor de carga y con otros criterios declasificación.

Las definiciones de clasificación depotencia de los grupos electrógenosCaterpillar se basan en el factor decarga típico, las horas de uso por año,la demanda máxima y el uso en laaplicación. A continuación se indicanlas clasificaciones de potencia de losgrupos electrógenos Caterpillar:auxiliar para emergencia, auxiliar,principal y continua.Potencia auxiliar de emergencia

Uso típico de 50 horas por año conun máximo de 200 horas por año. Elfactor de carga variable típico es 70%.Potencia auxiliar

Uso máximo de 500 horas por año,hasta 300 horas continuas y operacióncon cargas variables. Sin sobrecargadisponible. La clasificación esequivalente a la Principal +10%. Elfactor de carga máximo es 70% de laclasificación auxiliar.Potencia principal

Horas ilimitadas de uso. Factor decarga (70%, máximo/80% si no haycosto adicional) de la potenciaprincipal publicada, en un período de24 horas. La sobrecarga de 10% estálimitada a 1 hora en 12 horas, pero sinexceder 25 horas por año. Lasobrecarga de 10% está disponible enconformidad con la norma ISO 3046 -1(2002). La vida útil hasta elreacondicionamiento del motordepende de la operación, como sedescribe en la norma ISO8528 (2005).El tiempo de operación con cargamayor a 100% puede afectar la vidaútil hasta el reacondicionamiento.Potencia continua

Horas ilimitadas de uso. Factor decarga de 100% de la potenciacontinua publicada. Generalmente, enconformidad con la norma ISO 8528(2005) de potencia continua.



Nota: La operación que exceda estasdefiniciones de clasificación resultaráen una menor vida útil y mayorescostos del generador y del motor poraño.La norma ISO 8528-1 (2005) de laOrganización de

Normas Internacionales (ISO) definetres tipos de servicio:

Potencia de operación continua(COP)

Potencia de funcionamientoprincipal (PRP)

Potencia de funcionamiento detiempo limitado (LTP)

Potencia de operación continua(COP)

La potencia de operación continuaes la potencia que un grupoelectrógeno puede operar en cargacontinua para un número ilimitado dehoras bajo condiciones ambientalesdefinidas. Para cumplir estas normas,debe seguirse el mantenimientoestipulado por el fabricante.Potencia de funcionamientoprincipal (PRP)

La potencia de funcionamientoprincipal es la potencia de un grupoelectrógeno durante una secuenciade potencia variable para un númeroilimitado de horas bajo condicionesambientales definidas. Para cumplirestas normas, debe seguirse elmantenimiento estipulado por elfabricante.Potencia de funcionamiento detiempo limitado (LTP)

La potencia de funcionamiento detiempo limitado es la potenciamáximaque un grupo electrógeno entrega enun período de hasta 500 horas poraño bajo condiciones ambientalesdefinidas. Sólo 300 horas pueden ser

de funcionamiento continuo. Paracumplir estas normas, debe seguirseel mantenimiento estipulado por elfabricante.

Con frecuencia, las especificacionesse indican en términos y normas ISO.La Tabla No. 1 muestra lasclasificaciones ISO de gruposelectrógenos y la correlación con lasclasificaciones de grupos electrógenosCaterpillar.

Clasificaciones de grupos electrógenos

ISO Caterpillar

ESP Potencia auxiliar deemergencia

LTP Auxiliar deemergencia

PRP Principal

COP Continua

Tabla 1

Administración de cargaLa administración de carga es el

control cuidadoso de las cargas delgrupo electrógeno y/o de la empresade servicios públicos de energía, conel fin de tener los costos eléctricosmás bajos posibles. Además,Caterpillar tiene dos categoríasamplias de clasificación, en términosde administración de carga:

Aislado de la empresa deservicios públicos de energía

Operación en paralelo con laempresa de servicios públicosde energía



Aislado de la empresa de serviciospúblicos de energía menos de 500horas por año

Salida disponible con carga variabledurante menos de 6 horas por día*.

* Potencia de emergencia con combustible enconformidad con las normas ISO 3046/1, AS2789,DIN6271 y BS5514.

Factor de cargatípico = 60% o menos

Horas típicas poraño = Menos de 500

horasDemanda máxima

típica = 80% de ekWnominal con100% declasificacióndisponible parala duración deunainterrupción decorrienteeléctrica deemergencia.

Aplicación típica = Tasasininterrumpiblesde la empresade serviciospúblicos deenergía,compartición decrestas.

Aislado de la empresa de serviciospúblicos de energía más de 500horas por año

Salida disponible con carga variabledurante más de 500 horas por año ymenos de 6 horas por día*.

**Potencia principal en conformidad con la norma ISO8528. Potencia de sobrecarga en conformidad con lanorma ISO 3046/1, AS2789, DIN6271 y BS5514.

Factor de cargatípico = 60% a 70%

Horas típicas poraño = Más de 500


típica = 100% declasificaciónprincipal más10% declasificaciónusadaocasionalmente.

Aplicación típica = Compartición decrestas ocogeneración.

Operación en paralelo con laempresa de servicios públicos deenergía durante menos de 500horas por año

Salida disponible sin carga variabledurante menos de 500 horas por año.


Horas típicas poraño = Menos de 500


típica = 100% declasificaciónprincipal usadaocasionalmente.

Aplicación típica = Compartición decrestas.



Operación en paralelo con laempresa de servicios públicos deenergía durante más de 500 horaspor año

Salida disponible sin variación decarga por tiempo ilimitado***.

*** Clasificación de potencia continua en conformidadcon las normas ISO 8528, ISO 3046/1, AS2789, DIN6271y BS5514.


Horas típicas poraño = Sin límite

Demanda máximatípica = 100% de

clasificacióncontinua usada100% deltiempo.

Aplicación típica = Carga base,empresa deserviciospúblicos deenergía,comparticiónde crestas,cogeneración,operación enparalelo.

Dependiendo de la aplicación delgrupo electrógeno se determinará eltamaño requerido. Por ejemplo, sipara un carga dada, el grupoelectrógeno sólo se usará comoauxiliar para sólo una carga crítica,entonces puede usarse un grupoelectrógeno kW más pequeño, enlugar que el usado para potenciaprincipal.

NormasLos grupos electrógenos Caterpillar

están en conformidad con laOrganización de NormasInternacionales (ISO) y con lasnormas de la Sociedad de IngenierosAutomotrices (SAE). Cadaorganización usa diferentes técnicas ytolerancias para las clasificaciones depotencia y consumo de combustible.

La norma ISO 3046-1 es específicapara motores y la norma ISO 8528para grupos electrógenos.

La norma ISO 8528 tiene 12secciones. La primera seccióndescribe las aplicaciones,clasificaciones y rendimiento. Lassecciones restantes se indican acontinuación por número de sección.

2. Características específicas delmotor

3. Generadores de corrientealterna

4. Especificaciones deconmutadores y arrancadores

5. Especificaciones de gruposelectrógenos

6. Métodos de prueba7. Declaraciones técnicas para

especificación y diseño8. Grupos electrógenos de

potencia baja9. Requisitos para la medición y la

evaluación de la vibraciónmecánica

10. Normas sobre ruido11. Sistemas de suministro de

potencia dinámica eininterrumpida

12. Suministro de potencia deemergencia para servicios deseguridad



Capacidad de clasificación delgenerador

Los grupos electrógenos estánlimitados en sus clasificaciones por lascondiciones y aplicaciones delgenerador y el motor.

Generalmente, las clasificaciones delos generadores están limitadastérmicamente. Están limitadas por lacantidad de calor interno generado ypor la cantidad de calor disipado. Unadefinición más precisa es el aumentode la temperatura del devanado porencima de la temperatura ambiente.En otras palabras, la unidad retieneparte del calor, lo que aumenta latemperatura de la unidad. Laclasificación de generadores de laAsociación de Fabricantes Eléctri cosNacionales (NEMA) se basa en ellímite de "aumento de temperatura" delos generadores. Además de losEstados Unidos, la ComisiónElectrotécnica Internacional (IEC)tiene límites para el aumento detemperatura de los generadores, quepueden consultarse en IEC 6034-22(1996) y IEC 6034-1 (2004).

El aumento de temperatura es elaumento de la temperatura deldevanado por encima de latemperatura ambiente. La temperaturaambiente es la temperatura del aire deenfriamiento que ingresa por lasaberturas de ventilación de lamáquina.

Este aumento de temperatura sepresenta debido al flujo de corrienteen los devanados y a las pérdidasinternas que ocurren durante laoperación de la máquina.

Las clases más comunes degeneradores son la clase "F" y "H".Para todas las clases, NEMA asumeque la operación se realiza a una

temperatura ambiente menor o igualque 40°C. Los límites de aumento detemperatura también permiten unmargen de 10°C en puntos desobrecalentamiento. Un punto desobrecalentamiento es el punto de l osdevanados del estator con latemperatura más alta.

La Tabla No. 2 muestra el aumentode temperatura para los generadoresde clase F y H en diferentesclasificaciones.

Clase degenerador

Aumento detemperatura

(°C)

Clasificacióndel paquete

de grupoelectrógeno

F 80 ContinuaH —F 105 PrincipalH 125 PrincipalF 130 AuxiliarH 150 Auxiliar

Tabla 2

Para potencia principal, la clase Ftiene un aumento de 105°C o un límitede temperatura total menor o igual que155°C (temperatura ambiente de 40°C+ margen en puntos desobrecalentamiento de 10°C +aumento de temperatura de 105°C).

La clase H permite un aumento de125°C o un límite de temperatura totalmenor o igual que 175°C:

40°C + 10°C + 125°C

Para potencia principal, la c lase Ftiene un límite de aumento detemperatura de 130°C o unatemperatura total de 180°C:

40°C + 10°C + 130°C



La clase H tiene un aumento detemperatura de 150°C o un límite detemperatura total de 200°C:

40°C + 10°C + 130°C

El voltaje juega un papelfundamental en la clasificación delgenerador y debe tenerse en cuenta.En algunos casos, el voltaje delgenerador no corresponderá con elvoltaje de operación preferido. Unregulador de voltaje puedeproporcionar la capacidad de ajustedel voltaje, sin embargo, si sedisminuye el voltaje del generador, lacorriente aumentará para unaclasificación dada. Ésto aumentará latemperatura del generador y puedenecesitarse reducir la potencia delgenerador. Una solución alterna a lareducción de la potencia delgenerador es usar un generador másgrande para mantener la clasificaciónestándar.

La norma establecida por NEMApermite ajustar un generador más omenos cinco por ciento (± 5%) cuandose instala. Generalmente, losgeneradores Caterpillar tienen unacapacidad mínima de disminución de10%; en algunos casos esto puederesultar en una reducción de potencia.Algunos generadores se diseñanespecíficamente como de gamaamplia y podrían no requerirdisminución de potencia. Serecomienda revisar los datos delfabricante cuando se usengeneradores con voltaje diferente alespecificado en el diseño.

Límites de tolerancia del generadorLa Figura No. 1 es un gráfico de

capacidad reactiva de un generadorde polo saliente. Un punto de carga enesta área define:

La potencia activa La potencia reactiva La potencia aparente La corriente El factor de potencia La excitación

La línea oscura y gruesa con lospuntos m-n-p-s-q-u-t, indica los límitesabsolutos tolerados en una máquina.Los generadores se clasifican dentrode estos límites (Consulte la Sección"Generador" para obtener másinformación

Figura 1



Impacto de las condiciones delsitio en las clasificaciones delos grupos electrógenos

La clasificación de un motorgeneralmente está limitada por límit estérmicos y estructurales. Estos límitesincluyen la presión máxima del cilindrodurante la combustión, la velocidaddel turbocompresor, la temperatura delgas de escape, y en los motores degas natural, el tipo de combustible.Cuando un motor opera con relación aestos límites determinará la altitud ytemperatura ambiente máximas parauna clasificación determinada. Si unmotor excede la altitud o temperaturaambiente máximas, deberá reducirsela potencia del motor.

El entorno o las condiciones del sitiotambién afectan la clasificación de unmotor o de un generador, situaciónque afecta la clasificación de todo elgrupo electrógeno. Las condicionesque pueden afectar una clasificaciónincluyen la altitud, la temperatura,ambientes corrosivos y el polvo.

La altitud y la temperatura son losfactores que mayor influencia tienenen las clasificaciones del motor. Amayor altitud, menor densidad delaire. Se necesita aire denso y limpiopara una combustión eficiente. Unaumento de temperatura disminuye ladensidad del aire. Por tanto, debepresentarse una disminución depotencia del motor en condiciones dealtitud alta y/o temperatura alta paraque el grupo electrógeno cumpla conlas expectativas de rendimiento.Altitud

Los generadores que operan aaltitudes mayores que 1.000 m (3.281pies) requieren una reducción deaumento de temperatura de 1% porcada 100 m (328 pies) por encima del

valor base (1.000 m ó 3.281 pies).Está disponible una tabla de reducciónde potencia en Información deMercadotecnia Técnica (TMI ) para losgeneradores y para cada motorespecífico. La Figura No. 2 muestrauna tabla TMI de ejemplo dereducción de potencia del motor.Calor

Cuando la temperatura del aire deventilación que va al generadorexcede los 40°C (104°F), podría sernecesaria una reducción de potenciadel generador. La tabla de reducciónde potencia debida a laaltitud/temperatura encontrada en TMIpuede usarse para obtener lainformación de reducción de potenciaapropiada.Ambientes corrosivos

La sal y otros elementos corrosivospueden dañar el aislamiento deldevanado, y puede llevar a que elgenerador falle. La protección deestos elementos incluyerecubrimientos de aislamientoadicionales para los devanadosdurante el proceso de fabricación ycompuestos de epoxi pararecubrimiento final del devanado.Humedad

La condensación que resulta de lahumedad representa un problemapara todos los generadores, a menosque estén completamente protegidos.El aumento de temperatura de lamáquina y la circulación de aire deenfriamiento con una adecuadaoperación de carga evitarángeneralmente la condensación. Debenusarse calentadores de espacio paraaumentar la temperatura 5°C porencima de la temperatura ambiente yevitar así la condensación en áreas dehumedad alta.



Figura 2

PolvoEl polvo conductivo o abrasivo que

fluye a través del ventilador deenfriamiento puede ser muy perjudicialpara el generador. Ejemplos de polvoabrasivo son: polvo de hierro fundido,polvo de carbón, arena, grafito enpolvo, polvo de coque, polvo de cal,fibra de madera y polvo de canteras.Cuando estas partículas extrañasfluyen a través del generador, actúancomo una lija que raya el aislamiento.Estas abrasiones pueden causar uncortocircuito en el generador. Laacumulación de estos materiales enlas aberturas del sistema deaislamiento actuarán como un aislanteo un elemento que atrae la humedad.Los filtros que se instalan en lasaberturas de aire de admisión oventilación de la unidad pueden evitarel daño. Cuando se usan fil tros esimportante cambiarlos regularmentepara que no obstaculicen el flujo deaire. El uso del filtro de aire de ungenerador hará que el generadorreduzca la potencia debido al mayoraumento de temperatura que resulta

del menor flujo de aire deenfriamiento. Los interruptores depresión diferencial pueden seroptativos en muchos gruposelectrógenos.

Respuesta transitoriaSiempre que se aplique o quite una

carga de un grupo electrógeno, lasrpm de velocidad del motor, el voltajey la frecuencia cambiantemporalmente de su condición deestado estacionario. Este cambiotemporal se conoce como respuestatransitoria. Cuando se aplica unacarga significativa, la velocidad delmotor se reduce temporalmente(generalmente se conoce como caídade frecuencia o de voltaje) y luegoregresa a su condición de estadoestacionario. El grado de esta caídadepende del cambio de potenciaactiva (kW) y de potencia reactiva(kVAR), basado en el ajuste delregulador de voltaje, la capacidadtotal, las características dinámicas d elgrupo electrógeno y la inercia eléctricade las demás cargas del sistema. Al



quitar la carga, la velocidad del motoraumenta momentáneamente(generalmente se conoce comosobretensión), y luego regresa a sucondición de estado estacionario. Eltiempo requerido para que el grupoelectrógeno regrese a su velocidadnormal de estado estacionario seconoce como tiempo de recuperación.Esto se muestra en la Figura No. 3.

Figura 3

Criterios para dimensionamientoSe requieren tres criterios para

determinar de manera precisa eltamaño de un grupo electrógeno:

El porcentaje aceptable decaída de voltaje y de frecuencia

La duración aceptable deltiempo de recuperación de lacaída de voltaje y de frecuencia

El porcentaje de un paso decarga y el tipo de carga que seconectará

Cuanto mayor sea la caída devoltaje que un grupo electrógenopuede tolerar, más pequeño yeconómico será el grupo electrógeno.Una caída de voltaje máxima de 30%es un límite típico para los centros decontrol de motores industriales. Lascargas sensibles pueden indicarse enlas especificaciones para caídas devoltaje mucho más bajas. UPS,

mandos de velocidad variable yequipo médico son todos ejemplos decargas que necesitan pequeñascaídas de voltaje.

El ojo humano es sensible a levesfluctuaciones de iluminación. Inclusopuede percibir una disminución de 1/2voltio en una bombilla incandescentede 110 voltios. Una caída de un voltio,repetida, comienza a ser molesta. LaFigura No. 4 muestra la gama decaídas de voltaje observables ymolestas, suponiendo que se usa unsistema de iluminación directa ybombillas medianas.

Si se usa un sistema de iluminaciónindirecta sin bombillas incandescentesde menos de 100 vatios, estos valorespueden ampliarse. Esto también aplicasi todo el sistema de iluminación esfluorescente y no incandescente.

Los compresores reciprocantesafectan seriamente la calidad de lailuminación. Las pulsaciones de parvarían la corriente del motor, lo quecausa una fluctuación de voltajesuficiente para hacer titilar las luces.Desafortunadamente, esta frecuenciaes muy sensible para los ojos.

Una cifra comúnmente aceptadapara los límites de variación decorriente de los compresoresreciprocantes impulsados por motor esdel 66% de la corriente nominal totaldel motor. Ésto limita la clasificaciónde potencia de los motores delcompresor a cerca de 6% de laclasificación kVA del generador, valorque se encuentra en el límite de titileomolesto de luz. Por ejemplo, un motorde 30 hp puede usarse en siste masque tienen más de 500 kVA decapacidad del generador en operación(30 es el 6% de 500).



Figura 4

Los límites de caída de voltajetípicos se encuentran en laTabla No.3 para varias instalaciones.

Límites de caída de voltaje típicos

Instalación Aplicación Voltajepermisible

CaídaHospital, hotelmotel,apartamentos,bibliotecas,escuelas ytiendas.

Carga delsistema deiluminación,carga depotencia alta,titileo muymolesto.

2% - Pocofrecuente

Cines (el tonodel sonidorequierefrecuenciaconstante. Lucesintermitentes deneón erráticas)

Carga delsistema deiluminación, titileomuy molesto.

3% Pocofrecuente

Bares y centrosturísticos

Carga eléctrica,titileo algoaceptable

5% - 10%Pocofrecuente

Tiendas,fábricas,fresadoras,lavanderías.


3% - 5%frecuente

Minas, campospetrolíferos,canteras, asfalto,plantas.


25% - 30% -Frecuente

Las mayores fluctuaciones de voltaje se per miten con lossistemas de energía de emergencia.

Tabla 3

Arranque del motorLa capacidad del grupo electrógeno

para arrancar motores grandes singrandes caídas de frecuencia o voltajedepende de todo el sistema. Losfactores del sistema incluyen:

Potencia disponible del motor Capacidad del generador Energía almacenada en la

inercia de giro del grupoelectrógeno

Aceleración del motor y sucarga (características delmotor)

Componentes eléctricos entreel grupo electrógeno y el motor.



El generador del tamaño apropiadosoportará los kVA de arranque alto(skVA) que se requieren y mantendráel voltaje de salida adecuado para elmotor, de modo que producirá el parnecesario para acelerar su carga a lavelocidad nominal.

Después de la caída de voltajeinicial, es importante que el generadorrestaure el voltaje a un mínimo de90% para generar el par adecuado yacelerar su carga a la velocidadnominal. El arranque con voltaje plenoes causa de la mayor caída de voltaje.Por esta razón, las empresas deservicios públicos no siempre permitenel arranque a voltaje pleno de motoresgrandes. Más adelante se presentaráinformación detallada sobre elarranque del motor en la sección"Análisis de Carga" de esta guía.

La respuesta transitoria de un grup oelectrógeno es una descripción decambio máximo de voltaje y frecuenciaen la aplicación de una carga y eltiempo de recuperación que lo regresea las condiciones de voltaje yfrecuencia nominales. Generalmente,la caída de voltaje máxima permitidaes de 30%. La caída de frecuenciamáxima es aproximadamente 25%,pero el equipo moderno restringe estevalor a márgenes más estrechos.

No siempre es necesario tener larespuesta transitoria más rápidaposible; sino la mejor respuesta parala necesidad de la apl icación. Todoslos grupos electrógenos actúan deforma diferente de acuerdo con eldiseño de los sistemas del motor, deregulación y de regulación de voltaje.Las características de la respuestatransitoria deben compararse con elequipo que se usará en la instalación;ésto garantizará que el tamaño del

grupo electrógeno esté enconformidad con las cargas aplicadas.

Para más información, consulte lassecciones "Cargas de Motores yRendimiento de Motores" en laspáginas 43 47 y 4853.Carga de bloque

Una carga de bloque se refiere alporcentaje de potencia nominal en elfactor de potencial nominal que seañade instantáneamente al grupoelectrógeno. Cuando las cargas debloque son grandes, algunas ve cesdeben aceptarse en cantidades máspequeñas en varios pasos. La cargapor pasos es muy común cuando serequiere cumplir los criterios derendimiento de aceptación de carga.Por ejemplo, si un grupo electrógenoestá clasificado en 1.000 ekW a 0,8 pfy se aplica una carga de 250 ekW a0,8 pf, se aplicará una carga debloque de 25% [(potenciaaplicada/potencia nominal) x 100%].

Normas de respuestatransitoria

Hay normas de respuesta transitoriaen varios países e industrias querequieren que los grupos elec trógenospuedan aceptar y recuperar el paso decarga completo. Sin embargo, muchasde estas normas no especifican lasdesviaciones de frecuencia y voltaje.La norma ISO 8528 establece lasnormas de respuesta transitoria.Cuatro clases rendimiento estándesignadas en la norma ISO 8528 -1-7para describir un grupo electrógeno entérminos de voltaje y frecuencia. Lasiguiente tabla muestra la clase derendimiento y sus criterios y ejemplosde aplicación. Debe seguirse la clasede rendimiento relevante para laaplicación con el fin de ajustarse a la



norma y lograr un rendimiento máximo.

G1 Se requiere para aplicaciones en donde lascargas conectadas son tales que sólo serequiere especificar parámetros básicos devoltaje y frecuencia.

Aplicaciones de usogeneral, cargas deiluminación y eléctricas

G2 Se requiere para aplicaciones en donde lademanda de voltaje es similar a la de lossistemas de energía comercial. Cuando lacarga cambia, son aceptables desviacionestemporales de voltaje y frecuencia.

Sistemas deiluminación, bombas,ventiladores ylevantamiento.

G3 Se requiere para aplicaciones en donde elequipo conectado puede presentardemandas severas de voltaje, frecuencia yformas de onda.

Equipo detelecomunicaciones

G4 Se requiere para aplicaciones don de lasdemandas de voltaje, frecuencia y formasde onda son muy severas.

Equipo decomputadoras yprocesamiento de datos

La Tabla No. 4 muestra losparámetros de aceptación (caída) yrechazo (punto desobrecalentamiento) identificados enla norma ISO 8525-5. La Clase G4está reservada para límites especialesque deben acordarse entre elfabricante y el cliente. La norma ISO8528-5 también establece los límitesde los tiempos de recuperación paracada clase e indica cómo se mide eltiempo de recuperación.

Límites acordados entre elfabricante y el cliente (AMC)

Clase G1

Clase G2

Clase G3

Clase G4

%FrecuenciaAceptación

–15 –10 –7 AMC

%FrecuenciaRechazo

18 12 10 AMC

% de VoltajeAceptación –25 –20 –15 AMC

% VoltajeRechazo 35 25 20 AMC

Tiempo(segundos) 5 5 3 AMC

Tabla 4

La norma SAE J1349 especifica lascondiciones de prueba de suministrode combustible y de aire de admisión.También describe un método paracorregir la potencia observada paralas condiciones de referencia y unmétodo para determinar la potencianeta del motor a carga plena con undinamómetro para motores.Consideraciones del motorPresión Media Efectiva al Freno(BMEP)

En el dimensionamiento del grupoelectrógeno, puede ser necesario lacomparación de los motores paradeterminar el rendimiento óptimo,



especialmente durante el arranque delmotor. El par y la potencia sonmediciones necesarias, pero no sonútiles cuando se comparan motores dediferente diseño y tamaño. En lugar deeso, los motores pueden compararseusando la presión media efectiva alfreno (BMEP).

La "presión media efectiva" es elpromedio de la presión necesaria en elcilindro del motor para que seproduzca par y potencia específicos.La BMEP se conoce como MEP alfreno o el trabajo úti l realizado en elvolante del motor.

La BMEP es un indicador del pardisponible en el motor. La BMEPindica si la presión del cilindro seencuentra en un parámetro derendimiento óptimo. La BMEP es unnúmero relativo usado como estándarpara comparar los motores dediferente diseño o tamaño. La BMEPpuede expresarse en lb/pulg², kPa obar.

Paso de carga del BMEPDos motores de diferente tamaños

trabajan de forma similar si operancon la misma BMEP.

En las siguientes figuras y en eltexto se describe una carga de BMEP.Sucesos paso a paso - Cargaaplicada

Las Figuras No. 5 y No. 6 muestranla adición de carga plena a un grupoelectrógeno con turbocompresión yposenfriamiento (TA) con un reguladorde voltaje 1:1 voltios/Hz. La FiguraNo. 5 muestra la variación de losparámetros en función de la velocidaddel motor; La Figura No. 6 presentalos mismos sucesos en función deltiempo.Nota: La lectura del tema, antes derevisar las figuras, ayudará a entenderel contenido.



Figura 5

1. El punto 1 es el inicio del suceso.El grupo electrógeno está establesin carga, en velocidad alta envacío y la BMEP es cero. Lacarga plena se aplicainstantáneamente.

2. La velocidad cae y el reguladoraumenta el flujo de combustible,lo que a su vez aumenta la BMEPde salida del motor. A medidaque aumentan el error develocidad y el tiempo, elregulador rápidamente aumentala BMEP.

3. En el punto 3, el motor alcanzauna relación de equivalencia de1,0 y la potencia alcanzatemporalmente el máximo. Eltiempo es tan corto que ha

ocurrido una pequeña aceleracióndel turbocompresor.

4. A medida que el reguladorcontinúa aumentando el flujo decombustible hacia el tope de lacremallera, el combustibleadicional ocasiona exceso decombustible, humo y pérdida depotencia.

5. En el punto 5, el reguladoralcanza el tope de la cremallera yno hay más flujo de combustible.

6. El turbocompresor acelera, lo queaumenta el flujo de aire y lapotencia del motor, usando partedel exceso de combustible.Debido a que el turbocompresores tan lento como el regulador, lapotencia aumenta mucho máslenta.



7. En el punto 7, la BMEP de salidadel motor finalmente correspondecon la carga exigida por elgenerador. Debido a que lapotencia y la carga sonexactamente iguales, no hayaceleración o desaceleración y lavelocidad es constante por uninstante en la caída de velocidadmáxima.

8. Debido a que el error develocidad continúa siendogrande, la cremallera permanecetotalmente abierta. La BMEP delmotor aumenta, excediendo lademandada por la carga. Elexceso de BMEP permite que elgrupo electrógeno acelere paraobtener la velocidad nominal. Lapotencia aún está limitada por elaire.

9. En el punto 9, la BMEP del motoralcanza su nivel máximo en la

curva de capacidad desobrecarga del motor, aunque lavelocidad continúa por debajo dela velocidad nominal. Ahora lapotencia está limitada por elcombustible.

10. El motor continúa acelerando,con la BMEP limitada por el topede la cremallera, a medida que lalínea de carga aumenta paraobtener la carga específica. Laaceleración disminuye debido aque el exceso de BMEP tambiéndisminuye.

11. La velocidad alcanza la velocidadnominal y el regulador reduce laentrada de combustible hasta quela salida BMEP del motor seajusta exactamente a la demandade la BMEP de carga. Lavelocidad vuelve a ser constanteen la nueva carga.



Figura 6

Debido a que sólo se requiere laacción del regulador, el motor puedealcanzar el punto 3 enaproximadamente 0,2 segundos. LaBMEP de los motores TA pued ealcanzar aproximadamente 140lb/pulg² sin que se requiera respuestadel turbocompresor. Luego, laaceleración del turbocompresorpermitirá que la BMEP del motoraumente, más o menos, de 20 a 60BMEP por segundo; la respuestaprevista del turbocompresor semodifica para el error de velocidadbaja del motor, exceso decombustible, altitud, arranque en frío eimpacto del aire. Debido al aumentode 20 a 60 BMEP por segundo, el

ejemplo requiere aproximadamente1,5 segundos para llegar al punto 7, yaproximadamente 4 segundos parallegar al punto 9.

Debido a que los motores de unacilindrada específica están diseñadospara salidas cada vez más altas, noaumenta la capacidad para aceptarcargas en bloque. Aunque un motorcon turbocompresión puede producirmás potencia que un motor deaspiración natural de cilindradasimilar, necesariamente no aumentasu capacidad de aceptar cargas enbloque. La Norma ISO (Organizaciónde Normas Internacionales) sobregrupos electrógenos ha consideradoeste fenómeno y el resultado son los



datos de la Figura No. 7,correspondiente a la norma ISO 8528 -5.

Figura 7

Explicación de la Figura No. 7Usando la Figura No. 7, se puede

determinar el número de pasos decarga requeridos para la potenciadeseada. Primero, encuentre la BMEPdel motor a velocidad nominal; losniveles de BMEP se muestran paracada clasificación en los datos derendimiento de la Información deMercadotecnia Técnica (TMI).

Si el porcentaje de la carga enbloque es menor que la curva delprimer paso de carga, la carga enbloque puede obtenerse en un paso.

Si el porcentaje de la carga enbloque es mayor que la curva delprimer paso de carga, pero menor quela curva del segundo paso de carga,se necesitarán dos pasos de cargapara obtener la potencia deseada.

Si el porcentaje de la carga enbloque es mayor que las curvas de losdos primeros pasos de carga, peromenor que la curva del tercer paso decarga, se necesitarán tres pasos paraobtener la potencia deseada.

Los bloques de carga y la respues tapara bloquear la carga son aspectosque deben considerarse paradeterminar el tamaño del grupoelectrógeno. Muchos motores diesel

de cuatro tiempos conturbocompresión y posenfriamiento noaceptarán la carga en bloque de 100%en un solo paso. Asegúrese siemprede que el grupo electrógenoseleccionado cumplirá con losrequisitos de la aplicación.Configuración del motor

La forma en que se configura elmotor puede afectar el tamañorequerido del grupo electrógeno.Sistema de aire

El comportamiento de acep tación decarga de un motor también dependedel tipo de suministro de aire alsistema de combustión. La potenciamáxima del motor puede estarrestringida de aire. La potencia sólopuede aumentarse si el flujo de aire yla tasa de combustible se aumentan.El flujo de aire del motor se determinapor la cilindrada del motor, lavelocidad del motor y la densidad delaire de admisión del motor. Cuantomás denso el flujo de aire, permitiráque el grupo electrógeno funcionemás eficientemente, para proporcionaruna respuesta más rápida con cargasvariables.

Para una cilindrada determinada oun tamaño de motor determinado, unamayor velocidad requiere un mayorflujo de aire. La mejor forma deaumentar el flujo de aire a velocidadescompatibles con 60 Hz o 50 Hz esaumentar la densidad del aire queingresa a los cilindros. Unturbocompresor puede aumentar lapresión del aire, lo que aumentará sudensidad. La densidad del airetambién puede aumentarse al enfriarel aire caliente y comprimido con unintercambiador de calor, llamadoposenfriador. Para este enfriamientopuede usarse un suministro de agua



separado, el agua de las camisas o elflujo de aire del radiador.

La configuración de los sistemas deaire también puede afectar larespuesta transitoria. Unturbocompresor equipado con unaválvula de derivación de gases deescape permite el uso de unturbocompresor más grande, perolimita la presión de refuerzo del turboen condiciones de operaciónnormales. El motor opera más rápido yaumenta el flujo de aire sinsobrevelocidad. Otro ejemplo es lacapacidad de disminuir la respuestatransitoria al aumentar el número deturbocompresores. Ésto permitiría queel motor opere en la misma BMEP,pero con una respuesta transitoriadiferente. La presión de aire deadmisión de un turbocompresortambién afecta la densidad del aire.Un inyector más pequeño en la cajade la turbina de un turbocompresoraumenta la velocidad del aire, lo quepermite que el turbocompresor operea una velocidad más alta y, por tanto,aumente el refuerzo y el flujo de aire.Un motor equipado con múltiples deescape enfriados por agua transferirámenos calor al turbocompresor, lo quelo hace menos eficiente duranteperíodos cortos de aceleración.Motores de gas

Los motores de gas Caterpillar sonde aspiración natural (NA) o conturbocompresión y posenfriamiento(TA). Las condiciones atmosféricasafectan la forma en que un motor NApuede hacer fluir el aire en su sistema.La capacidad de carga de un motorNA está afectada directamente por laaltitud y la temperatura ambiente. Losmotores TA tienen un turbocompresorque comprime el aire, lo que aumentasu temperatura. Se usa un

posenfriador separado de modo que ladensidad del aire y el margen dedetonación aumenten. Puededisminuirse la potencia de los motoresTA de modo que no experimentendetonación prematura.Capacidad de carga en bloque orespuesta transitoria

La capacidad de carga en bloque orespuesta transitoria del paquete delgrupo electrógeno del motor de gas esmenor que la de su contraparte, elmotor diesel. La mayor parte de estadiferencia se atribuye directamente alos sistemas de combustible diferentesde los dos motores. Cuando elregulador requiere más potencia, unmotor diesel reacciona inyectandocombustible directamente al cilindro.Este método permite que el motordiesel acepte cargas en bloque de100% con caídas de voltaje y cambiosde frecuencia aceptables. Cuando elregulador de un motor de gas requieremás potencia, el acelerador se abre yun mayor flujo de mezcla deaire/combustible comienza a moversea través del núcleo del posenfriador, elmúltiple de admisión de aire y luego alcilindro. Esta demora de tiempodesmejora la capacidad de losmotores de gas para aceptar cargasen bloque más grandes.

Se ha hecho un gran esfuerzo paramejorar el rendimiento eléctrico detransiente de los grupos electrógenosG3516B y G3516C. El G3516B usa unenriquecimiento de transiente. Elenriquecimiento de transiente seprograma en fábrica en el software decontrol lo que mejora la absorción dela carga en bloque. También hay unatubería de derivación desde elposenfriador a la entrada delturbocompresor que está equipadacon una válvula electrónica. Este



sistema es llamado derivación delturbocompresor que, junto con elsoftware programado de fábrica,permite obtener descargas en bloquesin crestas del turbocompresor(cambios de velocidad rápida delturbocompresor). Estos dos sistemaspermiten el uso de los gruposelectrógenos G3516B para operaciónisla. Los grupos electrógenos G3516Btambién pueden aceptar pasos decarga transitoria de 10%. Los gruposelectrógenos pueden rechazar pasosde carga transitoria de hasta 25% depotencia nominal desde cualquierpunto de carga dado.Interacción del sistema

El generador y el regulador devoltaje son responsables de ladesviación y recuperación de voltaje.La potencia producida por elgenerador es controlada por laexcitación del rotor. El regulador devoltaje controla la excitación (corrienteCC).

La mayor carga hacer fluir máscorriente desde el generador, lo quehace que caiga el voltaje delgenerador. Como respuesta, elregulador aumenta la excitación delcampo giratorio, lo que aumenta suflujo. Este aumento de flujo regresa elvoltaje del estator a su valor original.Por tanto, el generador puede produciruna demanda más alta de corriente ypotencia en el mismo voltaje.

Como se explicó anteriormente enesta sección, la potencia máxima delgenerador está limitada por latemperatura. El calor se produce en eldevanado debido a los cambios deflujo de corriente y de intensidad delcampo magnético. Las temperaturassuperiores a los parámetrosespecíficos hacen que el generador

sobrepase el límite establecido en eldiseño. El mejor método paraaumentar la potencia del generadorsin que se produzca calor excesivo esaumentando el tamaño del generador;una mayor cantidad de cobre(devanados) puede transmitir máscorriente sin aumentar la temperatura;más hierro (laminados) puede manejarun mayor flujo sin aumentar latemperatura.

Cuando se añade una carga, elvoltaje del generador cae debido a loscambios de flujo magnético en elhierro y en el espacio vacío. Ungenerador de mayor tamaño tiene máshierro, de modo que la desviación deintensidad del campo y del voltaje dekW determinados son menores.

La suma de las constantes detiempo del regulador de voltaje, elexcitador, el rotor principal y el estatorprincipal, determinan la respuesta y larecuperación de voltaje;generalmente, esto es menor a unsegundo, con tiempo adicional paraque el regulador se estabilice.Reguladores de voltaje

El regulador de voltaje es uncomponente clave para determinar lacantidad de desviación devoltaje/frecuencia y el tiempo derecuperación. Hay varios tipos dereguladores:

Constantes Voltios/Hertz 2 Voltios/Hertz Regulador de voltaje digi tal

(voltios/Hz ajustables)Un regulador de voltaje constante

intenta mantener el voltaje nominal amedida que se aplica la carga. Debidoa que el generador se mantiene en elvoltaje nominal, éste mantiene la



carga aplicada (ekW). Anteriormente,resaltamos la importancia de larelación entre ekW y bkW.

bkW = Velocidad x Par/lambdaPor tanto, cuando se usa un

regulador de voltaje constante, obligaa aumentar el par del motor durantelas caídas de frecuencia. Debido aque la mayoría de motores de losgrupos electrógenos no estándiseñados para aumentar el par,puede presentarse una cantidadsignificativa de caída de frecuencia.

Las rpm de velocidad del motordisminuyen a medida que se aplicacualquier carga en un colector limitado(generador). Ésto hace que ca iga lafrecuencia/voltaje consecuentemente.Las cargas grandes aplicadas al grupoelectrógeno impondrán un porcentajemayor de caída; cargas grandestambién requerirán más tiempo paraque el motor se recupere.

El regulador de "Voltios por Hertz"(1:1 Voltios/Hz) fue diseñado paraimponer un par decreciente en elmotor durante las caídas defrecuencia. El regulador Voltios/Hzprograma el voltaje proporcionalmentecon la velocidad.

Si la velocidad cae 15%, el reguladorVoltios/Hz hará que el voltajedisminuya 15%. Ésto reducirá el flujode corriente en la carga en 15%. LoskW absorbidos por la carga sonentonces 0,85 (85% de los voltios)multiplicado por 0,85 (85% de lacorriente), o 72,25% de la potencianominal. El motor sólo debe producir72,25% de los hp nominales.Matemáticamente, la fórmula paraeste concepto es:

0,85 voltios x 0,85 corriente = 0,7225potencia = 0,85 velocidad x 0,85 par

La tecnología ha permitido unaumento de las clasificaciones delmotor. Este aumento crea laposibilidad de cargas transitorias másaltas. En algunos casos un reguladorVoltios/Hz no puede evitar la caídaexcesiva de frecuencia debido a losmayores cambios de carga; el par haaumentado tanto que la deceleraciónen la carga es extrema. Caterpillar hadesarrollado un regulador 2 Voltios/Hzpara controlar esta situación.

El regulador 2 Voltios/Hz disminuyeel voltaje dos veces la tasa de caídade frecuencia. A velocidad del motorde 15%, el voltaje podría caer a 30%(2 x 15%) y la carga se reduciría a70%. Los kW absorbidos po r la cargason 0,70 (70% de los voltios)multiplicado por 0,70 (70% de lacorriente), o 49% de los hp nominales.

Si el grupo electrógeno es losuficientemente grande paratransportar la carga, el regulador 2Voltios/Hz podría ayudar en elarranque del motor. Un motor dearranque reducido podría norequerirse con el regulador 2Voltios/Hz cuando se arrancanmotores grandes, dependiendo deldiseño del sistema y de los pasos decarga aplicados. Sin embargo, sereduciría el voltaje de todo el sistema,no sólo del motor.Regulador de voltaje digital

El regulador de voltaje digital es unregulador de voltaje basado en unmicroprocesador. Su propósitoprincipal es regular el voltaje de salidadel motor del grupo electrógeno. Estádiseñado para mejorar el rendimient oal permitir la modificación decaracterísticas de regulación queantes no podían modificarse. Éstopermite que el motor del grupo



electrógeno funcione de manera máseficaz y proporcione un mejorrendimiento al cliente.

El regulador de voltaje digital pue deconfigurarse con un software paraoptimizar la respuesta transitoria decualquier paquete de grupoelectrógeno Caterpillar al cambiar lascaracterísticas de frecuencia baja, asícomo las ganancias del bucle decontrol. El diseño basado enmicroprocesador permite unaflexibilidad incomparable en diversasaplicaciones.



Requisitos del cliente

Demanda de potenciaRequisitos de potencia en el sitio

Antes de seleccionar el modelo y laclasificación de un motor deberealizarse un análisis de carga. Estasección explicará los factores queafectan el dimensionamiento delgenerador, incluyendo lasnecesidades de administración decarga, los límites de caída de voltaje yfrecuencia, las consideraciones dearranque del motor, las necesidadesde arranque y todas las normasrequeridas.Administración de carga

La administración de carga es elcontrol cuidadoso de las cargas de ungrupo electrógeno y/o una empresa deenergía para tener los costoseléctricos más bajos posibles.

La evaluación de los perfiles decarga del cliente es un componenteclave para establecer su perfil deadministración de carga y el tamañodel grupo electrógeno requerido paraoperar dentro de este perfil.Perfiles de carga

Se debe establecer la duración y lanaturaleza de una carga paraseleccionar y operar un sistema degrupo electrógeno a eficienciamáxima. Para analizar una carga, esnecesaria una familia de tablas deperfiles de carga. Los perfiles de cargacronológicos y de duración son másútiles para este propósito.Nota: A menos que se conozca que lacarga es estacionaria, este promediono puede usarse para establecer losrequisitos del motor y del generador,

debido a que el promedio siempreserá menor a la demanda kW máxima.

El propósito del número de promediomensual es poder graficar un añocompleto y determinar cualquiervariación estacional.

La curva cronológica de carga diaria,mostrada en la Figura No. 8, muestrala demanda de carga durante todo eldía. Una curva cronológica establecela demanda diaria máxima y un perfilde uso de energía que pueden ayudaren la selección del tamaño apropiadodel motor. Esta curva de cargatambién es útil en la programación deunidades para obtener una operacióneconómica.

Figura 8

Los valores máximos típicos diariospara varias industrias puedengraficarse basados en las cargastípicas que se muestran en la FiguraNo. 9.



Figura 9

Las curvas de duración, mostradasen la Figura No. 10, reacomodan lascurvas cronológicas y resumen lacarga diaria. Estas curvas se creanpor semana, mes, estación o año. Elgráfico diario representa la carga dekilovatios promedio para cada día,mientras que el gráfico de 12 meses,mostrado en la Figura No. 11,representa la carga en kilovatiospromedio para cada mes.

Figura 10

Para cargas existentesproporcionadas por la empresa deenergía, las facturas de energíaeléctrica o los registros de consumoproporcionarán los datos necesariospara el período de doce meses. Lacarga kW promedio puededeterminarse mediante la siguienteecuación:

kW total usados en el mesCarga kWpromediopor mes

= Horas mensuales totalesde operación

Figura 11



Estimación de datos de cargaObviamente, los datos históricos de

carga no existen para una planta ouna instalación que aún no se haconstruido. En la Tabla No. 5 secalcula la carga promedio de variasinstalaciones. Aunque estas cifrastendrán variaciones dependiendo delas condiciones del sitio, serán fiablesy útiles para la realización de estudiospreliminares de factibilidad para lainstalación.Clasificación de las cargas

Cuando se desarrolla un estimadode carga, resulta útil clasificar lascargas del sistema de iluminación y depotencia. Estas cargas son muydiferentes.

Las cargas del sistema deiluminación son relativamenteconstantes. Estas cargas se expresancon mayor frecuencia como densidadde carga en voltio-amperios (VA) porpie cuadrado (VA/pies2). En un edificio

comercial, las cargas del sistema deiluminación generalmente varíandesde 1,0 VA/pies2 en un área dealmacenamiento, hasta 15,0 VA/pies 2

o más en un área de oficinas.Las cargas de potencia involucran

cargas diferentes a las del sistema deiluminación. Algunos ejemplos sonmotores, hornos y rectificadores. Adiferencia de las cargas del sistemade iluminación, las cargas de potenciavarían de acuerdo con diferentesfactores, como: los tiempos dearranque y parada, el porcentaje desalida y el factor de potenciarelacionado.

Además de la clasificación de lascargas, las cargas del sistema deiluminación y de potencia también secalculan por separado. Las cargasluego se suman para determinar lacarga total aproximada.



Datos aproximados de carga y consumo de potenciaUso de potencia

Instalación Vatios/pie² kWh/pies2/añoEscuelas

Salones de claseVestuarios, auditorios,Pasillos

Promedio de 4-5 (43,06-53,82W/m2 (Total)

5-6 (53,87-64,58)2-3 (21,53-32,29)20 vatios por pie (65,62 W/m)

11 a 17(1,02 a 1,58kWh/m2/año)

Centros comercialesTiendas, tiendas grandes pordepartamento y tiendasespecializadasVitrinas

Promedio de 5 (Total)5-6 (53,87-64,58)500 vatios por pie (1.640,5W/m)

28 a 34 (2,6-3,2)

Edificios de oficinasOficinas privadas y generalesOficinas profesionalesDentistas, salas de redacción, etc.

Promedio de 5-64 (43,06)6-7 (64,58-75,35)7 (75,35)

28 a 34 (2,6-3,2)

Hoteles y motelesSala de esperaHabitacionesComedoresPasillos de exhibición, tiendas,recepción, cocina

Promedio de 3-4 (32,29-43,06)(Total)

2 (21,53)3 (32,29)4 (43,06)3 (32,29)

12 a 17 (1,1-1,58)

HospitalesRecepción, pabellones, cafeteríasHabitaciones privadas, quirófanosMesas de operación: Cirugíasdelicadas

Cirugías sencillas

1,5 kW a 2,5 kW en promedio porcama

3 vatios/pies² (32,29 W/m²)5 vatios/pies² (53,82 W/m²)3.000 vatios cada una1.500 vatios cada una

8.500 kWh a11.400 kWh porcama, por año

Edificio de apartamentosRecepciónApartamentosElectrodomésticos pequeños

2-3 kW por unidad (Total)2 vatios/pies² (21,53 W/m²)3 vatios/pies² (32,29 W/m²)1,5 kW/unidad

11 a 17 (1,20 a1,58)

Tabla 5

Cálculo de la carga VA/pies 2

Para propósitos de cálculo, lascargas de potencia y las cargas delsistema de iluminación puedenmedirse en VA/pies2. Sin embargo, unanálisis detallado requiere la mediciónindividual de las cargas de potenciapara garantizar la exactitud.

Un sencilla tabla, basada enVA/pies2, se usa para obtener uncálculo aproximado de una carga,expresado en los kVA totales

generados; La Tabla No. 6corresponde a dicha tabla.Ejemplo de carga

Calcule la carga para una oficina de10.000 pies² con sistema de aireacondicionado eléctrico.Solución

La columna de la izquierda de laTabla No. 6indica que la cargamáxima del sistema de iluminación enun edificio de oficinas es 4,0 VA/pies2.Por tanto, la carga del sistema deiluminación equivale a:

4,0 VA/pies2 x 10.000 (pies²) = 40.000 VA



Voltio-amperios por pie cuadrado(Va/pies 2)Tipo de carga

Tipo deinstalación Sistemas de

iluminaciónPotenciavariada

Aireacondicionado

(eléctrico)

Aireacondicionado(no eléctrico)

Edificio deoficinas 2,5 - 4,0 2,0 4,0 - 7,0 1,5 - 3,2

Hospital 2 - 3 1,0 5,7 2,0 - 3,2Escuela 2,0 - 4,0 1,5 3,5 - 5,0 1,5 - 2,2

Tabla 6

Al leer la tabla de izquierda aderecha:

Se requiere 2,0 VA/pies2 paracargas de potencia variadas:

2,0 VA/pies2 x 10.000 (pies²) = 20.000 VA

Se requiere 7,0 VA/pies2 para lascargas eléctricas del sistema de aireacondicionado:

7,0 VA/pies2 x 10.000 (pies²) = 70.000 VA

Las cargas individuales debensumarse para determinar la cargacombinada:

40.000 + 20.000 + 70.000 = 130.000 VA

Cuando se use la tabla indicada, esimportante recordar que la tabla noexplica las pérdidas de potenciacausadas por la resistencia de losalambres y los cables. Una pérdida depotencia de hasta 6% se incluiría en elcálculo de VA totales cuando serealiza el cálculo para una instalacióncon alto cableado.

Pasos de cargaLos pasos de carga se refieren a la

cantidad de carga colocada al mismotiempo en un grupo electrógeno. Ungrupo electrógeno puede aceptarcarga en un solo paso de carga opuede distribuirla en varios pasos decarga. El cliente puede identificar las

necesidades del entorno y luegopuede aplicarse un método apropiadode arranque. El análisis del pas o decarga BMEP, descrito anteriormenteen esta guía, es un sistema paradesarrollar un método de arranque.

La mayoría de las cargas no exigiránpotencia en el modo de estadoestacionario; por tanto, es importanteconocer la secuencia de operación ylo que estará en funcionamientocuando se conectan las cargas.Priorización

La priorización es el procesomediante el cual el cliente identificaqué cargas eléctricas se requieren ycon qué prioridad. Las cargas deprioridad más altas se ubicarán en elprimer paso; incluso si todos losgrupos electrógenos no están listospara carga. El primer grupoelectrógeno listo para aceptar la cargatomaría las cargas de primeraprioridad. El siguiente paso sería ir ala siguiente carga con la más altaprioridad. Este proceso se repetiráhasta que se apliquen todas lascargas.

Los pasos de cargas más pequeñosequivalen a cargas transitorias máspequeñas, lo que resulta en una fáciltransición. Por ejemplo, un centromédico puede dar prioridad al equipode salvamento como su necesidadnúmero uno. Dicho equipo (o los



tomacorrientes especiales para elequipo) sería el primero en tenersuministro de electricidad del primergrupo electrógeno disponible. Elsistema de iluminación puedeidentificarse como la segundanecesidad más importante ymanejarse a través del segundo pasode carga.

Cuando se arrancan los gruposelectrógenos sin un orden de cargapreferido, se sugiere que las cargasgrandes se arranquen primero. Lacarga transitoria más grande ocurriráantes de que el sistema esté muycargado. Estas cargas grandestendrán un efecto mínimo en el restodel sistema.Desconexión de cargas

La desconexión de cargas se refiereal método mediante el cual sepriorizan las necesidades después dearrancar los grupos electrógenos.Durante períodos de demanda alta,algunas cargas pueden ser menosimportantes para la instalación queotras cargas. Estas cargas pueden"desconectarse" o no recibir potencia,de modo que la electricidad puedeusarse para cargas esenciales ydeterminadas con anticipac ión.

Por ejemplo: En una fábrica, todo elequipo de soldadura y otras máquinaspueden operarse hasta el límite decapacidad y al mismo tiempo entre las10:00 a.m. y las 12:00 m y luego entrela 1:00 p.m. y las 3:00 p.m. Duranteeste tiempo, la carga para las luces dela cafetería y del estacionamientodeben desconectarse debido a que noson una prioridad.Cargas intermitentes

Equipo, como hornos y elevadores,usan potencia intermitente y seconsideran cargas intermitentes.

Todas las cargas que siguen unacarga intermitente deben considerar lacarga intermitente como parte de sucarga total. Ésto aumenta losrequisitos skVA y podría requerirse ungenerador más grande para las cargasintermitentes.Categorías adicionales de carga

No hay pautas oficiales paraclasificar las cargas. Los arquitectos,consultores, clientes y contratistasdeterminarán las categorías para lascargas, de acuerdo con cadaproyecto.

Por ejemplo: Las cargas de unproyecto determinado pueden dividirseen cargas del sistema de iluminación,de calentamiento y de enfriamiento.En otro proyecto, las cargas puedenclasificarse como normales, deemergencia e ininterrumpibles. Lascargas de un tercer proyecto puedendividirse como cargas base,intermedias y de corte de crestas.Estrategias de administración decarga

Las empresas de energía eléctricaalgunas veces ofrecen a sus clientesdescuentos si sus cargas no varían oexceden un límite determinado. Eldescuento más común es el corte decrestas, la carga fundamental y elcontrol importación cero/exportacióncero.



Corte de crestasLa Figura No. 12 muestra cómo el

cliente de una empresa de energíaeléctrica puede calificar para una tasade descuento si su demanda nosobrepasa los 500 kW. Cualquierpotencia mayor que 500 kW esproporcionada por el grupoelectrógeno del cliente. Por tanto, elcliente "corta" las crestas de laresponsabilidad de la empresa deenergía eléctrica. El corte de crestaspuede ser muy exigente en un motor;debe poder arrancar rápida yautomáticamente paralelo a laempresa de energía eléctrica. Eltiempo de respuesta del motor escrucial debido a las fluctuaciones decarga.

Figura 12

Carga fundamentalEl tipo de administración de potencia

menos exigente en un motor es lacarga fundamental. El generad oropera a una carga constante y laempresa de energía eléctrica importala potencia cuando la carga excede lasalida del generador. El usuariotambién puede exportar potencia a laempresa de energía eléctrica si lacarga es menor que la salida delgenerador. La Figura No. 13 muestraun sistema de carga fundamental eindica cuándo se importaría oexportaría la potencia eléctrica.Debido a que las sobrecargas sonmanejadas por la empresa de energíaeléctrica y el grupo electrógeno esoperado a una carga constante, eltamaño y el tiempo de respuesta delmotor no son tan cruciales como en elcorte de crestas.

Figura 13



Importación cero/Exportación cero

El tipo de administración de carga enque el cliente proporciona potencia atodas las necesidades eléctricas de lainstalación, mientras permanezca enparalelo con la empresa de energíaeléctrica se conoce como control deImportación cero/Exportación cero.Vea la Figura No. 14. Si los requisitosde potencia varían ampliamente,puede usarse una serie de gruposelectrógenos conectarse en líneacomo se requiera. Debido a que lainstalación del cliente permaneceparalela a la empresa de energíaeléctrica, las demandas de losmotores para este tipo de control sonsimilares a los de la cargafundamental. La fiabilidad es unasunto muy importante para estosclientes. Las empresas de energíaeléctrica con frecuencia sancionaráncon cargo por demanda cada vez quese recurre a ellas para el suministro deenergía.

Figura 14



Concepto de corte de crestas comparado con compartición de crestas

Corte de crestas Compartición de crestasEl cliente desconecta la carga o genera laenergía para reducir su propia cresta dedemanda

El cliente genera energía para ayudar a laempresa de energía eléctrica a reducir suscrestas

La práctica generalmente no tiene el respaldode las empresas de energía eléctrica

La práctica tiene el respaldo de muchasempresas de energía eléctrica con déficits encapacidad de generación eléctrica.

Ventajas para el cliente gracias a ventas queperdería la empresa de energía eléctrica

Debido a los beneficios que recibe laempresa de energía eléctrica, ésta puederecompensar al cliente

Hay ahorros acumulados para el cliente porcargos de demanda reducidos

Los ahorros se acumulan de las tasasinterrumpibles o de los créditos por kW de lacapacidad de generación en el sitio por partedel cliente

El concepto es factible sólo cuando el clienteexperimenta "picos" severos de demanda ycargos por demanda alta.

El concepto es viable incluso para losclientes con perfiles de carga relativamenteparejos.

El cliente decide cuándo poner a funcionar losgeneradores

La empresa de energía eléctrica establece laoperación cuando no puede cumplir contodas las demandas de sus clientes

Si los generadores están instalados con el único propósito de aprovechar los incentivosde corte de crestas, el cliente obtiene la ventaja adicional de la protección de reserva

cuando se presenten interrupciones de fluido eléctrico de la em presa de energíaeléctrica.

Figura 15

Compartición de crestasEn una configuración típica de

compartición de crestas, el clienteinstala y opera generadores decapacidad específica cuando laempresa de energía eléctrica le indicaque lo haga. En muchos contratos decompartición de crestas, las empresasde energía eléctrica compensan alcliente cada vez que ellos operan suspropios generadores. Las diferenciasentre el corte de crestas y lacompartición de crestas se describenen la Figura No. 15.Cogeneración

La cogeneración es el término usadopara describir el sistema deadministración de carga que produceelectricidad para las operaciones del

sistema de iluminación y del equipo,mientras usa el calor residualproducido en el escape del sistema decalentamiento, enfriamiento ogeneración de vapor del proceso. Lasplantas de cogeneración puedenoperar independientemente de laempresa de energía eléctrica o enparalelo, de modo que el cogeneradorpuede comprar o vender energía de laempresa de energía eléctrica.



Curvas de duración de cargaLas curvas de duración de carga

también pueden representar cargas.

Figura 16

Como se muestra en la Figura No.16, las cargas se organizan en ordendescendente de magnitud , basado enel porcentaje de carga total. Losgrupos electrógenos que suministranpotencia a la carga fundamentaloperan durante un período de 24horas. Los grupos electrógenos quesuministran potencia a la cargaintermedia se activan durante unperíodo limitado cuando la cargaaumenta a un nivel específico.

Los grupos electrógenos designadospara proporcionar potencia a la cargamáxima se usan para potenciar el100% de la carga durante un períodocorto.

Cuando se conoce el tipo deadministración de carga máseconómico para la instalación, puededeterminarse el tamaño del grupoelectrógeno requerido, basado en elfactor de carga y de la aplicación.

Pautas para estimación de cargasPueden usarse muchas pautas para

calcular los diferentes tipos de cargas.Por ejemplo: En la Tabla No. 7, lapotencia al freno (BHP) por hora de uncompresor de aire, clasificado en 125lb/pulg² puede hallarse multiplicandolos pies cúbicos nominales por minuto(pies³/min) del compresor por 0,275.Las cargas de los ventiladores,sopladores, bandas transportadorasinclinadas y las máquinas para soldartambién pueden calcularse usando lainformación de esta tabla.



Crecimiento de la cargaDeben tenerse en cuenta las

necesidades futuras de los clientespara determinar el tamaño de ungrupo electrógeno. Si el clienteanticipa el crecimiento de suaplicación debido a un mayor volumeno mayores necesidades,sobredimensionar el motor o dejar

espacio para instalar posteriormenteotro generador , es razonable y útilpara el cliente. El crecimientoproyectado de la carga para cualquieraplicación nunca debe ser menor que10%. La Tabla No. 8 muestra elcrecimiento típico de carga durante unperíodo de 10 años en diferentesaplicaciones.

Pautas para dimensionamiento de cargas típicas

Compresores deaire

Ventiladores ysopladores

Bandas transportadorasinclinadas(15° a 20°)

Soldadoras

Clasificación de 90lb/pulg²0,225 x pies³/min =BHP100 clasificación de100 lb/pulg²0,25 x pies³/min = BHPCompresor de aire de125 lb/pulg²0,275 x pies³/min =BHP

pies³/min x pulgH2OBHP =

6.346 x eficiencia

Levantamiento vertical en piesx Toneladas/hBHP =

500

Servicio ligero:3 a 20 kW

Servicio pesado:20 a 100 kW

Tabla 7

Crecimiento de carga en 10 añosTransmisiones

30 – 50%Centro médico

30% a 50%Iglesia

30% a 50%Escuela

30% a 50%Hospital

30% a 50%Almacén

30% a 50%

Tabla 8



Factor de demandaComo ya se mencionó, los requisitos

de carga deben definirse de la maneramás exacta posible para determinar eltamaño adecuado del grupoelectrógeno. La "demanda máxima" oel "factor de demanda" es la demandamás alta puesta en el suministro en unperíodo específico. Después de hallarla carga conectada total, es importanteconocer que proporción de la cargamáxima realmente se usará en unmomento dado. Otra forma dedescribir el factor de demanda es larelación matemática de la carga deoperación dividida entre la cargaconectada.kW de operación

totalkW conectados

totales

X 100 = Factor dedemanda

Figura 17

La Figura No. 17 también ilustra elfactor de demanda. En este sistema,tres motores, clasificados a 50 hp, 20hp y 100 hp están conectados a ungrupo electrógeno.

Si el motor de 50 hp se operara a100% de su capacidad, su cargaeléctrica conectada total sería de 37,3kW. Sin embargo, se espera que elmotor de 50 hp produzca sólo 54% desu capacidad total. Por tanto, la cargaeléctrica de operación es 20 kW.Cuando opera a 100% de lacapacidad, la carga máxima del motor

de 20 hp en el sistema es 15 kW, quees el mismo valor de la cargaconectada. La carga de operación deun motor de 100 hp y que opera a87% de su capacidad total es 65 kW.Ejemplo:

¿Cuál es el factor de demanda delsistema mostrado en la Figura No.17?Solución:

Para calcular el numerador debensumarse las cargas kW individuales:

20 + 15 + 65 = 100 - Carga kW deoperación

Para el denominador deben sumarselas clasificaciones de potencia (hp) decada motor:

50 + 20 + 100 = 170 hp - Cargaconectada total

El factor de conversión de hp a kWes 0,7457 ó 0,746. Por tanto, la cargaconectada total se multiplica por 0,746para obtener 126,82 kW o 127 kW:

0,746 X 170 = 126,82 = 127 kW)

Para encontrar el factor de demandase usa la siguiente fórmula:kW de operación

totalkW conectados

totales

X 100 = Factor dedemanda

100 kW127 kW X 100 = 79%



En la Tabla No. 9 se muestra unagama de factores de demandacomunes.

Gamas de factores de demandacomunes

Aparato Carga conectadatotal

Motores parabombas,compresores,elevadores,sopladores, etc.

20 a 60 por ciento

Motores paraoperacionessemicontinuas,como plantas deprocesos yfundiciones

50 a 80 por ciento

Soldadoras por arco 30 a 60 por cientoSoldadoras deresistencia 10 a 40 por ciento

Calentadores,hornos 80 a 100 por ciento

Tabla 9

Factor de diversidadEl factor de diversidad es el valor

puesto en una pequeña colección decargas. El valor para todo el sistema,que se compone de pequeñascolecciones de cargas, se conocecomo factor de diversidad.Específicamente, el factor dediversidad es la relación matemáticade las demandas máximasindividuales de un sistema divididasentre la demanda máxima del sistemaen conjunto. La fórmula usada paracalcular el factor de diversidad es lademanda máxima total dividida entrelos kW de entrada total multiplicadopor 100.

kW Demandamáx. total

kW de entradatotal

X 100 = Factor dediversidad

Figura 18

La Figura No. 18 puede usarse parailustrar el factor de diversidad. Esimportante conocer qué proporción dela carga máxima de todo el sistemaestá presente en un momento dado.Como se muestra en la Figura No. 18,las cargas individuales se conectan alos centros de carga. Cada centro decarga tiene cargas de 20 kW, 15 kW y65 kW, para un carga conectada totalde 100 kW. La carga conectada totalde 100 kW se envía a un medidor de80 kW.

Para determinar el factor dediversidad del sistema mostrado, losvalores de 20 kW, 15 kW y 65 kW sesuman para obtener una cargaconectada total de 100 kW. Paraencontrar el factor de diversidad seusa la fórmula:kW de demanda

máx. totalkW de entrada

total

X 100 = Factor dediversidad

100 kW80 kW

X 100 =125%

Factores de diversidad típicosincluyen:

Alimentadores del sistema deiluminación:1,10% a 1,50%

Alimentadores de luces ypotencia:1,50% a 2,00% o más



Factor de demanda y factor dediversidad en la determinacióndel tamaño

Los factores de demanda y dediversidad resultan útiles paradeterminar el tamaño de los gruposelectrógenos para la carga.

Sin embargo, las cargas conectadasdeben intertrabarse de modo que notodas puedan afectar en el grupoelectrógeno al mismo tiempo. Si lascargas no se intertraban, podríaexcederse la clasificación del g rupoelectrógeno. A pesar de estaprecaución, siempre debe asumirseque las características totales actualesde todos los motores y otras cargasque arrancan al mismo tiempo noexcederán a corto plazo laclasificación del grupo electrógeno. LaFigura No. 19 muestra la forma enque se usan los factores de demanday diversidad para determinar eltamaño del grupo electrógeno.

Figura 19

En la Figura No. 19, se muestrancargas conectadas de 300 kVA, 100kVA y 500 kVA. Después de calc ularlos factores de demanda para cada

una de las cargas, las cargas dedemanda correspondientes son 240,100 y 350, respectivamente. Cuandose combinan, la carga de demandatotal del sistema es 690 kVA. Cuandoel factor de diversidad es 1,0, el totalde 690 kVA se divide entre 1,0 paraobtener 690 kVA total. Para cumplircon esta carga, se requiere un grupoelectrógeno clasificado en un tamañoestándar de 750 kVA.

Sin embargo, un factor de diversidaddiferente en el mismo sistemacambiará el KVA total requerido. Si elfactor de diversidad es 1,4, porejemplo, 690 kVA dividido entre 1,4 esigual a 492 kVA. Por tanto, un grupoelectrógeno clasificado a 500 kVAsería el adecuado para la carga.

En resumen, todas las cargasrequieren analizarse para seleccionarel generador de tamaño correcto parala carga. Cuando se determina eltamaño de un generador para unaaplicación, deben considerarse lacarga de estado estacionario y lacarga transitoria máxima.Caídas de frecuencia

Las caídas de frecuencia serelacionan con el tamaño de la cargaconectada. Una caída de frecuenciamáxima de 20% a 25% es el límiteestándar. Una caída de frecuenciamayor que 35% puede causardificultades en el motor durante larecuperación. Las caídas defrecuencia generalmente se controlanmás estrictamente que las caídas devoltaje, debido a que generalmente seconectan a equipo eléctrico mássensible.Carga en bloque y normas

La norma 110 de la NFPA(Asociación Nacional de Proteccióncontra Incendios) exige que un grupo



electrógeno pueda absorber una cargaen bloque de 100%. La norma noespecifica desviaciones de frecuenciani de voltaje.

La norma ISO 8528 (2005) tambiénestablece normas para la respuestatransitoria, que se analizó en lasección "Clasificaciones del Motor".Debe seguirse la clase de rendimientorelevante para la aplicación con el finde ajustarse a la norma y lograr unrendimiento máximo.

Requisitos de arranqueEl tiempo que toma iniciar el

arranque de un grupo electrógeno y elmomento en que está listo paraaceptar la carga se definen comorequisitos de arranque. Los requisitosde arranque variarán dependiendo dela aplicación. Un requisito de arranquetípico es de 10 a 30 segundos.Aceptación de carga

La aceptación de carga es el puntoen que se inicia el cierre del disyu ntor.Este valor corresponde al 90% de lafrecuencia nominal. La Figura No. 20muestra gráficamente el rendimientode arranque típico de un paquete degrupo electrógeno.

Figura 20

Arranque de 10 segundosEl arranque de 10 segundos se

refiere a la capacidad de un grupoelectrógeno no paralelo de arrancar,acelerar a velocidad nominal y estarlisto para aceptar la carga 10segundos después de recibir unaseñal de arranque.

Para el arranque de 10 segundosdeben cumplirse las siguien tescondiciones:1. Las baterías de arranque deben

tener el tamaño adecuado ycargarse completamente.Nota: Hay una diferencia para labatería en función de latemperatura ambiente.También, en casos donde se usaarranque neumático, el sistemade aire debe suministrar elvolumen de aire requerido ymantener una presión mínima de100 lb/pulg² (689,5 kPa).

2. El aire de combustión debe teneruna temperatura mínima de 21°(70°F).

3. Un calentador de agua de lascamisas para mantener unmínimo de temperatura del aguade las camisas de 32°C (90°F).

4. Un suministro de combustiblelimpio.

5. La inercia giratoria del generadorno debe exceder la del generadorCaterpillar estándar.

Cualquier variación en estascondiciones afectará el tiempo dearranque.Motores de gas natural

Se requiere el acondicionamientoespecial del motor de gas natural parael arranque en 10 segundos. Elarranque de 10 segundos sólo esposible en motores de gas



específicos. Consulte la fábrica paraobtener los requisitos de arranque delmodelo del motor específico.

Los requisitos de la condición dearranque para los motores de gasnatural son los mismos de los motoresdiesel, excepto por un detalle: Laválvula de gas de solenoide debeubicarse lo más cerca posible delcarburador o del regulador "A",dependiendo de la composición deltren de combustible. Es deseable unadistancia máxima de 0,61 m (2 pies).

Los requisitos de tiempo dearranque deben determinarse antesde seleccionar el tamaño del grupoelectrógeno. Una aplicación dearranque rápido requiere considerar laaltitud, la temperatura y otros factoresque afectan el arranque del motor,para encontrar la mejor solución.

Para obtener más información,consulte la sección "Arranque Rápidoy de Emergencia" de la Guía deAplicación e Instalación de Sistemasde Arranque.Centros de atención médica y NFPA99

La norma NFPA 99 es específicapara centros de atención médica.

El numeral 3-4.1.1.8 establece losiguiente:"El(Los) grupo(s) electrógeno(s)deberán tener suficiente capacidadpara absorber la carga y cumpli r conlos requisitos de estabilidad defrecuencia y voltaje mínimos delsistema de emergencia 10 segundosdespués de la pérdida de potencianormal".

Los clientes que requieren estácapacidad pueden obtenerla usando elsistema de generador correcto.Seleccione un grupo electrógenoapropiado en conformidad con esta

norma para todos los centros deatención médica de los EstadosUnidos.

Determinar el tamaño de un grupoelectrógeno requiere conocer lascargas y las estrategias deadministración de carga del cli ente,así como sus requisitos de respuestatransitoria, emisiones y arranque.Todos los requisitos debendeterminarse antes de establecer eltamaño y la clasificación del grupoelectrógeno.Selección del combustible

La selección del combustible puedeafectar el rendimiento de un grupoelectrógeno y, dependiendo de ladisponibilidad, reducir los costos deelectricidad para el usuario. Gasnatural, diesel y los combustiblespesados son opciones comunes.Nota: Puede encontrarse informacióndetallada de los combustiblesgaseosos y diesel en las Guías deAplicación e Instalación respectivas.Gas natural

Los motores de gas natural sonapropiados para la carga fundamentaly operaciones continuas. El gasnatural no responde bien a cargastransitorias, de modo que no es unabuena opción para cargas confluctuaciones. El gas natural puede sermenos costoso, dependiendo de ladisponibilidad, y tiene un mayor nivelde emisiones.Diesel

El combustible diesel es apropiadopara cargas con mayoresfluctuaciones. El combustib le quegeneralmente se recomienda paragrupos electrógenos diesel es elaceite de horno No. 2 o el combustiblediesel No. 2D. Cuando estecombustible se usa para



calentamiento, resulta práctico el usode tanques comunes dealmacenamiento para calderas ygrupos electrógenos. Además dereducir los costos de instalación, estaconfiguración reduce los costos decombustible en las compras al pormayor y minimiza el deterioro delcombustible. El combustible diesel esuna excelente opción para cargafundamental y aplicaciones auxiliares.Combustibles pesados

Los combustibles pesados son losproductos derivados del proceso derefinado del petróleo. Estoscombustibles son muy viscosos y sucalidad es muy baja. Sin embargo, esun combustible muy económico. Paralas industrias que consumen grandescantidades de combustible, loscombustibles pesados son una buenaopción debido a su precio. Loscombustibles pesados no son unabuena opción para aplicacionesauxiliares.

RendimientoEmisiones

Las normas de emisiones demotores evolucionan constantemente.

Las configuraciones especiales delmotor permiten la operación conemisiones de escape más bajas. Lasemisiones de escape gaseosas de losmotores diesel son las más bajas delos motores modernos de combustióninterna. Las emisiones del motor semiden usando un analizador de gasesHoriba o Beckman, con equipo ytécnicas de medición de datos enconformidad con el Código deRegulaciones Federales de losEstados Unidos, Título 40, Parte 53 u86.

Caterpillar ha desarrollado unacorrelación entre la concentración dehumo y partículas, que puede usarsepara calcular las emisiones departículas.Humo negro

El humo negro es la porción departículas de hollín causada porcombustión incompleta. El humonegro no se considera una emisión deescape, sino la compilación deemisiones de escape con materialparticulado en su mayor proporción.Debido a la composición delcombustible, los motores de gasgeneralmente no tiene una emisiónsignificativa de material particulado yno emiten humo negro.Humo blanco

El humo blanco es causado por elcombustible vaporizado y sin quemarque pasa a través del motor. Al igualque el humo negro, el humo blanco nose considera una emisión de escapedefinida. Generalmente, el humoblanco sólo se presenta durante elarranque y se desvanece a medidaque el agua de las camisas del motorse caliente a medida que se carga elmotor. Los calentadores de agua delas camisas ayudan a reducir el humoblanco durante el arranque.

El azufre presente en el combustiblese oxida para formar dióxido deazufre. La emisión de dióxido deazufre depende de la cantidad deazufre del combustible y del consumode combustible del motor. Lasemisiones de dióxido de azufrepueden calcularse usando la siguientefórmula:



SO2 = (00.01998) (BSFC) (% deazufre en el combustible)

Donde:SO2 = Emisiones en g/kW-hBSFC = Consumo específico

de combustible alfreno

% de azufreen elcombustible

= Porcentaje por peso

Los óxidos de nitrógeno se formancuando se combinan las moléculas deoxígeno y nitrógeno del aire decombustión. El óxido nítrico se oxidagradualmente convirtiéndose endióxido de nitrógeno que es másperjudicial para la atmósfera. Eldióxido de nitrógeno es un gasvenenoso que cuando se combina conhidrocarburos en forma de luz solar,crea smog.

Las emisiones de dióxido denitrógeno en partes por millón porvolumen pueden calcularseaproximadamente a partir de la tasade emisión de masa y del flujo deescape:

Emisiones demasa de NOxConcentración de

NOx = 629 x Flujo de masade escape

Donde:Concentraciónde NOx = Partes por millón

Emisiones demasa de NOx = g/h de NO2 equivalente

Flujo deescape = kg/h

Caterpillar ofrece motores estándar(STD) para sitios en que se permitenniveles de emisiones. También puedeañadirse un convertidor catalítico enlugares donde las normas deemisiones son más rigurosas. Losmotores de emisiones bajas (LE) seusan en sitios donde las emisionesson una preocupación importante. Losmotores LE usan tecnología decombustión limpia. Combustión limpi asignifica que aire en exceso esforzado a entrar en el cilindro parabajar la temperatura del proceso decombustión. Este proceso reduce elNOx de escape. Los motores LEpueden mantener cargas más altas sindetonación. Debido a esto, losmotores LE tiene una clasificaciónmás alta que los motores STD, dadasla misma relación de compresión y latemperatura del posenfriador decircuito separado.

Algunas mediciones que mejoran losniveles de emisiones afectarán otrasáreas relacionadas con lasconsideraciones de tamaño. Los kWpueden reducirse o el valor de la tasade respuesta puede ser más alta enalgunos casos. Por supuesto, éstopuede afectar las clasificaciones y elrendimiento del motor.Factores de corrección

Los niveles de emisiones tieneninfluencia en la clasificación del motor,la velocidad, el turbocompresor, lasincronización, el combustible y lascondiciones del ambiente. Unatemperatura ambiente alta y altitudesaltas aumentan el dióxido de nitrógenoy las emisiones de partículas. Laspruebas realizadas a los motores en ellaboratorio siguen las normasespecíficas descritas en la norma ISO8178-1 con relación a la temperatura,la presión barométrica y la densidad



del combustible. El nivel nominal delos datos de emisiones se deriva deestas condiciones. Las condicionesespecíficas pueden encontrarse através de Información deMercadotecnia Técnica (TMI)."Nominal" comparado con "Noexceder"

La información de emisiones delmotor generalmente se publica en unode los siguientes formatos. El primeroes el nominal, que corresponde a losniveles de emisiones que seesperarían de un motor nominal y elsegundo nivel es el de "No exceder",que corresponde a la salida máximade emisiones esperada de un motor.Es importante entender estos nivelescuando se compara información de lacompetencia y cuando se proporcionainformación a los asesores deingeniería y a los usuarios finales.

Los datos "No exceder" incluyen un"Factor de tolerancia" para tener encuenta la operación paralela y lasvariaciones de la instrumentación y dela instalación. Si el valor "No exceder"se sobrepasa durante las medicionesde campo, es probable que el equipode prueba tenga una falla o que elmotor tenga un problema.

Los motores Caterpillar, a velocidadnominal, no excederán los va loresespecificados en la Tabla No. 10.

Diesel Gas naturalEmisióng/bhp-h NA TA T

Convertidor

catalítico

Bajasemision

esÓxido denitrógeno

(NOx)12,0 15,0 19,0 1,2 2,0

Monóxido decarbono

(CO)3,5 2,0 1,5 1,0 1,7

Hidrocarburos

(NMHC)0,4 1,5 1,5 0,5 0,35

Tabla 10

Nota: Dependiendo de laconfiguración y clasificación, muchosmotores emiten emisionesconsiderablemente menores. Losdatos de emisiones específicos estándisponibles en el TMI del productoespecífico.Equilibrio térmico

Antes de diseñar un sistema deenfriamiento, el diseñador debeconocer cuánto calor se estáirradiando a través de cada uno de loscircuitos de enfriamiento. La siguienteguía ayudará a interpretar y aplicar losdatos de radiación de calor.

Equilibrio térmico es un términousado para describir lo siguiente:

La entrada de calor en el motor esigual a la suma de las salidas de calor

y de trabajo.



Un ejemplo de esta relación semuestra en la siguiente ecuación:

Salida detrabajo+ Calor de escapetotal+ Radiación+ Agua de lacamisa+ Enfriador deaceite+ Posenfriador= Entrada de calortotal

En cada cálculo en que se usen losdatos del motor hay una banda odesviación de tolerancia de la norma.Las tolerancias de equilibrio térmicodeben aplicarse cuando se determinael tamaño de los componentes delsistema de enfriamiento. Lastolerancias recomendadas porCaterpillar varían dependiendo de lamodalidad del motor y se publican enTMI.

Información adicional de este temapuede encontrarse en la Guía deAplicación e Instalación de Sistemasde Enfriamiento.Uso de cogeneración

En un motor estándar, el equilibriotérmico no es relevante para el clienteen términos de rendimiento. Sinembargo, si el cliente requiere lacapacidad de cogeneración, ést a sevuelve crucial en su aplicación. LasBTU deben corresponder no sólo conla necesidad general del cliente, sino

con la necesidad de la aplicaciónespecífica.

Antes de determinar la mejorsolución, deben considerarse variosfactores acerca de las necesidadesdel cliente. Suponga la siguientesituación: Un cliente necesita 45%BTU para calor, 45% para electricidady 10% se pierden. Antes deseleccionar cualquier unidad quecumpla estos criterios, deben hacersepreguntas adicionales e incluirsealgunas de las siguientes:

¿Debe ofrecerse un grupoelectrógeno con gran capacidadtérmica y poca capacidadeléctrica con el fin de que laelectricidad adicional requeridase adquiera de una empresa deenergía eléctrica?

¿Qué sucede con un grupoelectrógeno con gran capacidadeléctrica y poca capacidadtérmica?

¿Qué opción le ahorrará dineroal cliente si se usa un sistemade enfriamiento por épocas odurante todo el año?

¿Cuáles son los precios de laempresa de energía eléctricapor combustible paracalentamiento y electricidad?

¿Qué tipos de opciones deadministración de carga estándisponibles para ellos?

Además, estos elementos debenconsiderarse teniendo en cuenta lasnecesidades actuales y futuras delcliente antes de recomendar unasolución.



Análisis de cargaEl análisis de carga es el proceso de

considerar el tamaño, lascaracterísticas de arranque y el usoprevisto de las cargas eléctricas y suimpacto colectivo en una fuente depotencia de un grupo electrógeno.

Algunas veces puede ser necesariorealizar un análisis detallado,mediante análisis y observación, conel usuario, el cliente o el ingenieroasesor/de especificaciones paradeterminar la naturaleza exacta de lascargas.

La determinación de la cargaeléctrica de una instalación es elprimer y más importante paso parasuministrar un grupo electrógeno. Elproveedor del grupo electrógeno seconsidera como el experto cuandoelige el grupo electrógeno correctopara suministrar potencia a la carga.Como proveedor de gruposelectrógenos Caterpillar de calidadalta, es importante conocer las cargaseléctricas y tener un conocimientobásico del trabajo de análisis decargas.

Una carga eléctrica es un dispositivoque usa electricidad; las luces, losmotores, los calentadores, lassoldadoras y el equipo decomunicaciones son sólo algunosejemplos de cargas eléctricas.

Cuando se analizan cargaseléctricas es importante comprender larelación entre energía y potencia. Lapotencia es medio para hacer untrabajo. Es un producto de la fuerzapor el movimiento. La potenciaeléctrica es el producto de la fuerzaelectromotriz (voltios) por el flujo decorriente (amperios). Se expresa envatios o kilovatios. Energía es trabajo.

Es el producto de la potencia por eltiempo.

Energía = Potencia x Tiempo

En la generación de potenciaeléctrica, la energía eléctricaproducida o consumida se expresa enkilovatios-horas (kW-h). Una cargakW-H de energía es un kW depotencia eléctrica usado en una hora.

kW-h = kW x h

Las cargas tienen diferentescaracterísticas eléctricas. Cuando selleva a cabo un análisis de carga, esútil clasificar en grupos las cargas concaracterísticas comunes. No haynormas rígidas para clasificar lascargas. Los arquitectos, los asesores,los clientes y los proveedores degrupos electrógenos determinarán ohablarán de las categorías de lascargas basados en las necesidadesdel proyecto específico.

Por ejemplo, las cargas puedenclasificarse como cargas normales yde emergencia o quizá como cargascríticas y no críticas. Las cargas deemergencia o las cargas críticaspueden dividirse en categoríasadicionales de cargas de emergenciao ininterrumpibles. En un proyectodiferente, las cargas puedenclasificarse como fundamentales,intermedias y de corte de crestas.

El análisis de carga debe definiraquellas cargas que se consideranlineales (trazo de corriente en formade onda sinusoidal) y no lineales(trazo de corriente en pulsos o enondas no sinusoidales).



Definiciones adicionales de cargaslineales y no lineales se incluyen en lasección "Tipo de Carga" de la Página95101.

La selección apropiada de un grupoelectrógeno como fuente de potencia,requiere frecuentemente establecer sise incluye en las categoría lineal o nolineal. Además, las cargas puedensepararse como cargas de sistemasde iluminación, cargas de motores ycargas variadas. Un grupo electrógenoes una fuente de potencia limitada,algunas veces llamado "colectorlimitado". El colector limitado no tienela capacidad de reserva de unaempresa de energía eléctrica. Esnecesario analizar y clasificar lascargas del grupo electrógeno paragarantizar la consideración apropiadade sus características de demanda depotencia.

Las cargas analizadas en estecapítulo se clasificarán por tipo y sedeterminará si son lineales o no. Enprimer lugar, vamos a dividir la cargaen cargas de sistemas de iluminación,cargas de motores y cargas variadasque tienen características únicas.

Cargas eléctricas típicasSistemas de iluminación

Lámparas incandescentes, lámparasfluorescentes, descarga de intensidadalta (HID) y arco.

CalentamientoHornos de resistencias, hornos deconvección, calentamiento dieléctrico,calentamiento por inducción y hornosde arco.

SoldaduraSoldadura de resistencia, soldadurapor arco y soldadura por inducción.

MotoresCC, de inducción y sincrónicos.

VariosRectificadores, controladores deestado sólido y equipos decomunicaciones.

Tabla 11

Cargas de sistemas deiluminaciónCargas lineales de sistemas deiluminación

Las cargas lineales son cargas quetrazan el flujo de corriente en forma deonda sinusoidal como se muestra enla Figura No. 20. Hay muchosejemplos de cargas lineales, pero lade los sistemas de iluminación es lamás común.

Figura 21

Sistemas de iluminaciónLas cargas de los sistemas de

iluminación generalmente seconsideran como una carga constantepara propósitos de determinación detamaño, aunque los circuitos de luces



individuales o el uso de una lámparapueden ser muy diversos. Lailuminación con frecuencia se expresaen voltios-amperios (VA) o kilovatios-amperios (kVA), debido a queprincipalmente es una carga resistentecon un factor de potencia (pf) de uno(1,0). Por tanto, si la carga de unsistema de iluminación se proporcionaen kVA, generalmente se asume igualal valor kW. Hay varios tipos desistemas de iluminación.Iluminación incandescente

Una lámpara incandescente tiene unfilamento que es calentado por unacorriente eléctrica para producirincandescencia. Esta iluminación esuna carga eléctrica muy simple ycomún. Las lámparas incandescentesse clasifican por requisitos de voltaje yvatiaje. El factor de potencia es 1,0, demodo que las bombillasincandescentes pueden operar encorriente alterna o continua. Estascargas con frecuencia se clasifican envatios. Por ejemplo, diez bombillas de100 vatios tendrían una carga de1.000 vatios o de 1 kW. La corrienteque fluye en una lámpara se halladividiendo su clasificación de vatiajepor el voltaje de entrada específico:

A = W/ VLos filamentos incandescentes

hacen fluir corrientes de arranqueinicial altas y resultan apropiados enaplicaciones que requierenintermitencia o atenuación, conoperación en amplias gamas devoltaje. Cualquier fluctuación devoltaje puede afectar la luminosidadde la lámpara, mientras que lasfluctuaciones de voltaje extremasdisminuyen la vida útil del filamento.

Corriente interna de lámparas detungsteno

Las lámparas con filamentos detungsteno son dispositivos deresistencia. La resistencia de unfilamento de tungsteno aumentarápidamente con el aumento detemperatura. A temperatura ambiente,con la lámpara "desconectada", laresistencia es baja. Sin embargo, latemperatura del filamento aumentarápidamente cuando la lámpara seenciende y, por tanto, la resistenciaaumenta cuando la lámpara obtiene latemperatura de operación normal.Ésto se conoce como corriente internade lámparas de tungsteno.

La corriente interna de una lámparade tungsteno puede ser hasta 17veces mayor que la corriente normal,pero la sobretensión dura sólo unospocos ciclos. Los interruptores debendiseñarse para manejar dichassobretensiones. Cuando se usa fuentede potencia de generador, estefenómeno generalmente no tieneimportancia. Sin embargo, bloquesmuy largos de carga de iluminación detungsteno pueden causar una caídade voltaje transitoria.Cargas no lineales de sistemas deiluminación

Las cargas no lineales son cargasde CA en que la corriente no esproporcional al voltaje. Las cargas nolineales crean armónicas u ondassinusoidales adicionales, que son unmúltiplo de la frecuencia generada enforma de onda de corriente; La FiguraNo. 21 muestra las armónicas. Éstoafectará el tamaño del generador. Lasarmónicas se analizan en detalle en laGuía de Aplicación e Instalación deSistemas Generadores (LSBW4993).



Figura 22

Lámparas fluorescentesLas lámparas fluorescentes también

se clasifican por voltaje y vatiaje.Debido al uso de un transformador debalastro, estas lámparas tienenfactores de potencia levementemenores (0,95 a 0,97) que laslámparas incandescentes. Cuando lasluces incandescentes o fluorescentesoperan desde transformadores dereducción, debe considerarse lacontribución del factor de potencia deltransformador. Los dispositivos nocompensados pueden mostrarfactores de potencia tan bajos comode 0,5.Lámparas de descarga de gas

Las lámparas de descarga de gasson fluorescentes, de sodio de presiónalta o lámparas similares que usanuna cámara llena de gas junto con unarco eléctrico de energía baja y voltajealto sostenido. Las lámparas dedescarga de gas se clasifican porvoltaje y vatiaje.

El voltaje alto requerido por unalámpara de descarga de gas seobtiene al usar transformadores debalastro y balastros electrónicos.

Los transformadores de balastroscon reactores de saturación se usan

para proporcionar voltaje alto ycontrolar la corriente de la lámpara. Lacorriente producida mediante este tipode balastro es alta en contenido detercer armónica debido a los reactoresde saturación. Los balastroselectrónicos usan circuitos de potenciaelectrónica para generar y controlar lacorriente de la lámpara.

Al igual que las lámparasfluorescentes, las lámparas dedescarga de gas tienen factores depotencia ligeramente menores (0,95 a0,97) que las lámparasincandescentes. Las lámparas dedescarga de gas pueden ser sensiblesa caídas de voltaje transitorias. Ciertostipos de lámparas de descarga de gaspueden extinguirse durante una caídade voltaje transitoria severa yexperimentar demoras para volve r aencenderse. Se debe contactar a losfabricantes o proveedores de laslámparas para obtener información deestas características. Esta situaciónno es típica de las lámparasfluorescentes. Por regla general, evitecargas SCR pesadas, cargas grandesde alternación de bloque y cargasgrandes skVA del motor en circuitosde iluminación de descarga de gas.

Cargas de motoresCuando se determina el tamaño de

un grupo electrógeno, es importanteidentificar los tipos de motoresusados, debido a las diferentescaracterísticas de arranque. Lascaracterísticas de arranque puedenllevar a la necesidad de un generadormás grande o más pequeño.

Cuando se compara con laalimentación de una empresa deenergía eléctrica, un grupoelectrógeno en el sitio es una fuentede potencia limitada, desde el motor y



los kVA del generador. Por tanto, ungrupo electrógeno debe tener eltamaño adecuado para arrancar yresistir las cargas conectadas delmotor.

Los motores convierten la energíaeléctrica en movimiento mecánico.Estos pueden presentar demandasseveras en la fuente de potenciadurante el arranque y aceleración avelocidad nominal. La demanda decorriente puede variar de cuatro a diezveces la corriente de carga plenanormal durante este período. Estademanda de corriente por encima dela demanda de corriente normal seconoce como kVA de arranque (skVA)y, con frecuencia, tiene una graninfluencia en la selección delgenerador.

El arranque de un motor eléctricopuede crear caídas de voltaje enexceso de 40% si el grupo electróg enono tiene el tamaño adecuado. Éstopuede ocasionar efectos serios en lascargas existentes, como eldesvanecimiento o apagado de lasluces o la parada de los motoresdebido a voltaje insuficiente. Elarranque de los motores se analizarámás adelante en esta sección.

Las precargas de los motores novarían las corrientes de arranquemáximas, pero afectan el tiemporequerido para que los motoresalcancen la velocidad nominal y lacorriente y regresen al valor defuncionamiento normal. Si los motorestienen exceso de carga, podrían noarrancar o podrían funcionar a menorvelocidad. Las corrientes de arranquey funcionamiento se considerancuando se analiza el requisito de kVAtotales.

Los motores eléctricos CArepresentan cargas inductivas confactores de potencia de entre 0,5 y0,95, dependiendo del tamaño, el tipoy la carga.

Con pocas excepciones, hay dostipos básicos de motores CA:

Motores de inducción Motores sincrónicos

Motores de inducciónLos motores de inducción, como el

mostrado en la Figura No. 23, sonlos motores más comúnmente usadosactualmente. Los motores deinducción tienen un inducido fijoconectado a la fuente de potencia. Eldevanado del rotor, con el ejegiratorio, se excita mediante el voltajeinducido por el campo magnéticogenerado por los devanados delinducido fijo. El voltaje, inducido en elrotor, resulta en flujo de corrientedentro del devanado del rotor. Estacorriente crea otro campo magnéticoalrededor de los conductores del rotor.La rotación del rotor se produce por lainteracción de los campos magnéticosdel rotor y del inducido, a medida queel campo magnético del inducido giraalrededor del inducido fijo con laprogresión de corriente CA fluyendoen los devanados del inducido.

Los dos tipos de motores deinducción son el de jaula de ardilla yde rotor de devanado.



Figura 23

De jaula de ardillaEl motor de jaula de ardilla es el más

usado de todos los motores de laindustria. La mayoría de los motorestrifásicos son de este tipo. Cuando serequiere mando de velocidadconstante con funcionamiento avelocidad baja no continua, se usa unmotor de jaula de ardilla.

El nombre proviene de laconstrucción del circuito del rotor. Hayunas barras conductoras sólidasdispuestas alrededor de la periferia delrotor con sus extremos en cortocircuito. Si el conjunto del conductorse quita del núcleo de acero, asemejauna jaula de animal pequeña ycircular.

Los motores de inducción de jaulade ardilla se fabrican con variantes dediseño para las características derendimiento específicas, como el parde arranque, la características develocidad/par y los amperios del rotorbloqueado. Los motores de jaula deardilla se dividen en cuatro diseños: A,B, C y D. Las descripciones de estosdiseños se presentan en la secció n"Rendimiento del Motor" de esta guía.La Tabla No. 12 presenta lasespecificaciones para cada clase demotor.

Pares del motor de jaula de ardilla por unidadde par de carga plena

Clase Rotorbloqueado Interrupción Parada

A 1,40 Más de 2,00 1,00

B 1,40 2,00 1,00

C 2,00 1,90 Más de 1,40

D 2,75 Noespecificado

Noespecificado

Tabla 12

Rotor de devanado (anillo colector)Un motor de rotor de devanado es

un motor de inducción especial quetiene un rotor devanado con bobinas.Los devanados se ubican en ranurasalrededor de la periferia del rotor yestán conectados a anillos colectores.Las escobillas del anillo colector seconectan a resistencias externas. Elcambio de la resistencia del circuitodel rotor cambiará la corriente delcircuito del rotor inducido y lascaracterísticas de velocidad/par delmotor. La resistencia alta del rotorproporciona un par alto de arranquecon corriente de arranque baja. Unmotor de inducción de rotor dedevanado normalmente tiene cinco asiete pasos de resistencia en elcircuito del rotor.

Los motores de rotor de devanadose usan para arrancar cargas grandesde masa giratoria o de inercia alta conun tiempo largo de aceleración. Estosmotores proporcionan un arranquemás suave con menos calentamient odurante el período de aceleración.Generalmente, el arranque de losmotores se realiza con un factor depotencia de unidad cercana a uno(1,0). La corriente de arranque estálimitada a 130% de la corriente deoperación nominal. Debido a que



estos motores no tienen letra decódigo, el rendimiento de operaciónexacto debe obtenerse de la placa delmotor o de la información delfabricante. Aplicaciones típicas son:bombas grandes, bandastransportadoras largas, ventiladoresde gran diámetro y dispositivosgrandes de tambor giratorio.

Las características de la corriente semuestran en la Figura No. 24, comocorresponden a los pasos enresistencia. También se muestran losporcentajes de la resistencia nominaltotal del circuito del rotor. Conresistencia máxima o de 100% cuandoel motor se arranca a velocidad cero,la corriente de línea interna está en lagama de corriente de carga plena de100%. Si todos los anillos se pusieranen corto durante el arranque, como enel motor de jaula de ardilla, habríaresistencia cero y la corriente dearranque sería aproximadamente460% de la corriente de carga plena.Esto representaría una condiciónmucho más severa de arranque. Laoperación normal de este motor serealiza con toda la resistencia en cortocircuito.

Figura 24

Definición de deslizamientoLa velocidad de un motor de

inducción es casi constante en estadosin carga a carga plena en relacióncon la frecuencia de suministro.Idealmente, si no existiera resistenciapara la rotación del rotor, el campomagnético del rotor seguiríaexactamente en sincronismo con elcampo magnético del inducido. Sinembargo, en los motores de inducción,el campo magnético giratorio delinducido debe evitar los conductoresdel rotor para crear el par. En otraspalabras, un motor de inducción debefuncionar a una velocidad menor quela velocidad sincrónica para producirun par de impulsión. El deslizamientoes una reducción de velocidad conaumento de carga.

La cantidad de deslizamiento varíacon el diseño del motor. Undeslizamiento de aproximadamente3% a carga plena es común con unmotor de inducción.

El deslizamiento es la diferenciaentre la velocidad del rotor y lavelocidad del campo magnéticogiratorio del estator. La ecuaciónusada para calcular el porcentaj e dedeslizamiento a carga plena es:

Velocidad sincrónica -Velocidad a carga plena

Deslizamientoa carga plena

(%)=

Velocidad sincrónica

La velocidad sincrónica se establecemediante la frecuencia de suministro yla configuración del devanado delestator en un número de polosmagnéticos.

En general, a medida que la cargade un motor de inducción aumenta, suvelocidad disminuye por debajo de lavelocidad sincrónica.



EjemploUn motor de inducción de seis polos

funciona a casi 1.200 r/min sin carga ya 1.140 r/min a carga plena cuando sesuministra potencia de una líneatrifásica de 60 Hz. ¿Cuál es elporcentaje de desplazamiento a cargaplena?Solución

Velocidad sincrónica -Velocidad a carga plena

Deslizamientoa carga plena

(%)=

Velocidad sincrónica

120(f) 120(60)Velocidadsincrónica = No. de

polos 6= 1.200

rpm

1.200–

1.1401.200

=Deslizamiento

de 5%

Motores sincrónicosLos motores sincrónicos, al igual que

los motores de inducción, demandanskVA altos durante el arranque.

Generalmente, los motoressincrónicos sólo son prácticos entamaño de más de 40 hp, en el quelas cargas pesadas están enoperación constante. Los motoressincrónicos mantienen una velocidadconstante, sincronizada con lafrecuencia de la línea de potencia.

Los motores sincrónicos tienen doscaracterísticas que los diferencian delos motores de inducción.

Los motores sincrónicosfuncionan a una velocidadsincrónica exacta.

El rotor de un motor sincrónicose excita por separado con CCmientras opera a velocidadsincrónica, lo que permite variar

el factor de potencia deoperación.

Las características de los motoressincrónicos varían de motor a motor.Esta variabilidad requiere obtener lascaracterísticas de rendimiento delfabricante del motor, debido a queesta información podría no apareceren la placa de identificación.Nota: Una variación del motor deinducción, conocido como motor dereluctancia, está disponible paraaplicaciones, tales como sistemas debandas transportadoras sincronizadas.Estos motores funcionan sindesplazamiento a una velocidadsincrónica exacta, independiente de lacarga, pero no deben confundirse conlos verdaderos motores sincrónicos. Elfactor de potencia no es ajustable y,de hecho, es más deficiente que paralos motores de inducción es tándar, yel rotor bloqueado y las corrientes decarga plena también son más altasque las de los motores de jaula deardilla estándar. Los motoresmodernos de reluctancia sincrónica norequieren una fuente externa de de -excitación. Estos motores se ofrece nen diferentes versiones, incluyendomotores de engranajes.Motores CC

Los motores CC se usan enaplicaciones que requieren control develocidad, arranque con carga pesadao donde otros elementos del sistemarequieren un fuente de potencia CC.Las eficiencias de carga plena varíande 86% a 92%.

Los motores CC no tienen factor depotencia; sin embargo, cuando sonimpulsados por un rectificadorcontrolado de silicio (SCR) medianteun generador CA, el motor CA notiene un factor de carga. Use la



siguiente fórmula para determinar lascargas CC de un generador CA:

kW CCx1000amperios

CC = voltios CC

amperios CA =amperios CC x 0,816

voltios CA x amperios CA x1,732kVA CA1.000

kW CCFactor depotencia = kVA CA

EjemploEncuentre la cantidad de potencia

monofásica que puede fluir de formasegura desde un grupo electrógeno decuatro cables, trifásico y 125/216voltios, clasificado para entregar 100kW a 0,8 pf. La clasificación decorriente de la bobina del grupoelectrógeno es 334 amperios.Suponga que la carga monofásicaestá conectada desde una línea aneutral y tiene un factor de potenciade operación de retardo de 0,9.Además, suponga que el grupoelectrógeno suple a una carga trifásicade 50 kW a 0,8 pf.Solución1. Encuentre el trazo de corriente de

cada una de las líneas de lacarga trifásica.

3 V x I x pfP = 1.000

P x 1000 50 x1000I = 3 V x pf = 1,73 x 216 x

0,8

= 167amperios

2. Encuentre la capacidad decorriente restante de la bobinapara la carga monofásica.

334 – 167 = 167 amperios

3. Encuentre la potencia monofásicadisponible.

V x I x pf 125 x 167 x0,9P =

1.000

=

1.000

= 18,8kW

Cuando los motores CC están a rpmmáximas, el factor de potencia delsistema también llega al máximo.

De acuerdo con los requisitos de laaplicación, los motores puedendiseñarse para proporcionar variascaracterísticas de velocidad y par. Lasaplicaciones modernas generalmenteimplicarán el uso de grupos decontroles de mando de componentesfijos, comúnmente llamados mandosSCR. Los mandos SCR se anali zan endetalle más adelante en esta sección.

Una consideración principal cuandose determina el tamaño de ungenerador es examinar la inclusión deun suministro CC apropiado. Debehaber suficientes kVA paraproporcionar potencia al suministroCC y la carga.Motores monofásicos

Los motores monofásicos soncomunes en tamaños de potenciafraccionada. Ocasionalmente, podríanusarse en tamaños tan altos como 10hp. Los motores monofásicos notienen la ventaja de los camposmagnéticos giratorios producidos porlos ciclos de voltaje espaciados de uncircuito trifásico. Por tanto, se incluyeun devanado de motor de arranqueseparado en el estator concondiciones para suministrar uncampo magnético que esté fuera defase con el campo de devanado delestator principal. Ésto resulta en uncampo giratorio para iniciar elmovimiento. Un interruptor centrífugodesconecta el devanado del motor dearranque a medida que alcanza lavelocidad nominal.



Los motores monofásicosgeneralmente no son una granpreocupación cuando su arranque serealiza mediante un generador detamaño relativamente grande. Es unabuena práctica dividir las cargasmúltiples del motor monofásico enigual número de bloques por fase. Silos bloques de los motoresmonofásicos se distribuyen de igualforma en las tres fases y arrancancomo un grupo, la carga de este motorpuede considerarse como un motortrifásico de igual hp. Los skVA puedenser más altos debido a que los skVApor hp son típicamente más altos paralos motores monofásicos. La carga kWtotal también puede ser ligeramentemayor debido a que, frecuentemente,los motores pequeños son menoseficientes que los más grandes.

Si la carga de un motor monofásicono puede distribuirse, puede sernecesario verificar la capacidad delgenerador para proporcionar los skVA.Generalmente, con bloques grandesde motores monofásicos cuyoarranque se realiza desde una fase,los skVA disponibles del generadorserán 56% de los skVA trifásicosnormales.Motores trifásicos

Los motores trifásicos son muycomunes en la industria. Proporcionanmás salida por su tamaño físico quelos motores monofásicos y tienen laventaja de tener un campo magnéticogiratorio de diseño simple que gira elrotor para el arranque. En un motortrifásico, hay tres ciclos de voltajedistribuidos de forma similar quealimentan los devanados respectivosdel estator. Se produce un campomagnético giratorio que el rotorinmediatamente comienza a seguir.Por tanto, no se requiere un devanado

de motor de arranque especial paracomenzar la rotación.

Rendimiento del motorComo se mencionó anteriormente,

los motores trifásicos son de jaula deardilla. . Cuando se cambian lassecciones transversales de lasranuras del rotor, se producendiferentes características de par yvelocidad. La forma en que un motor ysu carga impactan a un generadordepende en gran medida de lascaracterísticas del motor.Clase de diseño

Los motores con varios diseños derotor son clasificados en los EstadosUnidos por la Asociación Nacional deFabricantes Eléctricos (NEMA) comodiseños A, B, C y D. La Figura No. 25muestra una placa de identificacióntípica del motor.

Figura 25

En las siguientes descripciones dediseño, el término "deslizamiento"aplica a la diferencia entre la velocidaddel motor a carga plena y su velocidadsincrónica. Observe que estasdescripciones no incluyen a losmotores de reluctancia sincrónica.

Por ejemplo, un motor de 60 Hz decuatro polos tiene una velocidadsincrónica de 1.200 rpm, la velocidadreal a carga plena debe ser 1.164 rpm,en caso de que el deslizamiento seade 3%. Cada diseño de motor tienesus propias características únicas.



Diseño ALos motores de diseño A son muy

parecidos a los motores de diseño B,tienen par, deslizamiento y corrientede arranque normales. La dife renciamás significativa es que NEMA limitalas corrientes de arranque para eldiseño B y no para el A.

Los motores de diseño A tienen bajaresistencia del rotor y operan conmenor deslizamiento a carga plena.Una desventaja de este diseño es elpar de arranque bajo y la corriente dearranque alta. Gracias a que alcanzanla velocidad plena rápidamente y nose sobrecalientan durante el arranque,estas máquinas resultan apropiadaspara aplicaciones en que se requiereel arranque con un par de carga muybajo.Diseño B

El motor de diseño B es el motor deuso general más usado de la industria.Su combinación de corriente dearranque baja y el par y deslizamientonormales lo convierten en unaexcelente opción para impulsarmuchos tipos de cargas industriales.

Los motores de diseño B operan enun deslizamiento de menos de 0,05 acarga plena con máquinas másgrandes que operan un 0,005 muyeficiente. Estos motores se usan ensistemas que requieren par bajo omediano.Diseño C

Los motores de diseño C tienen parde arranque alto, corriente dearranque y deslizamiento bajos. El parde arranque alto convierte al diseño Cen un buena opción para cargas dearranque difícil.

Estos motores están diseñados paraarrancar a par de carga plena yoperan en deslizamientos de menos

de 0,05 a carga plena. Los motores declase C tienen un par de arranquemás alto por amperio de corriente dearranque que los motores de clase B.Diseño D

Los motores de diseño D tienen unpar de arranque muy alto,deslizamiento alto y corriente dearranque relativamente baja. El diseñoD permite un par de arranque alto ypotencia alta de operación paraconcentrarse en un tamañorelativamente pequeño de bastidor.

Estos motores resultan apropiadoscuando se requiere velocidad"flexible". Los mandos intermite ntesque requieren aceleración alta bajocargas de impacto altas usarían unmotor de clase D. El par máximo delmotor de clase D opera a undeslizamiento mayor o igual que 0,5.Ésto hace que el motor de clase D seamuy eficiente. También, paramantener baja la corriente dearranque se usan barras del rotor dematerial altamente resistente al calor.Las pérdidas del circuito del rotorrequieren la construcción de unamáquina más grande y, por lo tanto,más costosa para la potenciadeterminada. Esta estrategia debecompararse con la ventaja de lacaracterística de velocidad flexible quese requiere en algunas aplicacionespara determinar si debe usarse unmotor de clase D.



Las características de cada diseñose muestran en las curvas develocidad y par de la Figura No. 26.

Figura 26

La Tabla No. 13 presenta las pautasgenerales para seleccionar un motorde la letra de diseño apropiada deNEMA.

Condicionesdeseadas orequeridas

Aplicacionestípicas

Letra dediseño

recomendadapor NEMA

Carga querequiere sólo parde arranquenormal: capacidadde serviciocontinuo concapacidad demanejarsobrecargastemporalesmenores.

Bombas ycompresorescentrífugos,compresoresalternativos conarranque sincarga,ventiladores coninercia normal,paletizadoras,bandastransportadoras,tornos,máquinastrituradoras,sierras,fresadoras,lijadoras,taladros decolumna

A o A

Cargas dearranque difícil enservicio continuoo intermitente;cuando serequiere algunacapacidad desobrecarga

Compresoresreciprocantesde arranque concarga, bandastransportadorasde arranque concarga pesada,mezcladorasBanbury,trituradoras sin

C

volantes,martillo ymolinos de bola,ventiladores deinercia alta.

Cuando serequiere par dearranque alto;serviciointermitente oreversible/bloqueocargas de inerciaalta con tiempo deaceleración largo;cargas defluctuación alta

Grúas,elevadores,trituradoras yprensas demoldeado convolantes,ventiladores degran diámetro,herramientasreversibles demáquinas

D

Tabla 13

De estas características, el par es lamás importante para el diseñadororiginal en la selección de un motorpara una aplicación específica. Laclase de diseño de un motorgeneralmente no se considera cuandose determina el tamaño de un grupoelectrógeno, debido a la mayorimportancia del requisito de kVA dearranque. Los kVA de arranquegeneralmente determinan el tamaño yla selección de un grupo electrógenoque proporcionará más de la potenciaadecuada para el motor para prod ucirel par de arranque requerido. Sinembargo, el uso de generadoressobredimensionados, el arranque delmotor a un menor voltaje y losmotores muy cargados puedenrequerir consideración especial.Arranque del motor

Las características de arranque delmotor tienen un impacto importante enla respuesta del sistema para elarranque; este aspecto tiene graninfluencia en la selección del paquetefinal. Cuando se arranca un motor,éste requiere aproximadamente seisveces su corriente a carga plena. Estacorriente permanece alta hasta que elmotor alcanza cerca del 80% de la



velocidad. Esta corriente de arranqueinicial alta provoca una caída devoltaje en el generador. Un motorproduce un par mecánico proporcionalal voltaje aplicado. En casos en que lacaída de voltaje del generador estépor debajo del voltaje nominal, elmotor estará produciendo menos queel par proporcional.

La caída de voltaje inicialrelacionada con el arranque del motores principalmente una función delcircuito magnético del generador. Eluso de un excitador magnéticopermanente o de otros sistemas deapoyo a la excitación ayudarán aevitar el colapso de excitación total encasos de caídas extremas de voltaje.Es importante para el generadorrestaurar el voltaje después de lacaída de voltaje inicial para acelerar elmotor a la velocidad nominal. El gradode carga del motor afecta el tiempo derecuperación.

Figura 27

Aunque los motores sin cargaimponen una corriente de arranqueinicial alta (skVA) en los genera doresdurante el arranque, la carga kW delmotor generalmente es pequeña. Sinembargo, los motores pueden requerirmás de los kW nominales durante elarranque y la aceleración a lavelocidad nominal. Los motoresconectados directamente a

dispositivos centrífugos de inercia altao a compresores reciprocantescargados provocan salidas defrecuencia severas y un arranquelargo del motor. La comparación entrelas corrientes de arranque de losmotores con carga y sin cargamuestra que los motores cargadosdurante bastante tiempo exigencorriente alta; vea la Figura No. 27.Se debe determinar el efecto de losmotores con carga en el motor y elgenerador, especialmente si losmotores grandes, como los deventiladores y bombas centrífugasgrandes, tienen cargas de inercia altay aumenta la carga durante laaceleración.

Un grupo electrógeno de tamañopreciso respaldará los requisitos dearranque altos kVA (skVA) del motor ysuministrará voltaje de salidasuficiente al motor, de modo quepueda desarrollar la carga adecuadapara la velocidad nominal. El grupoelectrógeno debe tener suficientecapacidad kVA de arranque paralimitar las caídas de voltajemomentáneas. Una caída de voltajede 30% generalmente es aceptable,dependiendo del equipo que ya estéconectado. Los datos de capacidad dearranque del motor se encuentran enlas hojas de especificaciones y en TMIpara todos los grupos electrógenosCaterpillar

NEMA identifica los motores en losEstados Unidos con una letra decódigo en la placa de identificaciónpara indicar las características dearranque. La Tabla No. 14 muestra elcódigo NEMA y los skVA de arranquepor potencia. La Tabla No. 15 puedeservir como guía para los motoresfuera de los Estados Unidos.



Letras de código de identificación de los motoresCC

Letra de código NEMA skVA de arranque/hp

A 0,00 - 3,14

B 3,15 - 3,54

C 3,55 - 3,99

D 4,00 - 4,49

E 4,50 - 4,99

F 5,00 - 5,59

G 5,60 - 6,29

H 6,30 - 7,09

J 7,10 - 7,99

K 8,00 - 8,99

L 9,00 - 9,99

M 10,00 - 11,19

N 11,20 - 12,49

P 12,50 - 13,99

R 14,00 - 15,99

S 16,00 - 17,99

T 18,00 - 19,99

U 20,00 - 22,39

V 22,40 -

Tabla 14

La Tabla No. 15 muestra lostamaños estándar para motores de 50Hz. Los números de kVA de arranquedeben usarse sólo como guía. Paraobtener los skVA exactos de un motor,consulte al fabricante del motor.

kW de tamaño delmotor kVA de arranque

0,37 N/A

0,55 4,9

0,75 6,9

1,1 9,5

1,5 13,4

2,2 19,8

3 29,7

4 41,4

5,5 53,8

7,5 73,1

11 103

15 143

18,5 171

22 204

30 254

37 322

45 378

55 502

75 721

90 906

110 1.049

132 1.255

160 1.557

200 1.940

250 2.476

315 3.113

356 3.421

Tabla 15

La hp nominal y los kVA de arranquedeben conocerse para evaluarapropiadamente el impacto que tendráel arranque del motor en un sistemaespecífico. Cuando se determina eltamaño de un grupo electrógeno, debe



determinarse el nivel aceptable de parpara arrancar el motor o puede pasarque las cargas acelerarán lentamenteo incluso no alcanzarán la velocidadplena.Factor de potencia de arranque

Los grupos electrógenosgeneralmente se evalúan basados ensu capacidad de lograr el arranque demotores eléctricos y acelerar avelocidad plena. Independiente de siel motor tiene carga o no, el arranquerequiere muchos más kVA que los dela demanda durante el funcionamientonormal del motor. El calentamiento delgenerador se produce por la corriente,y es por esto que los generadores seclasifican según los kVA máximos y nolos kW máximos. La relación dekW/kVA es el factor de potencia. Losmotores tienen factores de potenciabajos durante el arranque. Las cargasindustriales normales tienen un factorde potencia de 0,8. Éste es el valorusado por la norma NEMA y lasclasificaciones de Caterpillar.

La carga impuesta en el motordurante un arranque del motor secalcula así:

kW = kVA de arranque x pf dearranque

La Figura No. 28 muestra el factorde potencia de arranque aproximadode los motores de jaula de ardilla.

Figura 28

Como se muestra, un motor de jaulade ardilla de 5 hp tiene un factor depotencia de retardo deaproximadamente 0,6 pf, mientras queun motor de jaula de ardilla de 200 hptiene un factor de potencia de retardode aproximadamente 0,25.

La Figura No. 28 puede usarse paraayudar a determinar los kW totalesrequeridos cuando se realiza elarranque de un motor de jaula deardilla o de un grupo de motores.Ejemplo

¿Cuántos kW se necesitan para elarranque de motor de jaula de ardillade 200 hp, Código G a 6,0 kVA porhp?Solución

skVA = kVA/hp x hp6,0 X 200 hp = 1.200

Use la Figura No. 28 para encontrarel factor de potencia de retardo de unmotor de jaula de ardilla de 200 hp; elgráfico indica 0,25 pf.

skVA x pf de arranque = kW1.200 skVA x 0,25 = 300 kW

También puede usarse el gráfico delaFigura No. 28 para compararcuántos kW se requieren para unmotor y para un grupo de motores.Ejemplo

¿Cuánta potencia se requiere parael arranque de diez motores de jaulade ardilla Código G de 20 hp cadauno? ¿Qué requiere más potencia,diez motores de 20 hp o un motor de200 hp? Cada motor está clasificado a6,0 kVA por hp.



SoluciónPrimero, encuentre la potencia total

multiplicando el número de motorespor las hp de cada motor. Use las hptotales (200) en la siguiente ecuación:

skVA = kVA/hp x hp6,0 kVA x 200 hp = 1.200 skVA

Luego, use la Figura No. 28 paraencontrar el factor de potencia dearranque de retardo para un motor de20 hp; éste es aproximadamente 0,4 6pf.

skVA x pf de arranque = kW1.200 X 0,46 = 552 kW

Este valor se determinó en unejemplo anterior en que un motor de200 hp requería 300 kW. Por tanto,diez motores de jaula de ardilla de 20hp requieren 84% más kW que elmotor de jaula de ardilla de 200 hpdurante el arranque. (300 kWcomparado con 552 kW)Carga de arranque del motor

La placa de identificación de unmotor proporciona informaciónimportante relacionada con ladeterminación del tamaño.

Los códigos de arranque del motoridentifican los kVA de arranque (skVA)por hp. Si la placa de identificación noindica el código de arranque delmotor, es probable que indique losAmperios del Rotor Bloqueado (LRA).Los LRA son una medida de lacorriente de arranque inicial cuando searranca el motor.

Los motores, con carga o sin carga,requieren varias veces corriente acarga plena nominal durante elarranque. Satisfacer esta corrienteinicial de arranque, supone unademanda kVA momentánea grande en

el generador llamada kVA de arranque(skVA). Los skVA pueden calcularse apartir de la corriente del rotorbloqueado.

skVA = (V x LRA x 1,732)/1.000

Los motores generalmente muestranfactores de potencia de arranquebajos (0,2 a 0,5) durante el arranque.La carga impuesta al motor durante elarranque se calcula así:

kW = kVA de arranque x pf dearranque

EjemploUsando la siguiente ecuación y los

Códigos NEMA de la Tabla No. 14,puede determinarse los skVA/hp.

skVA = (skVA/hp) x hp

Par del motorSe requiere par del motor para

acelerar e impulsar la carga. P ar esuna fuerza de giro que define lacapacidad del motor para girar el ejedel motor.

Las cargas del motor se establecenpara determinar si el generador y elmotor tienen, respectivamente, loskVA y kW adecuados. La carga delmotor se define como el par requeridopor la carga. Este par, expresado enN•m (lb-pies), generalmente serelaciona con la velocidad. La cargadel motor, en términos de potenciapuede expresarse en las siguientesecuaciones:

N•m x rpmhp= 7.350

lb-pieshp = 5.250



Deben establecerse los siguientesrequisitos de par (generalmenteexpresados como porcentaje de parde funcionamiento): Par de arranque,par de aceleración, par sincrónico ypar máximo.Par de arranque

El par de arranque es el par máximorequerido para iniciar el giro. Dicho deotra forma, es el par requerido parasuperar inicialmente la fricción paramover la carga desde el punto muerto.En la Figura No. 29 se muestra larelación entre la corriente y el par dearranque. La corriente de arranquecomienza en el valor del rotorbloqueado como lo determina elcódigo NEMA o los amperios de rotorbloqueado indicados en la placa deidentificación. La corriente entoncescae a su valor nominal a medida quela velocidad y el par se aproximan asu valor normal.

EjemploPar del motor y corriente en función

de la velocidad

Figura 29

El par de arranque depende de laresistencia estática de la carga al giro.

La fricción estática de la carga puedeser mayor que la fricción de rodaduradependiendo de las características deldispositivo impulsado. El par dearranque de la carga debe ser menorque el par del rotor bloqueado delmotor o la carga no arrancará.

En la Figura No. 30 se muestran lostipos de par y los nombres usadospara cada uno. También se muestrauna curva de par de carga típica

Figura 30

Par de rotor bloqueado(conocido también como par dearranque): El par de un motorse aplica a velocidad cero. Elpar de rotor bloqueado debeser mayor que el par dearranque mecánico parapermitir que el eje gire (paraarrancar el motor). Vea laFigura No. 31.

Par mínimo de aceleración: Parmínimo producido entre lavelocidad cero y la velocidadnominal. En la mayoría de loscasos, es igual al par del rotorbloqueado, pero en algunosmotores puede ser menor queel par de arranque.



Par máximo: Par máximoaplicado entre la velocidad ceroy la velocidad nominal. Confrecuencia, este punto es elpunto de carga más alto delgenerador y debe considerarsepara determinar el tamaño demotores grandes.

Par de carga plena: Capacidadde par del motor a carga yvelocidad nominales. Tenga encuenta que la velocidad esmenor que la velocidadsincrónica para un motor deinducción. Esto se debe aldeslizamiento requerido paraproducir el par. Si el par defuncionamiento real exigido porla carga es menor que el par decarga plena nominal del motor,la velocidad de funcionamientose aproximará más a lavelocidad sincrónica.

Par de arranque: Par requeridopara superar inicialmente lafricción para arrancar la cargadesde un punto muerto. El parde arranque de la carga debeser menor que el par del rotorbloqueado del motor o la cargano arrancará.

Figura 31

Figura 32

La Figura 32 representa las curvasde par de velocidad de motores típicosde jaula de ardilla.Par de aceleración

El par de aceleración es la diferencianeta, a cualquier velocidad, entre elpar requerido por la carga y el pardisponible del motor. El par motormínimo debe exceder el par máxim oexigido por la carga conectada. Eltiempo necesario para lograr lavelocidad nominal plena es de suma



importancia. Un par de aceleraciónbajo generalmente es causado por elvoltaje reducido del motor.

El tiempo de aceleración prolongadocon un flujo de corriente alto reducirála vida útil del motor. La Figura No. 33refleja las capacidades típicas delmotor.Tiempo de aceleración

La diferencia entre el pardesarrollado por el motor y el parrequerido por la carga determinarán latasa de aceleración o el t iempo deaceleración. Si el par de carga excedeel par del motor en cualquier punto, elmotor se calará.

La temperatura del motor puedeaumentar considerablemente duranteel arranque, especialmente en el rotor.El motor puede dañarse debido a

temperatura excesiva, si el tiempo dearranque es excesivo o excede eltiempo indicado por el fabricante delmotor.

No hay un límite preciso de lacantidad de tiempo permitida paraevitar el daño del motor durante laaceleración. Sin embargo, losfabricantes de motores proporcionanpautas generales. Un tiempo dearranque del motor mayor a diezsegundos podría ser unapreocupación dependiendo del diseñoy del fabricante del motor. Algunosmotores tiene relés de sobrecargatérmica para desactivarlos antes deque la temperatura se convierta en unproblema. El número de arranques, elintervalo de tiempo entre arranques yel tamaño del bastidor son aspectos aconsiderar.



Figura 33

Fórmula de estimación del tiempo deaceleración

La fórmula usada para calcular eltiempo de aceleración es:

Wk2 x ∆NAT = 308T

Donde:Wk2 = Inercia total del motor y

de carga (lb-pies2) Wk2 +Wk del motor 2

∆N = Cambio de velocidad(rpm)

T = Par de aceleración (lb-pies)

AT = Tiempo de aceleraciónen segundos

En este ejemplo, el cambio develocidad es de velocidad ce ro avelocidad nominal plena. Paraencontrar el valor T, es necesarioencontrar el promedio de par delmotor. Un estimado simple puedeencontrarse midiendo la longitud devarias líneas que funcionan entre elpar del motor y el par de carga, comoindican las curvas de par del



fabricante del motor, como lamostrada en la Figura No. 34. Luego,dividir la cantidad entre el número totalde líneas en el gráfico.

Figura 34

Par sincrónicoPar de estado estacionario

desarrollado por un motor sincrónico avelocidad nominal.Par máximo

Par máximo que requiere una cargade su motor de impulsión.Voltaje del motor

Un grupo electrógeno de tamañoadecuado debe tener kW (potencia) ycapacidad kVA adecuadas parasatisfacer las demandas del motordurante el arranque.

La mayoría de los motores seactivan con contactores operadoseléctricamente. Las caídas extremasde voltaje debidas al arranque delmotor pueden hacer que loscontactores controladoselectromagnéticamente tenganinterrupciones o se cierrenintermitentemente y, por tanto,dificulten el arranque del motor.

Una operación con voltaje bajopuede causar sobrecalentamiento,mayores tiempos de aceleración decarga, apertura de los disyuntores ysuspensión de la protección delmotor/generador. La Tabla No. 16muestra las clasificaciones mínimasrecomendadas para el motor.

Clasificaciones mínimas recomendadas para elmotor

Voltios RPMhp de

motoresde

inducción

hp demotores

sincrónicos

601-3.000 3.600 250 —

601-3.000 1.800 omenos 250 250

3.001-5.000 3.600 350 —

3.001-5.000

1.800 omenos 300 250

5.001-7.000 3.600 1.000 —

5.001-7.000

1.800 omenos 800 600

Tabla 16

La corriente de arranque inicial delmotor provoca una caída rápida devoltaje de salida del generador. En lamayoría de los casos, una caída devoltaje de 30% es aceptable,dependiendo del equipo que ya estéconectado. El grado de la caída debeidentificarse con un osciloscopio. Losmedidores o registradores mecánicosson muy lentos para registrar estamedida.

Cuando se realizan mediciones enlos motores de una velocidad,trifásicos y de velocidad constante convoltaje de fuente nominal y frecuenciaimpresa y con rotor bloqueado, nodeben exceder los valores indicadosen la Tabla No. 17.



Corriente del rotor bloqueado — NEMA MG 1

Potencia

60 Hz - 230voltios

Corriente delrotor

bloqueado,Amperios*

Letras dediseño Potencia

50 Hz - 380voltios

Corriente delrotor

bloqueado,Amperios **

Letras dediseño

0,5 20 B, D, E 1 omenos 20 B, D, E

0,75 25 B, D, E 1,5 27 B, D, E1 30 B, D, E 2 34 B, D, E

1,5 40 B, D, E 3 43 B, C, D, E2 50 B, D, E 8 61 B, C, D, E3 64 B, C, D, E 7,5 84 B, C, D, E8 92 B, C, D, E 10 107 B, C, D, E

7,5 127 B, C, D, E 15 154 B, C, D, E10 162 B, C, D, E 20 194 B, C, D, E15 232 B, C, D, E 25 243 B, C, D, E20 290 B, C, D, E 30 289 B, C, D, E25 365 B, C, D, E 40 387 B, C, D, E30 435 B, C, D, E 50 482 B, C, D, E40 580 B, C, D, E 60 578 B, C, D, E50 725 B, C, D, E 75 722 B, C, D, E60 870 B, C, D, E 100 965 B, C, D, E75 1.085 B, C, D, E 125 1.207 B, C, D, E

100 1.450 B, C, D, E 150 1.441 B, C, D, E125 1.815 B, C, D, E 200 1.927 B, C, E150 2.170 B, C, D, E200 2.900 B, C, E250 3.650 B, E300 4.400 B, E

*La corriente de rotor bloqueado de motores dis eñados para voltajes diferentes de 230 voltios deben serinversamente proporcionales a los voltajes.

*La corriente de rotor bloqueado de motores diseñados para voltajes diferentes de 380 voltios deben serinversamente proporcionales a los voltajes.

Tabla 17

Técnicas de arranque delmotor

Existen varios métodos para elarranque de los motores. Seexplicarán los métodos de voltajepleno, de arranque suave y de voltajereducido.Arranque a voltaje pleno

El método menos complicado dearranque del motor es el de arranque

a voltaje pleno o arranque directo. Losmotores simplemente se conectan a lafuente de potencia a través de losinterruptores en la línea, como semuestra en la Figura No. 35. Elarranque a voltaje pleno es el métodomás usado de arranque del motor.

El arranque a voltaje pleno usa unbotón de empuje momentáneo comointerruptor de arranque. Cuando se



empuja, el botón activa la bobina decontacto "M", como se muestra en laFigura No. 35. Luego, los contactosdel motor, "M" se cierran para realizarel arranque del motor; un sello delcontacto "M" se mantiene en contactohasta que se abre el botón "parar". Elcontrol de "conexión/desconexión"comúnmente se caracteriza por unaprotección de sobrecarga integral.

El voltaje de línea pleno sesuministra al motor instantáneamentecuando se activa el el interruptor delmotor; consulte la Tabla No. 18. Haydisponible par de arranque máximo;por tanto, el motor tendrá un tiempode aceleración mínimo. La reduccióndel tiempo de aceleración es unaventaja para los motores con ciclos deconexión y desconexión frecuente.Cuanto menor tiempo tome el motoren alcanzar la velocidad plena, secalentarán menos los devanados del

motor. Ésto permite aumentar la vidaútil del motor.

El grupo electrógeno debe tenersuficiente capacidad kVA de arranquedel motor para limitar la caída devoltaje. Si no pueden determinarse losvalores reales de la corriente dearranque del motor, un valoraproximado de 600% de corrientenominal a carga plena es una buen aaproximación para los motores dediseño B y de 1.500% de corrientenominal a carga plena para losmotores de diseño E. Vea la FiguraNo. 36.

El arranque a voltaje pleno se usa amenos que haya limitaciones en lascorrientes de arranque inicial. Lamayoría de las empresas de energíaeléctrica no permiten el arranque devoltaje pleno de motores grandes.Durante el arranque de motoresgrandes, debe proporcionarse unalivio.

Figura 35



Motores de arranque de voltaje reducido

Tipo de motor dearranque

Voltaje del motor% de voltaje de la

línea

Corriente de la línea% de voltaje pleno

Corriente dearranque

Par de arranque% de voltaje pleno

Par de arranque

Motor de arranque avoltaje pleno 100 100 100

AutotransformadorToma de 80%Toma de 65%Toma de 50%

806550

*68*46*29

644225

Motor de arranque deresistencia

Paso simple(ajustado para que elvoltaje del motor sea80% del voltaje de lalínea)

80 80 64

ReactorToma de 50%Toma de 45%Toma de 37,5%

5045

37,5

5045

37,5

82014

Devanado parcial(sólo motores develocidad baja)

Devanado de 75%Devanado de 50%

100100

7550

7550

Conexión en estrella 57 33 33Estado sólido Ajustable* El porcentaje de corriente de la línea es 64%, 42% y 24% ante s de la adición de corriente de magnetización delautotransformador.

Ventajas DesventajasAutotransformador

1. Proporciona par más alto por amperio decorriente de la línea.

2. Las tomas del autotransformador permitenel ajuste del voltaje de arranque.

3. Arranque de transición cerrado.4. Durante el arranque, la corriente del motor

es mayor que la corriente de la línea.5. Factor de potencia bajo

1. En clasificaciones de hp bajas, es el diseñomás costoso

Resistencia

1. Aceleración suave - el voltaje del motoraumenta con la velocidad

2. Arranque de transición cerrado.3. Menos costoso que el motor de arranque

de un autotransformador en clasificacioneshp más bajas.

4. Disponible con varios puntos deaceleración

1. Eficiencia de par baja2. Calor de la resistencia3. Factor de potencia alta durante el

arranque.



Devanado parcial

1. Menos costoso para motores de arranquede voltaje reducido.

2. Arranque de transición cerrado.3. La mayoría de motores de voltaje doble

pueden arrancarse con el devanado p arcialen menos de dos voltajes.

4. Tamaño pequeño.

1. Requiere un diseño de motor especial paravoltajes mayores que 230 v.

Conexión en estrella

1. Costo moderado - Menor que el de laresistencia o el autotransformador.

2. Apropiado para cargas de iner cia alta yaceleración larga.

3. Eficiencia de par alto.

1. Requiere un diseño de motor especial2. El par de arranque es bajo.

Tabla 18

Figura 36

Arranque suave - Arranqueamortiguado del motor con c arga

Los motores pueden tener arranquesuave (arranque con menor carga o aun par reducido) para llevar la cargagradualmente a la velocidad ominimizar las corrientes de arranque.Los motores pueden sobretensionarse cuando desarrollan el parnecesario para arrancar y acelerar unacarga de inercia grande o alta.También, una corriente de arranquealta puede forzar el sistema desuministro eléctrico más allá de sucapacidad para proporcionar corrienteal motor de arranque u otras cargasconectadas.

Tres opciones para motores dearranque suave incluyen:

Instalar un acoplamiento al ejedel motor. Hacer ésto permiteque el motor alcance lavelocidad plena antes de que lacarga lo haga. El más comúnsería un embrague de corrienteparásita, un acoplamientomagnético o un mando deroldana de paso variable. Estatécnica alivia al motor del grupoelectrógeno de cierta demandade potencia durante elarranque, pero no alivia algenerador de la demanda skVAinicial.

Seleccionar un motor concaracterísticas intrínsecas dearranque suave.

Interponer los controles entre elmotor y la fuente de potenciapara modificar el par motor.

Arranque de voltaje reducidoEl arranque de voltaje reducido

reduce la demanda de skVA en ungrupo electrógeno para el arranquedel motor. También hay una reducciónen el par de arranque del motor.



Aunque con frecuencia, una caída devoltaje puede causar problemas, si escontrolada podría resultar beneficiosa.La reducción de los kVA de arranquedel motor pueden reducir el tamañorequerido del grupo electrógeno,reducir la caída de voltaje yproporcionar un arranque más suavepara las cargas del motor. Sinembargo, aumenta el tiempo paraalcanzar la velocidad de operaciónplena. La Figura No. 37 muestra elefecto del voltaje reducido en el par.

Figura 37

Cualquier reducción en el voltajedurante la secuencia de arranquetendrá efecto en el par y en laaceleración de la carga.

El par de arranque varíadirectamente con el cuadrado delvoltaje aplicado en el estator. Si elvoltaje impuesto en las terminales deun motor de inducción durante elarranque se reduce desde su voltajenominal hasta algún porcentaje dadode este valor pleno, la demanda depotencia del motor se reducirá a un

valor equivalente a los kVA dearranque a voltaje pleno por elporcentaje de voltaje pleno alcuadrado.% de disminución de voltios nominales

= xx2 = Par disponible

Usando la Ley de Ohm se determinaque la potencia consumida en elcircuito variará directamente con elcuadrado del flujo de corrien te. Portanto, debido a que el flujo decorriente de un circuito dado esdirectamente proporcional al voltajedel circuito, el resultado de lareducción de voltaje a algúnporcentaje del voltaje pleno será unareducción de la potencia consumidaen el circuito igual al porcentaje devoltaje pleno al cuadrado.Ejemplo

Si el voltaje de línea de 230 V sesuministra a un motor de 230 V, el pardisponible es 100%. Si un motor de230 V se reduce a 200 voltios, ¿cuáles el par disponible?Solución% de disminución de voltios nominales

= xx2 = Par disponible

200230 = x

x2 = 0,756 = Par disponibleEl par disponible es 75,6%.El voltaje reducido durante el

arranque puede proporcionar alivio dela demanda excesiva de corriente dearranque inicial y de lasperturbaciones transitorias excesivas.Sin embargo, el motor puede no tener



suficiente par para acelerar avelocidad nominal, especialmente sise requiere que el motor acelere unacarga conectada con un contenido deinercia alta.

La corriente de arranque varíadirectamente con el voltaje aplicado.Ejemplo

¿Cuál es el flujo de corriente de unmotor de 230 V que se reduce a 200V?Solución

200230 = 0,87

El flujo de corriente es 87% delnominal.

La Figura No. 38 muestra el efectodel menor voltaje en la corrien te.

Figura 38

Hay varios tipos de arranquereducido del motor.

Autotransformador - Transiciónabierta

Autotransformador - Transicióncerrada

Reactor

Resistencia Devanado parcial Conexión en estrella Estado sólido

Todas las técnicas de arranque devoltaje reducido disminuyen el par dearranque del motor. El menor par dearranque del motor disminuye lacapacidad del motor para arrancar yalcanzar la velocidad nominal cuandoestá sobrecargado. Si se usanmotores de arranque de vo ltajereducido, debe considerarse lareducción del par de arranquedesarrollado por el motor.Métodos de arranque reducidoAutotransformador - Transiciónabierta

Los motores de arranque deautotransformador, llamados tambiénautocompensadores, reducen elvoltaje de los terminales del motordurante el arranque mediante unacción de transformador. Estándisponibles para motores de cargasmuy altas y voltaje bajo. Elautotransformador tiene una toma dedevanado de voltaje reducido que sequita del circuito y se conectadirectamente a la línea a medida queel motor se aproxima a la velocidadnominal.

Los motores de arranque deautotransformador generalmentetienen tres tomas disponibles paraseleccionar 50%, 65% o 80% devoltaje de línea. Con la acción deltransformador, el flujo de corriente dela fuente variará con el cuadrado delvoltaje en los terminales del motor.Cuando se usa la toma de 80%, lacorriente de la línea será 80% alcuadrado o el 64% de la corriente dela línea que fluiría a voltaje pleno. Con



la acción del transformador, el motorde arranque de autotransformadorproporciona un par más alto poramperio de la corriente de línea queotros tipos de motores de arranque devoltaje reducido. La corriente real de lalínea será un poco más del 64% delejemplo, debido a que eltransformador requiereaproximadamente 25 kVA por motorde 100 hp del motor para corriente demagnetización.

La transición a voltaje plenogeneralmente se determina medianteun temporizador. Sin embargo, enalgunos casos podría hacersemanualmente. La configuración mássimple es la transferencia de circuitoabierto desde reducido a voltaje pleno,pero ésto causa severas alteracioneseléctricas y mecánicas durante elcambio de transición.

La Figura No. 39 muestra el dibujode un circuito y el gráfico de par de unautotransformador de configuraciónabierta.

Autotransformador - Abierta

Figura 39

Autotransformador - Transicióncerrada

Una alternativa a la conmutación detransición abierta, es la transicióncerrada.

Esta técnica minimiza el choque alproporcionar flujo continuo decorriente, mientras se realiza laconmutación de una toma deautotransformador a voltaje pleno. Elcambio de transición cerrada, aunqueimplica un cambio levemente máscomplejo, se prefiere para el arranquede autotransformador. Los motores dearranque de autotransformador son decontrol magnético. El transformadorsecundario tiene tres tomas para 50%,65% y 80% de voltaje de línea pleno.Estos tres contactores, untemporizador y un transformadorconforman el dispositivo de arranque.Este motor de arranque es muy suaveen aceleración y el tiempo de



arranque permitido es de 30segundos. Es el más costoso de losmotores de arranque.

El flujo de corriente de la líneavariará con el cuadrado del voltaje enlos terminales del motor; cuando elmotor se conecta a la tercera toma(80%), la corriente de línea será 80%al cuadrado o el 64% de la corrientede línea que fluiría a voltaje pleno. Elmotor de arranque requiereaproximadamente 25 kVA por 100 hpdel motor para corriente demagnetización. Esto se suma a loskVA de arranque del motor durante elarranque.

La Figura No. 40 muestra el dibujode un circuito y el gráfico de par de unautotransformador de configuracióncerrada.

Autotransformador - Cerrado

Figura 40

Reactor - ResistenciaLos motores de arranque de reactor

reducen el voltaje del motor al insertarresistencia o reactancia en cada tramodel circuito y luego causan uncortocircuito cuando el motor seaproxima a la velocidad de operación.Este tipo de motor de arranque usados contactores, un temporizador y unreactor o resistencia como dispositivode arranque.

El tiempo de arranque permitido esde cinco segundos. Es el menosflexible en aplicación de todos losdispositivos de arranque, pero el mássuave en aceleración y con un preciointermedio entre todos los motores dearranque.

La resistencia añadida actúa comoun dispositivo de caída de voltaje.Éste añade una pérdida al circuito yaplica carga al motor. Este métodoproporciona aceleración suave amedida que se quita el circuito dearranque, sin desconectarmomentáneamente el motor de lalínea. (La corriente de línea es igual ala corriente del motor, resultando enuna relación kVA más baja de "par ala fuente" que conautotransformadores). Por ejemplo,con 80% de voltaje aplicado a lasterminales del motor, la corriente delmotor será 80% de la corriente devoltaje a carga plena e igualmente serequerirá corriente de 80% de la línea.Contrasta lo anterior con la corrientede línea de 64% con unautotransformador en la toma de 80%.

El arranque de reactor usa doscontactores, un temporizador y unreactor como dispositivo de arranque.El tiempo de arranque permitido es dequince segundos. El arranque dereactor en serie generalmente se usaen motores grandes. Su flexibilidad de



aplicación está limitada sólo paravoltajes y corrientes altos.

La Figura No. 41 y la Figura No. 42muestran los dibujos del circuito y losgráficos de par de ejemplos deconfiguraciones de reactor/resistencia.

Reactor

Figura 41

Resistencia

Figura 42

Devanado parcialSe requiere un motor especial con

dos devanados de estator paralelospara un arranque de devanado parcial.Estos se conectan exitosamente a lalínea a medida que aumenta lavelocidad del motor.

Devanado parcial

Figura 43

El arranque de la línea plena seaplica a una parte del devanado delmotor. La corriente y el pardesarrollado se reducen para esedevanado durante el arranque. Lascaracterísticas de par mejoran si el



estator está diseñado para arranquede devanado parcial, pero algunasveces se usa voltaje doble estándar.Las piezas de este motor de arranqueson dos contactores y untemporizador. Sin embargo, debetenerse en cuenta un costo adicionaldel motor debido a que puede resultar50% más costoso que un motor dejaula de ardilla estándar. Aunque estatécnica puede producir un buen parpara la relación kVA, no permite unarranque suave y no resulta apropiadapara motores pequeños de velocidadalta. El tiempo de aceleración es de 5a 15 segundos dependiendo del tipode motor.

La Figura No. 43 muestra el dibujode un circuito y el gráfico de par de unejemplo de configuración de devan adoparcial.Conexión en estrella - EntradasSCR delta (triángulo)

El arranque con conexión enestrella-triángulo requiere que elarranque del motor tenga seis o docecables conectados a la caja deconexión. El motor arranca como unmotor conectado en estrella y luego esconmutado para funcionar como unmotor conectado en triángulo.

Con la conexión en estrella, elvoltaje aplicado a cada devanado es58% del valor pleno de la conexión entriángulo . El par de arranque y lacorriente son 33% del valor de lalínea. Este tipo de motor de arranquetiene el tiempo de aceleración másalto permitido, de 45 a 60 segundos.Cuando se usa un motor de conexiónen estrella-triángulo con un grupoelectrógeno de capacidad limitada,generalmente, la pérdida adicional delpar de arranque del motor debida a lacaída de voltaje transitoria significativa

hace que el motor acelere cerca de lavelocidad nominal antes de realizar latransición a la modalidad defuncionamiento. El arranque de lafuente de potencia se realiza como siarrancará directamente de la línea, ypor lo tanto falla.Nota: El tamaño de los motores queimpulsan alternadores equipados conmotores de arranque de conexión deestrella debe seleccionarse como silos motores se arrancarandirectamente de la línea.

La Figura No. 44 muestra eldiagrama de un circuito y el gráfico depar de un ejemplo de configuración deconexión en estrella.

Conexión en estrella

Figura 44

Motor de arranque de estado sólidoLos motores de arranque de estado

sólido ofrecen muchas opciones paralograr las características de arranquedeseadas. Los motores de arranque



de estado sólido ajustan el par, eltiempo de la rampa de aceleración y ellímite de corriente para que elarranque del motor tenga unaaceleración controlada. Los motoresde arranque de estado sólido ofrecenun arranque más suave y con menospasos al variar el ángulo deconducción de los SCR. El ángulo deconducción varía de 20% a 100%, elcual a su vez controla el voltaje delmotor de 40% a 80%. Estos tienen laventaja de operar sin piezasmecánicas y con contactos deconmutación eléctrica grande, lo queproporciona una aplicación depotencia muy suave.

El motor de arranque de estadosólido no debe confundirse con elmando de velocidad ajustable deestado sólido. Con un motor dearranque de estado sólido, loscircuitos generalmente se activan sólodurante el arranque y, por tanto, norequieren capacidad adicional delgenerador para acomodar la distorsiónde voltaje debida a los SCR. Si elmotor de arranque de estado sólido notiene una derivación automática, ladistorsión de voltaje del SCR deberácompensarse con un generador demayor tamaño. Una pauta para elaumento de tamaño es usar dos vecesla carga kW. Consulte la sección"Contenido de Armónicas", paraobtener más información al respecto.

La Figura No. 45 muestra eldiagrama de un circuito y el gráfico depar de un ejemplo de configuración deestado sólido.

Estado sólido

Figura 45

El usuario ajusta el control paraentregar la mejor característica dearranque para la aplicación. Algunasveces se usan variaciones del límitede corriente y voltaje para lograr unarampa de velocidad lineal, sinembargo, el principio de operación delparámetro controlado siempre se basaen el control de voltaje.Rampa de voltaje

La rampa de voltaje/tiempo aumentael voltaje hasta el voltaje plenoaplicado a los terminales del motor. Semantienen las kVA constantes y seeliminan los cambios de parrepentinos, como se muestra en laFigura No. 46. El paso de voltajeinicial, la rampa de aceleración y ellímite de corriente generalmente sonajustables. Un tiempo de rampa deaceleración extendido y unaconfiguración de límite de velocidadbaja resulta en las menores caídas devoltaje y frecuencia.



Rampa de voltaje

Figura 46

Rampa de corrienteEl uso de la rampa de límite de

corriente es muy común. La rampa decorriente se presenta en un tiempopreestablecido para alcanzar un límiteprogramado; vea la Figura No. 47.Generalmente están disponiblesconfiguraciones de límite de corrientede 150% a 600% de corriente a cargaplena. Un límite de 300% reduce loskVA de arranque en 50% de lacorriente de 600% normal con unarranque de voltaje pleno en toda lalínea. El uso de la conf iguración dellímite de corriente reduce el par delmotor disponible para la carga, comose muestra en la Figura No. 45.

Rampa de corriente

Figura 47

La Tabla No. 18 presenta losmétodos y tipos de arranque y susefectos principales en el arranque delmotor.

Debe tenerse mucho cuidadocuando se aplica menor voltaje en elarranque de grupos electrógenos delmotor. La cantidad de par de arranquedisponible se reduce. Cualquier caídade voltaje transitoria durante elarranque reducirá aún más el par dearranque. Por ejemplo, si el arranquese realiza con un motor de arranquede autotransformador en la toma de65%, el motor tendrá sólo 42,25 de supar de arranque a voltaje plenodisponible durante el arranque. Si elvoltaje del sistema cae 20% durante lacarga transitoria, el voltaje en losterminales del motor será sólo 80% de65% del voltaje nominal (52% delvoltaje pleno). El cuadrado de 52% daun valor neto de 27% de par dearranque a voltaje pleno y no el valoranticipado de 42,25%.



Tabla de métodos y tipos de arranquedel motor

Método ytipo de

arranque

Voltajede

líneaPU

aplicado

Par dearranq

uenominal PU

disponible

kVA dearranq

uenominalesPU

requeridos

Voltaje plenoen toda lalínea

1,0 1,0 1,0

Devanadoparcial avoltaje pleno(ver notas 1y 3)

1,0 0,70 0,70

Autotransformador avoltajereducido (vernota 2)

0,80,0,65,0,50

0,64,0,42,0,25

0,67,0,45,0,28

Reactor/Resistencia avoltajereducido (vernotas 1 y 3)

0,80,0,65

0,64,0,42

0,80,0,65

Conexión enestrella-triángulo avoltajereducido

0,58 0,33 0,33

NOTAS:1. Estos valores son típicos. Los diferentesvalores de skVA y par están disponiblesdependiendo del diseño del motor/motor dearranque. Consulte al fabricante delmotor/motor de arranque para obtene rdatos específicos.2. Los valores de los porcentajescalculados de kVA de arranque tienen unaumento de tres puntos de porcentaje parapermitir los kVA de magnetizaciónrequeridos para el autotransformador.3. Los valores indicados son típicos.Consulte al cliente o al fabricante delmotor/motor de arranque para obtenerdatos específicos.

4. Cuando no se tienen datos específicos,los valores típicos indicados pueden usarsepara propósitos de estimación, pero debenmostrarse como "valores supuestos enlugar de datos específicos". El rendimientodel equipo actual puede variar delrendimiento calculado en todos los cálculosy cotizaciones.

Tabla 19

Arranque intermitenteCuando un motor funciona de forma

intermitente, debe considerarse eltiempo de respuesta transitoria.Cuando se realiza el arranque de unmotor intermitente, la caída de voltajeque se presenta debe permanecer enuna gama aceptable que no afectenegativamente a otras cargas yaconectadas. Todas las cargas quesiguen la carga intermitente inicial(como un horno) también deben incluira la carga intermitente como parte desu total. Al considerar lo anterior,podrían requerirse más kVA yresultaría apropiado un grupoelectrógeno más grande.Técnicas de localización y solu ciónde problemas de arranque delmotor

Si el arranque del motor es unproblema, considere lo siguiente:

Cambie la secuencia dearranque. Arranque los motoresmás grandes primero. Habránmás kVA de arranquedisponibles, aunque noproporciona mejor tiempo derecuperación de voltaje.

Use menores motores dearranque de voltaje. Estoreduce los kVA requeridos para



arrancar un motor determinado.Si el arranque se realiza concarga, recuerde que estemétodo también reduce el parde arranque.

Use motores de arranquelimitadores de corriente.

Especifique los generadores demayor tamaño.

Use motores de rotor dedevanado. Éstos requierenmenor corriente de arranque,pero son más costosos queotros motores.

Proporcione embragues demodo que los motoresarranquen antes de aplicar lascargas. Mientras no se reduzcala demanda de kVA dearranque, el intervalo de tiempode demanda alta de kVAdisminuye.

Mejore el factor de potencia delsistema. Esto reduce elrequisito del grupo electrógenode producir kVA reactivos, loque permite que hayan máskVA disponibles durante elarranque.

Elimine la carga de los motores.Arrancar motores con cargapuede llevar a cargas muy altasdel grupo electrógeno durantela fase de arranque del motor.

Cargas variadasLa mayoría de instalaciones tendrán

cargas de sistemas de iluminación ycargas de motores. Algunasinstalaciones pueden tener cargasvariadas adicionales; éstas puedenincluir mandos de velocidad ajustable,cargas UPS, cargas monofásicas ycargas de elevadores.

Mandos de velocidad ajustable(variable)

Los mandos de velocidad ajustableelectrónica se usan para controlar lavelocidad de los motores CA y CC. Elcontrol de velocidad permite que laaplicación de motores, en su velocidadmás eficiente, se ajuste a la demandacreada en un momento particular. Lostérminos usados para describir estosmandos incluyen:

Mando de Velocidad Variable(VSD)

Mando de Frecuencia Variable(VFD)

Mando de Frecuencia Ajustable(AFD)

Mando de Velocidad Ajustable(ASD)

Estos mandos rectifican la potenciaCA entrante para formar potencia CC.La CC se usa para proporcionarpotencia directamente a un motor CCo a un inversor que convierte la CC enCA en un voltaje y frecuenciadeseados, para impulsar un motor acualquier velocidad en cualquier puntodel tiempo.

La rectificación de CA con SCRdistorsiona las ondas de corriente y asu vez causa la distorsión de lasondas de voltaje, que pueden impactaren otro equipo conectado a la mismafuente.

Los VFD comienzan en frecuenciacero y aumentan a un puntoestablecido. Los mandos de voltajevariable comienzan en cero yaumentan a un punto seleccionado.Ambos están bajo un límite decorriente o par para evitar una mayorcorriente inicial de arranque. Unavariación del mando de velocidadvariable es el voltaje reducido o el



motor de arranque de corrientereducida; vea la descripción en lasección "Arranque del Motor".

Generalmente, cuando estosmandos representan más del 25% dela carga total del grupo electrógeno,podría requerirse un generador másgrande.

Los VFD requieren generadores másgrandes. Los VFD son limitados encorriente y reducen los kW y los kVA.Fluye corriente no lineal conarmónicas. Esto causa una caída devoltaje en el reactancia del grupoelectrógeno. Cuando la DistorsiónArmónica Total (THD) excede 1 5%,podría requerirse un generador decapacidad adicional. Los generadoresmás grandes tienen mayor reducciónde la impedancia del generador, loque reduce los efectos de la distorsiónde corriente armónica.

Para VFD de seis pulsos, dos veceslos kW de funcionamiento del mandoes un factor típico para determinar eltamaño usado y compensar cualquierreducción de los kW o kVA dearranque. Si se usa un filtro deentrada para limitar la corriente amenos de 10%, el factor de tamañopuede reducirse hasta 1,4 veces loskW de funcionamiento del mando.

Pueden usarse filtros pasivos parareducir el impacto de la distorsión dearmónicas. Sin embargo, los posiblesefectos del factor de potencia deconducción con filtros deinductores/condensadoressincronizados en el arranque o concargas de luces puede afectar laregulación de voltaje de generadoresautoexcitados.

Sistemas de RectificadorControlado de Silicio (SCR)

Los mandos SCR permiten ajustesinfinitos de velocidad de los motoreseléctricos. Se usan en una ampliavariedad de aplicaciones. Los motoresCC usados en elevadores, grúas yprensas usan SCR. Además, losmandos de frecuencia variable CA(VFD) y los mandos de entrada devoltaje variable AC (VVI) usados enbombas, ventiladores, bandastransportadoras procesadoras,herramientas de máquinas y prensasusan SCR.

Generalmente, los mandos SCRpueden requerir generadores demayor tamaño La operación de losmotores CC a velocidades variableshace que el factor de potencia delgenerador varíe. Por tanto, losgeneradores CA sonsobredimensionados a 0,6 o 0,7 PFpara proporcionar mayor capacidad deamperios al generador.

La capacidad comprobable del grupoelectrógeno se determina con lasiguiente ecuación:

EkW = (bhp – hp vent. de rad.) xefic. del generador x 0,746

Además, el generador debe ser dedevanado conformado paraproporcionar un refuerzo mecánicoadicional al devanado del generador.Este refuerzo resiste las fuerzascausadas por sobretensiones decorriente resultantes de la operaciónde los controladores SCR. E l límite dediseño de aumento de temperatura deldevanado del generador tambiéndisminuye para compensar el caloradicional causado por la carga SCR.



Los generadores de tamaño menoral requerido pueden disparar eldisyuntor.

Los sistemas SCR se apoyan entr esí para permitir un gran control develocidad de motores, rectificadores ysuministros de potencia ininterrumpida(UPS). Cada uno de estos dispositivosconvierte el voltaje de suministrosinusoidal en voltaje de corrientecontinua. En algunos casos, el e quipopuede convertir el voltaje CC envoltaje CA. Usado con fuentes depotencia limitada, como gruposelectrógenos accionados por el motor,el conmutado de los SCR causadistorsiones severas de las ondas devoltaje y corriente en la fuente depotencia. La distorsión de la onda decorriente puede desarrollar resonanciaarmónica en el equipo del sistema, loque a su vez causa calentamiento enlas bobinas del motor y el generador.

La creación de distorsión con undispositivo SCR puede mostrarse alobservar un generador simple queproporciona suministro a una cargacontrolada por un SCR; vea la FiguraNo. 48.

Figura 48

Conectando el SCR en algún puntodurante el ciclo de voltaje aplicadocrea una demanda instantánea demás cantidad de corriente para elcircuito. Con un SCR, la corriente nofluye hasta que el SCR esté"conectado". Este flujo de corriente

resulta en una caída de voltajeinstantánea dentro de la impedancia oreactancia interna del generador. Enconsecuencia, el voltaje de losterminales de salida del generadoraparece como una onda sinusoidaldistorsionada; vea la Figura No. 49.

Figura 49

Con el tiempo, estas distorsionesque ocurren en una fuente de potenciatrifásica pueden causar un rendimie ntodesfavorable en todo el sistema.

Cuando se planeen sistemas condispositivos SCR, debe informarse alfabricante del control que se usaráuna fuente de potencia limitada (grupoelectrógeno). El sistema entoncespuede diseñarse para minimizar losproblemas de distorsión. El limitar lascargas SCR a 66% de unaclasificación de potencia principal deun generador Caterpillar garantiza elcontrol del regulador y evita elsobrecalentamiento del generadorcausado por armónicas. Lasaplicaciones que requieren factores decarga alta deben analizarseindividualmente.Cargas de soldadura

Los equipos de soldadura hacen fluircorriente con fluctuaciones erráticas.Estas fluctuaciones de corrienteproducen distorsión de las ondas devoltaje debido a la impedancia defuente de carga relativamente alta.Los grupos electrógenos puedenrequerir una reducción de potencia



significativa con cargas de equipo desoldadura.Suministro de PotenciaIninterrumpida (UPS)

Un sistema UPS es un conjunto deequipo usado con cargas eléctr icassensibles a alteraciones de la fuentede potencia o que requierencontinuidad de potencia absoluta. ElUPS puede almacenar energía paralos períodos de interrupciones delfluido eléctrico. El UPS condicionacontinuamente la potencia y si lafuente de potencia normal no estádisponible, el UPS proporcionapotencia a cargas críticas hasta que lageneración de potencia auxiliar puedaponerse en línea. El tamaño del grupoelectrógeno debe determinarse deacuerdo con la clasificación UPS y nocon la carga.

La continuidad y el aislamiento delas alteraciones de la fuente depotencia pueden asegurarse al usarun sistema UPS giratorio o fijo.

Los sistemas giratorios usan ungrupo electrógeno de motor para aislarla carga crítica combinado con unatécnica de almacenamiento de inerciacinética o baterías para transmitir lacarga crítica durante el arranque de unmotor diesel.

Los sistemas fijos aislan las cargascríticas mediante dispositivos deestado sólido, que usan baterías paraunir las interrupciones de potenciahasta que esté disponible un grupoelectrógeno para suministrar potenciaal sistema.

Los UPS también pueden usarsepara realizar un apagado metódico delmotor y minimizar el daño alreiniciarlo.

Los sistemas UPS fijos usancomponentes fijos para propo rcionar

potencia de calidad al equipo crítico,independiente de la calidad odisponibilidad de la fuente de potencianormal. Los sistemas más simples secomponen de un rectificador(convertidor), un banco de batería dealmacenamiento CC y un invertidor.

El rectificador, algunas vecesllamado convertidor, es un dispositivoque convierte la corriente CA encorriente CC.

El invertidor usa tecnología deestado sólido para convertir la CC auna onda que luego es filtrada, demodo que resulta apropiada parasuministrar potencia a la carga crítica.

Un banco de baterías dealmacenamiento "flota" en línea paraproporcionar potencia CCininterrumpida al invertidor en caso depérdida de la fuente de potencia queva al rectificador. Las bateríasobtienen su carga de restauración y lacarga de flotación auxiliar de la salidaCC del rectificador.

La salida CC del rectificadorproporciona dos funciones durante eltiempo en que la fuente de potenciaCA está disponible en sus terminales.1. Proporciona CC regulada al

invertidor para suministrarpotencia a la carga crítica.

2. Mantiene el "estado de carga" enel banco de las baterías CC;incluyendo la recarga si el estadode carga ha sido consumidodebido a una reciente interrupciónde la corriente eléctrica normal.

La salida CA del invertidor es de"potencia condicionada" paraajustarse a los requisitos de voltaje yfrecuencia de la carga crítica todas lasveces.



Durante una interrupción de laenergía, la potencia eléctrica delsistema viene directamente del bancode baterías de reserva sinconmutación. La carga es percibidapor el cargador de batería/convertidorde potencia estática.Rectificador de seis pulsos y dedoce pulsos

La unidad del rectificador oconvertidor, que convierte la CA a CCen un sistema UPS, consta derectificadores individuales grandes encircuito para controlar la salida CC.Estos rectificadores hacen fluir lacorriente en pulsos desde la fuenteCA. Estos pulsos de corriente no sonde onda sinusoidal y causan unadistorsión de la onda de voltaje de lafuente. Para obtener ejemplos,consulte la sección "Carga no lineal".

En rectificadores trifásicos, loscircuitos y los elementos del circuitopueden configurarse paraproporcionar potencia CC con seis odoce pulsos de corriente CC por ciclode entrada CA.

Cuanto mayor sea el número depulsos por ciclo, más suave será lademanda. Por tanto, un rectificador deseis pulsos tiene una demanda conmás distorsión que un rectificador dedoce pulsos.

Un sistema de seis pulsos debetener un generador clasificado paraservicio continuo para un aumento detemperatura de 80°C. También puedeser necesaria una actualización delsistema de regulación de voltaje. Lareactancia de subtransiente tambiéndebe determinarse antes deestablecer el tamaño del generador.

Para un sistema de doce pulsos,donde estas cargas son más del 25%de la clasificación auxiliar de los

generadores, debe seleccionarse ungenerador clasificado para serviciocontinuo para un aumento detemperatura de 105°C para Clase F ysistemas de aislamiento H.

Para un sistema de doce pulsos,donde las cargas son menos del 25%de la clasificación auxiliar de losgeneradores, puede usarse ungenerador estándar y un sistema deregulación de voltaje automático.

Las consideraciones de tamaño ycosto determinan el número de puls osa usar en el diseño del sistema. Losproblemas de THD alta de unrectificador de seis pulsosgeneralmente los puede minimizar elfabricante del rectificador usando unfiltro pasivo diseñado apropiadamente.Capacidad de derivación

Algunos sistemas UPS incluyencomponentes adicionales para permitirla capacidad de derivación del UPS encaso de una falla en el sistema, elmantenimiento del sistema osobrecargas momentáneas en el ladode la carga crítica. La Figura No. 50es un ejemplo de UPS con capacidadde derivación. Un dispositivo llamadointerruptor de transferencia estáticapermite la transferencia automática yprácticamente ininterrumpida de lacarga crítica a la fuente entrante encaso de un evento planeado o noplaneado del sistema, como semencionó anteriormente.

El UPS debe tener un sistema decircuitos eléctricos que aseguren quela salida del inversor y la fuente dederivación están sincronizadas. Elvoltaje y la frecuencia de la fuentedeben estar dentro de una gamaaceptable o el UPS desactivará lacaracterística de derivaciónautomática.



La demanda de un mejor control devoltaje y frecuencia es la preocupaciónprincipal para la derivación con unafuente de grupo electrógeno. Ésto sedebe a los graves efectos de la onda

de voltaje causados por e l rectificadordel UPS y la posibilidad de ladesviación de frecuencia del grupoelectrógeno debida a la carga pulsanteo a los cambios de carga pequeños.

UPS con capacidad de derivación

Figura 50

Se recomienda un reguladorsincrónico en el grupo electrógeno y elUPS debe ajustarse o diseñarse conla ventana de aceptabilidad de voltajey frecuencia más amplia posible parala derivación.UPS redundante en paralelo

Las aplicaciones muy críticaspueden usar un UPS redundante enparalelo; vea la Figura No. 51. Estosson sistemas múltiples UPS queoperan en paralelo, generalmente con

uno o más sistemas UPS de losrequeridos, para suministrar potenciaa la carga. Por tanto, la carga críticapuede mantenerse, incluso con lapérdida o falla de cualquier sistemaUPS individual. Una derivación deconmutación estática, aunque menosfiable, puede usarse paramantenimiento o sobrecargamomentánea y capacidad de borradode fallas.



UPS redundante en paralelo

Figura 51

Sistema UPS fijo

Figura 52

Interfaz UPSLas cargas eléctricas sensibles a

alteraciones de potencia durante laconmutación de la subestación,fluctuaciones de voltaje ointerrupciones totales requierencontinuidad absoluta de potencia. Lacontinuidad puede asegurarse al aislarlas cargas críticas e incorporar uno delos siguientes:

Asignar un grupo electrógenosolamente a la carga crítica.

Los cambios repentinos decargas son suficientementepequeños para evitar loscambios de velocidad.

Aislar la carga crítica a travésde un grupo electrógeno demotor para evitar interrupcionesde potencia de cinco ciclos dela empresa de energíaeléctrica.

El combinar las características de unsistema UPS, específicamente



sistemas fijos como se muestra en laFigura No. 52, con un grupoelectrógeno, presenta consideracionesespeciales para asegurar lacompatibilidad. Es esencial lacomprensión de cómo estos sistemasfuncionan y se interrelacionan.

Un UPS se clasifica en kVA desalida. Cuando se determina eltamaño de un grupo electrógeno esimportante reconocer la necesidad deproporcionar potencia basado en lasalida del UPS. Por ejemplo, 100 kVAnominales del UPS requieren más de100 kVA de la fuente de potencia; ladiferencia entre los kVA de entrada ysalida es la eficiencia de la unidad.Además, la carga de recarga de labatería debe ser tan alta como 25% dela clasificación de salida.

Los sistemas UPS generalmentetienen circuitos electrónicos queperciben el cambio de voltaje yfrecuencia de entrada. Todos los UPSdeben diseñarse o ajustarse conparámetros de operación compatiblescon el grupo electrógeno. Esto incluyeutilizar la ventana de aceptación devoltaje y frecuencia más ampliaposible cuando se usa con un grupoelectrógeno.

La coordinación entre el proveedordel grupo electrógeno y el del UPS esfundamental para cumplir con lasnecesidad del cliente.Filtros de entrada

Los filtros pueden interactuar conotros componentes del sistema. Portanto, deben considerarse muycuidadosamente. Los filtros decircuitos sincronizados típicosrepresentan algún compromisocuando se usan con rectificadoresexpuestos a cambios amplios depotencia, como en las aplicaciones de

UPS. Los filtros con componentes dereactancia capacitiva pueden tener unpequeño efecto en el factor depotencia con la carga nominal delUPS; sin embargo, el factor depotencia puede convertirse enconducción capacitiva, lo que lleva auna condición de carga parcial.

Los grupos electrógenosintrínsecamente tienen la dificultad d econtrolar el voltaje con factores decarga de conducción y puedeobservarse un aumento de voltaje.Esta condición se enfatiza durante elarranque del UPS mediante lacaracterística de entrada de potencia.Generalmente, un UPS tiene algúnmedio para aplicar gradualmente lacarga a la fuente durante un períodode 10 a 20 segundos. Un filtrodescargado puede presentar unacarga de factor de potencia capacitivade conducción más allá de lacapacidad de control de voltaje delgenerador.

Otras cargas conectadas algenerador se opondrán a este efecto.También, la desconexión del filtro encargas UPS menores minimizará losproblemas.

Los filtros también pueden actuarcomo dispositivos de energíaalmacenada que afectan loscomponentes de conmutación delcircuito, como los interruptores detransferencia automática. Los diseñosindiscriminados de filtros tambiénpueden causar condicionesresonantes con otros elementos delcircuito.Impacto de otras cargas

La mayoría de dispositivos y equipoeléctrico se ven relativamente pocoafectados cuando reciben potencia degrupos electrógenos con cargas UPS.



Sin embargo, el conocimiento de losdispositivos potencialmente sensiblespuede ser valioso para la planificacióndel sistema. Muchos dispositivoselectrónicos contienen suministrosinternos de potencia CA a CC confiltros adecuados y son relativamenteinmunes a la distorsión de las ondas.Algunos dispositivos de control oelectrónicos de uso especial quedependen de "intersecciones cero" devoltaje de la fuente parasincronización pueden funcionarerráticamente. Si estos dispositivosson de potencia baja, un filtro simple yde bajo costo generalmente eliminarácualquier problema.

Los condensadores de correccióndel factor de potencia se usanprincipalmente por razoneseconómicas. Estos condensadorestambién pueden ser efectivos parareducir la distorsión de las ondas.Debe prestarse atención cuando seusen condensadores de corrección delfactor de potencia. Es posible unacondición de resonancia en una lasfrecuencias armónicas con parte de lainductancia de la línea, como untransformador, un motor en línea o elgenerador. Corriente excesivas yposiblemente dañinas en la frecuenciaarmónica pueden fluir a través delequipo. Es aconsejable mantenerestas corrientes fuera de línea hastaque se observen los efectos de laoperación del grupo electrógeno deemergencia con cargas no lineales.Ejemplo de dimensionamiento deun UPS

El siguiente es el procedimiento quedebe usarse para determinar eltamaño de los grupos electrógenosCaterpillar que tienen sistemas UPSfijos como parte o totalidad de su

carga. Este procedimiento tiene cuatropasos:Parte A

Establecer los kW de entrada delUPS. Use los kW de entrada del UPSencontrados en los datos delproveedor (en este ejemplo use 255kW). Si no está disponible delproveedor, se recomienda usar elsiguiente procedimiento y las pautaspara aproximar o calcular los kW deentrada del UPS.

kW de entrada del UPS + kWde recarga de la batería

kW deentrada del

UPS = Eficiencia del UPS

La salida del UPS para cargas decomputadoras generalmente se indicaen términos de kVA. Paraaproximación, si se conocen los kVAde salida del UPS y no se conocen loskW, use 0,9 pf (típico para sistemasde computadora).

Los kW de recarga de la bateríageneralmente varían de 0% a 25% dekW de entrada (15% es el valor típico).Si no conoce este valor, use 25% dekW de salida para obtener un valoraproximado.

Si no se conoce la eficiencia delUPS, se recomienda usar lassiguientes pautas:

Use 0,85 si UPS < 100 kW. Use 0,875 si UPS > 100 kW,

pero < 500 kW. Use 0,90 si UPS > 500 kW.

Nota: La entrada máxima con lossistemas redundantes es menor que laclasificación total de los sistemasindividuales.Parte B

Establezca el generador de tamañomínimo que contendrá la distorsión dela onda (calidad de energía eléctrica).



Cargador/Rectificador de seispulsos: Grupo electrógenoauxiliar mínimo =kW de entrada del UPS x 1,6.

Cargador/Rectificador de docepulsos: Grupo electrógenoauxiliar mínimo =kW de entrada del UPS x 1,4.

Parte CDetermine el tamaño del generador

para acomodar otras cargas. Cargador/Rectificador de seis

pulsos: Clasificación mínima degenerador auxiliar con otrascargas =(kW de entrada del UPS x 1,15)+ kW de otras cargas.

Cargador/Rectificador de docepulsos: Clasificación degenerador auxiliar mínimo conotras cargas =(kW de entrada del UPS x 1,10)+ kW de otras cargas.

Parte DCompare "B" y "C" para la selección

final. Seleccione el valor mayor de laParte B o la Parte C y aproxímelo algrupo electrógeno de tamañoinmediatamente más grande.Ejemplo:

Seleccione un grupo electrógenoauxiliar para suministrar potencia a unUPS clasificado a 200 kVA/180 kW.Otras cargas conectadas al grupoelectrógeno suman 100 kW.Solución:

Parte A: A partir de los datos delproveedor la entrada del UPS es 255kW.

Parte B: El Cargador/Rectificador esun circuito de seis pulsos, 255 kW.Grupo electrógeno auxiliar mínimo =255 kW x 1,6 = 408 kW.

Parte C: Determine el tamaño paraotras cargas. Clasificación degenerador auxiliar mínimo con otrascargas = (255 kW x 1,15) + 100 kW =393 kW.

Parte D: Seleccionar el valor mayorde la Parte B o la Parte C. El valor dela parte B (408 kW) es mayor que elde la C (393 kW); por tanto, serecomienda un grupo electrógenoauxiliar de mínimo 408 kW. Un grupoelectrógeno Caterpillar de 450 kWresultará apropiado para estaaplicación.

Las cargas del grupo electrógenofrecuentemente incluyen motoresgrandes para sistemas de aireacondicionado y otras funciones derespaldo. Luego de la selección delgrupo electrógeno en la Parte D, deberealizar una revisión para determinarsi el grupo electrógeno tiene lacapacidad skVA de arranque delmotor adecuada.

En casos especiales, puede serposible optimizar la economía alseleccionar un generador conclasificación auxiliar como sedetermina en la Parte D y usar unmotor con clasificación auxiliarproporcional con la carga kW total realdel grupo electrógeno. La carga kWtotal real son los kW de entrada delUPS más los kW de otras cargas.Potencia regenerativa

Algunas aplicaciones de motores,como elevación, dependen de motorespara el frenado. Si una cargamecánica hace que el motor gire másrápido que la velocidad sincrónica, elmotor actuará como un generador ysuministrará potencia al sis tema. Eltérmino "potencia regenerativa"algunas veces se usa para describir lapotencia producida por estas cargas.



Si ninguna otra carga está conectadapara absorber esta energía, estascargas harán que el generador actúecomo un motor, lo que posiblemen tecause sobrevelocidad en el motor yocasione una falla.

Sólo se puede usar la potencia defricción del motor para el frenado. Elexceso de potencia de fricción lleva asobrevelocidad del grupo electrógeno.

Para calcular la capacidad delsistema de superar la potenciaregenerativa, se recomienda demanera especial que sólo seconsidere la potencia de fricción delmotor. La potencia de fricción delmotor a velocidades sincrónicas estádisponible del fabricante del motor.Generalmente, un grupo electrógenotendrá un retardo deaproximadamente 10% de estaclasificación.

Cuando la combinación de la cargaconectada y de la potencia de friccióndel motor no son suficientes pararestringir la energía regenerativa,pueden añadirse bancos de cargapara proteger al grupo electrógeno dela regeneración.Transformadores

Los transformadores se usan en lossistemas de distribución de potenciapara aumentar y disminuir el voltaje opara propósitos de aislamiento delcircuito. Comúnmente se usan paradisminuir el voltaje de la línea detransmisión para voltaje del sistemade distribución útil y para disminuir elvoltaje de servicio o suministro para lautilización del voltaje del equipo delusuario.Corriente de magnetización deltransformador

Cuando se activa inicialmente u ntransformador, hay una corriente

inicial de arranque para llevarlo de unnivel de intensidad de campo residuala un nivel de intensidad de campo deestado estacionario normal. Lostransformadores tienen característicasinductivas similares para los motor escuando se cargan, con corriente dearranque inicial (magnetización) hasta40 veces la corriente a carga plenacuando se conectan a una fuente depotencia de una empresa de energíaeléctrica. Con una fuente degenerador, los valores de reactanciatransitoria del generador (X”d) limitanla corriente de arranque inicial a unvalor de 6 a 10 veces la corrientenominal del generador. Sin embargo,el proceso de acumulación de flujo enla excitación del generador sólo tomaunos pocos ciclos antes de que lacorriente regrese al nivel de corrientede excitación relativamente bajo. Elefecto en el grupo electrógeno puedeignorarse, pero si la fluctuación devoltaje de un equipo muy sensibledebe controlarse de cerca, lacapacidad kVA de la fuente depotencia debe incluir el arranque deesta carga de factor de potencia bajo.Generalmente, un grupo electrógenopuede activar un transformador que esdos a cuatro veces la clasificación kVAdel grupo electrógeno. Una caída devoltaje ocurre en los terminales delgenerador, casi como si hubieraocurrido un cortocircuito. Sin embargo,la acumulación de intensidad decampo del transformador se restauraen pocos ciclos.Pérdidas de eficiencia deltransformador

Los transformadores de potenciason relativamente eficientes. Laseficiencias típicas son de 95% a 99%a carga plena. La eficiencia es larelación de la salida de potencia real



con la entrada de potencia. Laspérdidas son principalmentesituaciones de pérdidas demagnetización sin carga y en laadición de pérdidas I2R causadas porla corriente de la carga.Tomas de transformadores

Las tomas de transformadorespueden usarse para ajustar los nivelesde voltaje. Los transformadoresconstan de una bobina principal y unasecundaria. El devanado de la bobinade un transformador puede tener unatoma para cambiar las relaciones degiro y ajustar el nivel de voltaje de unsistema. Vea la Figura No. 53.

Figura 53

Ejemplo:Para entender mejor las tomas de un

transformador, considere los sistemasde disminución de distribución de4.160 V a 480 V mostrados en lasFiguras No. 54 y No. 55.

En el sistema, el voltaje cae de 480V en el colector a 450 V en la carga.Pero, ¿qué pasaría si la cargarequiere más voltaje que 450 V desdeel generador de 4.160 V?Solución:

Una forma de solucionar la situaciónes con una toma de transformador de–5%, que aumenta el voltaje en lacarga a 474 V. Recuerde que la tomaajusta el nivel de voltaje total, pero nocambia la distribución del voltaje. Eneste ejemplo, el voltaje deltransformador habría aumentado de480 V a 504 V. Un reguladorautomático en un grupo electrógenotambién podría haberse usado paraajustar el voltaje total, en lugar de latoma del transformador.

Figura 54

Figura 55



Los transformadores tienen variedadde tomas. La Tabla No. 20 es unejemplo de las tomas encontradas enun transformador de 4.160-480 V.

Tomas de transformador de 4.160 -480voltios

Voltajeprincipal

Voltajesecundario Toma

3.952 480 –5%4.056 480 –21⁄2%

4.160 480 Clasificaciónnormal

4.264 480 +21⁄2%4.368 480 5%

Tabla 20

Cargas críticasLas cargas críticas son cargas que

no pueden tolerar caídas de voltaje yfrecuencia. Los centros de datos, elequipo de comunicaciones y el equipomédico son ejemplos de cargascríticas.Centros de datos/Computadoras

Los centros de datos requieren unafuente de potencia fiable. Losrequisitos de calidad de potenciadeben considerarse antes del diseñodel sistema de potencia. Por reglageneral, evite cargas SCR pesadas,cargas de conmutación de bloque yskVA de motores grandes en loscircuitos de potencia de equipo deprocesamiento de datos.Equipo de comunicaciones

El equipo de comunicaciones incluyeuna amplia gama de dispos itivoselectrónicos para la transmisión deinformación. Los más comunes sonequipo de transmisión de radio ytelevisión, equipo de estudio, equipode transmisores y de teléfonos.Generalmente, todos los dispositivospasan su suministro de potencia através de transformadores. Por tanto,

el factor de potencia es levementediferente a uno (1,0). La mayoría deequipo tolera variaciones defrecuencia de ±5%, excepto si se usala sincronización sincrónica de lafuente de potencia. Las variaciones devoltaje de ±10% generalmente sonaceptables debido a que los circuitoselectrónicos sensibles a variacionesde voltaje tienen un sistema decircuitos eléctricos de regulacióninterna.

Generalmente, la potencia parasistemas telefónicos complejos sesuministra desde la red eléctrica delsistema del edificio. Los requisitos deestabilidad de voltaje y frecuenciageneralmente no son severos, sinembargo, el equipo de carga debatería de estado sólido puede serparte de una carga y crearalteraciones a la fuente de potenc iadel generador.Equipo médico

El equipo de rayos X generalmenterequiere voltaje alto y de duración muycorta de los suministros de potencia.Ésta necesidad resulta en un flujo decorriente alto de corta duración, que asu vez resulta en demanda baja dekW a un factor de potencia cerca deuno (1,0).

El equipo de fuente de potenciadebe seleccionarse para mantener lacalidad de los rayos X. Cuando seactiva un equipo de rayos X, la caídade voltaje debida a la corriente dearranque inicial debe estar en 10 % oen la tolerancia recomendada por elfabricante.

Estas cargas generalmenterepresentan sólo una pequeña partede la carga del generador, de modoque la imágenes de rayos Xgeneralmente no se ven afectadas.



Consejos útiles de aplicación decarga

Pueden usarse algunas reglasgenerales si se requiere el sistemamás pequeño, pero a la vez el másefectivo en el sitio:

Durante el arranque de losmotores de la línea, el motormás grande debe arrancarseprimero y luego los motoresmás pequeñossecuencialmente.

Cuando se realiza el arranquede motores con mandoselectrónicos, no aplicanecesariamente la regla de"primero el motor más grande".Los mandos electrónicospermiten un mejor control de lacarga al controlar la carga decorriente máxima y la tasa de laaplicación de carga. Estascargas son más sensibles a lavariación de voltaje que losmotores arrancados "en lalínea".

Cuando hay cargas de UPS,cárguelas en último lugar. Losgeneradores son más establesy se ven menos afectados porcargas no lineales cuandoestas cargas han estadopresentes antes de aplicar lascargas no lineales.

Las cargas que tienen filtros ousan corrección del factor depotencia para la mejora de lacalidad de la potencia no debenaplicarse a un nivel de cargaliviana. Los elementoscapacitivos de estas cargashacen que el generador seasusceptible a grandesaumentos de voltaje.

Pérdidas de líneaLos alambres y cables de los

circuitos siempre tienen algunasresistencia al flujo de corriente. Estorepresenta una pérdida de potencia yuna caída de voltaje. Las pérdidasestán en función de la longitud de lalínea y de la capacidad de transmisiónde corriente de la línea. Estaspérdidas deben tenerse en cuenta.

La caída de voltaje de la línea puedeser una consideración muy importante.La caída de voltaje puede representaruna diferencia significativa entre elvoltaje generado y el voltaje entregadoen la carga. El cambio de caída devoltaje de la línea con cambio decarga también afecta la regulación devoltaje en la carga, si la carga varía .

Las pérdidas de potencia se calculancomo pérdida I2R en vatios okilovatios. La caída de voltaje secalcula como pérdida I2R. La cantidadde resistencia se basa en la longitud,el área transversal, la temperatura y elmaterial de los conductores. Losmanuales eléctricos estándarcontienen tablas de resistividad de losalambres y cables para realizar loscálculos. Las pérdidas de líneageneralmente no son un factor a teneren cuenta con longitudes cortas decable de tamaño apropiado.Cargas de factor de potencia

Los generadores sincrónicos yautoexcitados no están diseñadospara operar con carga de factor depotencia de conducción. El voltaje CAgenerado es controlado por laexcitación CC. La cantidad deexcitación requerida depende de lacarga del generador.

La excitación requerida paramantener un voltaje constanteaumenta con la carga. La carga de



factor de potencia de retraso reactivorequiere más excitación que la cargade factor de potencia de una unidad.Las cargas de factor de potencia deconducción requieren menosexcitación que las cargas de factor depotencia de una unidad. Cuando ungenerador tiene un factor de carga depotencia de conducción, el flujo delinducido reacciona sumándose al flujodel polo de campo para aumentar lasaturación y producir un voltajeterminal más alto para una cantidaddeterminada de excitación. Elregulador de voltaje automáticoresponde para controlar el voltaje alreducir la excitación. A carga liviana,el regulador irá a su capacidad deexcitación mínima. Sin embargo , laexcitación adicional de un factor depotencia de conducción hará que elvoltaje terminal aumente y no seacontrolado por el regulador de voltaje.

No es común que ésto ocurra conlos capacitores de corrección depotencia o con filtros de circuitosincronizados, que son conectados alos circuitos en condiciones de cargaliviana. Este mismo fenómeno puedeocurrir cuando se activan líneas detransmisión largas debido acapacitancia distribuida. Añadirreactancia al circuito es una soluciónposible para superar el problema.

Líneas de transmisión largasLas líneas de transmisión largas

pueden requerir tomar en cuenta losefectos de capacitancia de líneadistribuida. La definición de una líneade transmisión "larga" es un términorelativo y difícil de definir para laaplicación de un grupo electrógeno.Sin embargo, puede verse mediante elcircuito equivalente de una línea detransmisión, que hay capacitanciadistribuida entre las líneas y tierra; veala Figura No. 56.

La corriente de carga de la líneavaría con el voltaje, la longitud, laaltura y al espaciamiento de la línea,además de otros factores.

Un problema surge, especialmentecon una línea sin carga, donde la líneaque carga aparece como una cargade factor de potencia de conducción algenerador. Los factores de potenciade conducción mayores o iguales a0,95 pueden resultar en el voltajegenerado que va sin control al límitede la curva de saturación delgenerador durante la activación de lalínea. Tener alguna carga reactiva deretardo en la línea corregirá o evitaráeste problema.

Figura 56



Fórmula de pérdida de potencia delcircuito de dos cables

La fórmula para calcular las pérdidasde potencia para un circuito de doscables (CC o monofásico) es:

24 x L x I2

CM = P

Donde:P = Pérdida de potencia en vatiosL = Longitud (pies) de un circuito

de una víaCM = Sección transversal de un

conductor en mils circularesI = Representa corriente

EjemploSuponga que un motor monofásico

clasificado para entregar 7,5 hp a 115V está conectado a una fuente depotencia a través de un cable de cobreAWG No. 1 de 200 pies y un tamañode 83.690 mils circulares (CM).También, suponga que el motor tieneun flujo de 80 amperios a carga plena.¿Cuál es la pérdida de potencia?

SoluciónUse la fórmula para un motor

monofásico:24 x 200 x

802

83.690= P

El resultado es un pérdida depotencia de 367 vatios.

Fórmula de pérdida de potencia delcircuito de tres cables

La fórmula usada para calcular lapotencia de un circuito de tres cable s(asumiendo una carga equilibrada) es:

36 x L x I2

CM = P

Donde:P = Pérdida de potencia en vatiosL = Longitud (pies) de un circuito

de una víaCM = Sección transversal de un

conductor en mils circularesI = Representa corriente

EjemploSuponga que un motor trifásico

clasificado para entregar 100 hp a 230V conectado a una fuente de potenciaa través de un cable de 400 pies contamaño de 250 MCM. También,suponga que el motor tiene un flujo de248 amperios a carga plena. ¿Cuál esla pérdida de potencia?

SoluciónUse la fórmula para un motor

monofásico:36 x 400 x

2482

250.000= P

El resultado es un pérdida depotencia de 3.543 vatios.



Cargas monofásicasEn la generación de energía

trifásica, una carga monofásica es unacarga aplicada en una fase de voltajedel generador.

Si las cargas monofásicas seañaden al sistema trifásico, sepresenta una condición dedesequilibrio a menos que las cargasmonofásicas se distribuyanequitativamente entre cada una de lastres fases del grupo electrógeno.

Las pruebas han mostrado que eldesequilibrio del voltaje de fase demás de 2% en tres fases hará que elmotor se sobrecaliente, si éste operacerca de la carga plena. Algunosequipos eléctricos pueden verseafectados por un desequilibro de másde 2%.Equilibrio de la carga

Si el sistema de distribución eléctricacon un grupo electrógeno trifásicoconsta totalmente de cargas trifásicas,el sistema está equilibrado. Lasbobinas compensan en cadasuministro de tres fases del generadorla misma cantidad de corriente a lacarga. Sin embargo, si se agregancargas monofásicas a la cargatrifásica existirá una condición dedesequilibro a menos que las cargasmonofásicas se distribuyanequitativamente entre cada una de lastres fases del generador.

Los generadores operan mejor concargas equilibradas. Si las cargas noestán equilibradas, es probable elriesgo de sobrecalentamiento. Cuandose determina el tamaño de ungenerador, todas las cargas debenequilibrarse.

En muchas aplicaciones, equilibrarlas cargas monofásicas podría serpoco práctico. Si estas cargas son

pequeñas (menores o iguales a 10%de la capacidad kVA trifásica delgrupo electrógeno), una cargamonofásica no equilibrada no escausa de preocupación siempre ycuando cualquiera de las trescorrientes de línea no excedan lacorriente de línea nominal delgenerador.

Para determinar la carga monofásicamáxima que puede fluir de formasegura desde un generador queproporcione suministro de potenciamonofásica y trifásicasimultáneamente, use la Tabla No. 23de la Página 94100 para hacer loscálculos.Ejemplo No. 1 (generador deltacerrado)

Vea la Figura No. 57. Encuentre lacantidad de potencia monofásica quepuede fluir de forma segura en ungrupo electrógeno trifásico de 120 -240voltios y cuatro cables, clasificadopara entregar 100 kW a un factor depotencia de 0,8. La clasificación decorriente de la bobina del generadores 334 amperios. Suponga que lacarga monofásica conectada desdeuna línea a neutral, tiene un factor depotencia de operación de retardo de0,9 y que el grupo electrógenoproporciona suministro a una cargatrifásica de 50 kW a un factor depotencia de 0,08.

Figura 57



Solución 11. Primero, encuentre el flujo de

corriente desde cada una de la slíneas a través de la cargatrifásica.

1,732 x I X pf x V P X 1000P = 1.000 I = 1,732 x V x pf

50 x 1.0001,732 x 240 x 0,8 = 151 amperios

2. Encuentre la capacidad decorriente restante de la bobinapara la carga monofásica:

334 – 151 = 183 amperios

3. Encuentre la potencia monofásicadisponible:V x I x pf 120 x 183 x 0,9P = 1.000 = 1.000 = 19,8 kW

Ejemplo No. 2 (generador de conexiónen estrella)

Vea la Figura No. 58. El grupoelectrógeno está clasificado paraentregar 100 kW a un factor depotencia de 0,8. Ésta es una máquinatrifásica con una clasificación decorriente de la bobina de 334amperios. La carga trifásica a la quese proporcionará suministro es de 50kW a un factor de carga de 0,8. Lacarga monofásica consta de circuitode 120 voltios y de 208 voltios. Lacarga de 120 voltios tiene un factor depotencia de 0,9 y está conectadadesde neutral a un tramo. Este tramoes común con uno de los dossuministros de 10 kW a un factor depotencia de 0,8 a carga de 208 voltios.

Figura 58

Solución 21. Primero, encuentre el flujo de

corriente desde cada una de laslíneas a través de la cargatrifásica.

1,732 x I X pf x V P x 1000P = 1.000 I = 1,732 x V x pf

50 x 1.0001,732 x 208 x 0,8 = 173,5 amperios

2. Encuentre la capacidad decorriente restante de la bobinapara la carga monofásica:

334 – 173,5 = 161 amperios

3. Encuentre la corriente de cargamonofásica de 208 voltios:

P x 1000 10 x 1.000I = V x pf = 208 x 0,08 = 60 amperios

4. Encuentre la capacidad decorriente restante de la bobinapara la carga monofásica de 120voltios:

161 – 60 = 101 amperios5. Encuentre la potencia monofásica

disponible de 120 voltios:V x I x pf 120 x 101 x 0,9P = 1.000 = 1.000 = 10,9 kW



Ejemplo No. 3Vea la Figura No. 59. De manera

similar al ejemplo anterior, el grupoelectrógeno está clasificado paraentregar 100 kW a un factor de cargade 0,8. Ésta es una máquina trifásicacon una clasificación de corriente de labobina de 334 amperios. La cargatrifásica a la que se proporcionarásuministro es de 50 kW a un factor decarga de 0,8. La carga monofásicaconsta de circuitos de 120 voltios y208 voltios. La carga de 120 voltiostiene un factor de potencia de 0,9 yestá conectada desde neutral a untramo. A diferencia del ejemploanterior, este tramo no es común conuno de los tramos que suministran 10kW a un factor de potencia de 0,8 a lacarga de 208 voltios.

Figura 59

Solución 3 (generador de conexión enestrella)1. Primero, encuentre el flujo de

corriente desde cada una de laslíneas a través de la cargatrifásica.

1,732 x I X pf x V P x 1000P = 1.000 I = 1,732 x V x pf

50 x 1.0001,732 x 208 x 0,8

= 173,5amperios

2. Debido a que los 120 voltios es lacarga monofásica en este tramo,la capacidad de corriente restante

de bobina para la cargamonofásica de 120 voltios es173,5 amperios.

3. Encuentre la potencia monofásicadisponible de 120 voltios:V x I x pf 120 x 173,5 x 0,9P = 1.000 = 1.000 = 18,7 kW

Diagramas de una líneaLos diagramas de una línea

simplifican en gran medida los análisisde carga y del sistema.

Figura 60

El diagrama de una línea mostradaen la Figura No. 60 representa unsistema equilibrado. En el diagramade la parte superior, se muest ra elgenerador en sus tres fases, lascuales están separadas con una líneaa neutral de voltaje ELN. XS representala reactancia del generador. R L y XLson la resistencia de la carga y lareactancia de la carga,respectivamente. El diagrama delcentro muestra el equivalentemonofásico de las tres fases. Eldiagrama inferior es una simplificaciónadicional de lo anterior. Un diagramasimplificado con frecuencia se usa enla representación trifásica.



Ejemplo No. 4 - Determinación deltamaño del grupo electrógeno

En todos los siguientes pasos, seusarán la Figura No. 61 y la FiguraNo. 62 para especificar cómodeterminar el tamaño de un grupoelectrógeno Caterpillar, usando lainformación de la carga; La FiguraNo. 62 se usa cuando se consideranmotores con letras de código NEMA.1. Usando la información de la placa

de nombre, complete lainformación de la Parte I y II. Laeficiencia del motor puedeestimarse usando una tabla deeficiencias aproximadas como laTabla No. 21.

Eficiencias aproximadas demotores de inducción de jaula de ardilla

*

hp kWEficiencia

a cargaplena

5 a 7,5 4-6 0,8310 7,5 0,8515 11 0,86

20 a 25 15 a 19 0,8930 a 50 22 a 37 0,9060 a 75 45 a 56 0,91

100 a 300 74,6 a 224 0,92350 a 600 261 a 448 0,93

*Las eficiencias están influenciadassignificativamente por la clase de motor.

Tabla 21

Figura 61



Figura 62

2. La carga total del motor sedetermina calculando laseficiencias del motor y sumando ala carga resistiva; sume lascargas de sistemas deiluminación, otras cargasdiferentes del motor y las cargasdel motor.

3. Seleccione el motor (Parte IV)que se ajusta en frecuencia (Hz),configuración (gas, diesel,turbocompresión,posenfriamiento, aspiraciónnatural, velocidad y carga. Los Hzy la configuración se encuentranen la Sección I. La velocidad es apreferencia del cliente y la cargase determinó en la Sección II.

4. Determinación de tamaño delgrupo electrógeno: En la Sección

V llene en Parte A de todos losmotores usando la información dela placa de nombre. Minimice losrequisitos de arranque, realizandoprimero el arranque de losmotores más grandes. Laclasificación de los motores y elcódigo NEMA puedenencontrarse en la Sección II. LosskVA/hp se encuentran usando laletra de código NEMA de la TablaNo. 14 de la página 52. 57Halle los skVA de arranqueusando la siguiente fórmula:

LRA x V x 1,732skVV = 1.000

5. Los motores en línea disminuyenlos skVA para el arranque demotores adicionales. Para el ítem



B1 de la columna 1, el primermotor siempre es cero si hay másde un motor. El espacio No. 2 delmotor son los kW de la Sección IIdel primer motor de secuencia.Los kW adicionales del motor sesuman al total para cadaarranque del motor.Los ítems de la fila B2 se llenanusando la información de laSección II. Los ítems de la fila B3usan la fórmula de multiplicadorde carga previa del motor paradeterminar el porcentaje de cargadel motor.

La fórmula de multiplicador de cargaprevia del motor es B1 dividido entreB3, ó:

Todos los motores enfuncionamiento% Carga

del motor = Todos los motores enfuncionamiento y los que

están en arranque

X 100

Por debajo de 40%, el multiplicadores 1,0. Por encima de 40%, use unvalor del gráfico de la Figura No. 63.

Multiplicador de carga previa delmotor

Figura 63

Si se usa arranque de voltajereducido, multiplique los skVA por elfactor encontrado en la Tabla No. 22;llene los espacios de las columnas B6y B7.

Factores de arranque de voltaje reducidoTipo Multiplicar

los skVApor

Resistencia, reactor,impedancia

Toma de 80%Toma de 65%Toma de 50%Toma de 45%

0,800,650,500,45

AutotransformadorToma de 80%Toma de 65%Toma de 50%

0,680,460,29

Y arranque, funcionamiento 0,33

Estado sólido: Ajustable, consulte al fabricante ocalcule 300% de los kVA a carga plena (use 1 sino se usan ayudas de arranque de voltajereducido)

Tabla 22

Si no se usan ayudas de arran que,use 1,0.

La fila B8 puede llenarse usando lainformación de la Sección II.6. Use los valores de caída de

voltaje aceptable y de skVAefectivo para encontrar elgenerador apropiado enInformación de MercadotecniaTécnica (TMI). Complete las filasC1, C2 y C3 usando las cifras deTMI.

7. El tamaño del grupo electrógeno(VI) puede encontrarseseleccionando el modelo degrupo electrógeno más grandedel paso IV y V. (C1).



kVA de los circuitos CA

Tabla 23



Consideraciones de selección d e grupos electrógenosCuando se selecciona un grupo

electrógeno deben considerarse lossiguientes factores:

Tipo de carga Pasos de carga Equilibrio de carga Generador(es)

o Aumento de temperaturao Pasoo Gama de Voltaje

Tipos de cargaTodas las cargas son diferentes en

su necesidades de calidad depotencia. Una simple bombilla de luzincandescente no exige potencia decalidad alta. La cantidad de luzdisminuirá proporcionalmente para elvoltaje, pero la onda de frecuencia yvoltaje libre de distorsión no essignificativo. Otras cargas sonsensibles a las variables de voltaje.Las cargas generalmente se definencomo lineales y no lineales. Uno delos primeros pasos es separar lascargas en lineales y no lineales. LaTabla No. 24 proporciona ejemplos decargas lineales y no lineales.

Cargas linealesLas cargas lineales se definen como

cargas de corriente alterna (CA), quehacen fluir la corriente proporcional alvoltaje. Hacen fluir la corriente demanera uniforme, en ondassinusoidales durante todo el ciclo. Lacarga puede ser resistiva, inductiva(factor de potencia de inducción) ocarga capacitiva (factor de potencia deconducción) Independiente del tipo, elflujo de potencia en una carga linealserá sinusoidal.

Las fórmulas eléctricasconvencionales para determ inar lascaracterísticas eléctricas, como lacaída de voltaje, la medición del flujode corriente, el consumo de potencia ylos valores de calentamiento seaplican a las cargas lineales y seasume que no hay distorsión devoltaje y ondas de corriente.

Cargas lineales típicas son: Luces incandescentes Calentadores de resistencia Motores de inducción Motores sincrónicos Dispositivos electromagnéticos Transformadores (no

saturados)



Flujo de corrienteOndas devoltaje ycorriente

Ejemplos

Lineal Proporcional alvoltaje

Ondasinusoidal

Bombillas de luzincandescenteMotores sincrónicos y deinducciónDispositivos electromagnéticosCalentadores de resistencias

No lineal No proporcional alvoltaje

Pulsos Rectificadores controlados desilicioMandos de velocidad variableSuministros de potenciaininterrumpidaCargadores de bateríaLuz fluorescente

Tabla 24

Cargas no linealesUna carga eléctrica que cambia o

modifica la onda de corriente o voltajeque no es sinusoidal es una carga nolineal. Una carga que hace fluir lacorriente en pulsos es una carga nolineal.

El desarrollo y la aplicación decomponentes electrónicos de estadosólido ha aumentado las cargaseléctricas no lineales. Lossemiconductores, especialmente losrectificadores controlados de silicio(SCR) tienen la capacidad de"conectarse" o comenzar latransmisión en cualquier puntodurante la onda de voltaje aplicada yde trazar pulsos instantáneos decorriente. Estas demandas de pulsosinstantáneos resultan en armónicas,que a su vez resultan en cargas nolineales.

Otra fuente de cargas de flujo decorriente no sinusoidal es el equipomagnético saturado, como los

transformadores de balastrofluorescente y los reguladores dereactor de núcleo saturado.

Cargas no lineales típicas son: Rectificadores controlados de

silicio Mandos de velocidad variable Suministros de potencia

ininterrumpida Cargadores de batería Equipo de computación Luces fluorescentes y de

descarga de gas Transformadores (saturados)

Todos estos dispositivos requierencorriente, que no puedeproporcionarse sin causar algunadistorsión al voltaje de fuente aplicado.Las cargas no lineales en el sistemapueden causar problemas para otrascargas.



Contenido de armónicasLa desviación de una onda

sinusoidal pura y simple puedeexpresarse como ondas de frecuenciasinusoidal adicionales, que son unmúltiplo de la frecuencia generada.Estas frecuencias adicionales seconocen como armónicas.

Debido a que los generadorestrifásicos son magnéticamentesimétricos, lo que resul ta en lacancelación de armónicas regulares,sólo las armónicas irregulares sonnormalmente de cualquiersignificancia. Por ejemplo, una ondagenerada de 60 Hz tendrá 60 Hzfundamentales; 180 Hz, terceraarmónica; 300 Hz, quinta armónica;420 Hz, séptima armónica y asísucesivamente. La Tabla No. 25muestra las armónicas regulares eirregulares de un onda generada de60 Hz.

Una onda generada de 50 Hz tendrá50 Hz fundamentales; 150 Hz, terceraarmónica; 250 Hz, quinta armónica;350 Hz, séptima armónica y asísucesivamente.

En general, cuanto mayor sea elorden de armónicas, menor será lamagnitud de la armónica.

La Distorsión Armónica Total (THD)es la medición de la suma de todas lasarmónicas. La mayoría de cargasoperarán con una THD de 15% a 20%.Sin embargo, las cargas con equipoelectrónico sensible puedendesarrollar problemas con una THDmayor que 5%.

Las cargas no lineales causancorrientes armónicas. Estas armónicaspueden causar problemas de control ycalentamiento interno del generador,lo que limita su capacidad. Losgeneradores están diseñados paraproporcionar una salida determinada afrecuencias nominales de 60 Hz ó 60Hz. Es posible que un generadortransmita menos de su corrientenominal plena y sobrecaliente debidoa la corriente armónica generada porla carga no lineal. Las máquinas dedevanado conformado generalmenteproporcionan un mejor rendimiento enaplicaciones con armónicas altas.

En casos donde las cargas nolineales provocan un mayorcalentamiento del generador,generalmente se usan dos técnicaspara compensar esta situación. Lareducción de potencia es un método yusar un generador de mayor tamañopara el requisito de kVA es otrométodo.

Secuencia de frecuencia armónicaFundamental 2ª 3ª 4ª 5ª 6a 7a 8a 9ª

60 120 180 240 300 360 420 480 540

Tabla 25



Figura 64

Figura 65



Figura 66

Consideraciones delgeneradorCalentamiento del generador

Los generadores están diseñadospara proporcionar una salidadeterminada a frecuenciasfundamentales nominales de 50 Hz ó60 Hz. Las consideraciones de diseñoincluyen hacer el uso más efectivo delmaterial activo para cumplir con loslímites aceptables de aumento detemperatura. (Más información acercade este tema se encuentra en lasección "Clasificaciones del Motor")

Impacto de reactancia delgenerador

La reactancia subtransitoria (X”d) esun indicador principal de la cantidadde distorsión armónica creada por unacarga no lineal. La corr iente reaccionacon impedancia y causa la caída devoltaje. La reactancia interna de ungenerador para cambio de corrienteinstantánea es la reactanciasubtransitoria de eje directo (X”d). Ungenerador con el menor X”d por valorunitario de una carga determinada,tendrá típicamente el menor valor de



la distorsión armónica total encondiciones de carga no lineal.

La reactancia interna de ungenerador debido a la línea a neutral ola carga no equilibrada es lareactancia de secuencia cero (Xo).Las corrientes de 3ª armónica,conocidas también como armónicasde orden 3, producidas por la carga nose cancelarán en neutral y el resultadoserá el flujo de corriente neutral,incluso con cargas equilibradas. Elcircuito de armónicas de orden 3 es elmismo de los circuitos trifásicos contres ramas de línea paralela a neutralque comparten un neutral común.

El calor del conductor de fase decorriente de 3ª armónica neutralclasificada de 100% y otros efectosañadirán aproximadamente 6% a 7%de calor adicional. Esta 3ª armónicarelativamente alta requeriría sólo 6% a7% de reducción de potencia delgenerador. Ésto puede creardistorsión de la onda de voltaje delgenerador y en consecuencia, podríatener efectos en los dispositivosprotectores del circuito y en otroselementos externos del circuito.

Si la carga genera 3ª armónicas, lacorriente neutral puede volverse unpoco mayor. El generador realmentetolerará una cantidad medianamentegrande de flujo de corriente de 3ªarmónica en el neutral con unaumento moderado de calor delgenerador.

Ésto no es común para unainstalación tener bancos grandes deluces fluorescentes y/o circuitos deequipo de computación personalmonofásicos, lo que crea grandescantidades de corriente de 3ªarmónica. Para estos circuitos puederequerirse un conductor neutral más

grande que el de clasificación mediaconvencional. Afortunadamente, eldiseño de muchas de estasinstalaciones incluye pasos parareducir la corriente de 3ª armónicaantes de que llegue al generador.Cuando las cargas están conectadasde línea a línea al colector delgenerador, sin una conexión neutral osuministradas a través de untransformador de estrella -triángulo,cualquier armónica de orden 3,causada por la carga, no esreconocida por el generador.

Este efecto de bloque de armónicas,aunque deseable para el generador yotras piezas del sistema dedistribución, puede llevar acalentamiento excesivo deltransformador.

Los generadores que operan a 400voltios o más generalmenteproporcionan suministro a cargas através de transformadores dedistribución estrella-triángulo. Puedenhaber excepciones; de especialcuidado es dónde están conectadaslas lámparas de descarga de gasdirectamente al generador en voltajede línea a neutral, sin beneficio detécnicas de reducción de armónicas.Con frecuencia, los generadores máspequeños (generalmente por debajode 100 kW) suministran potencia a lacarga directamente a 208/120 voltioscon una conexión de estrella. Encualquier momento que las cargasestén conectadas directamente algenerador, línea a neutral, lasposibilidades de corriente de 3ªarmónica deben considerarse.Distorsión de onda

Las distorsiones de onda sonmayores en un grupo electrógeno quecuando las cargas están conectadas a



la potencia de la central. Un generadorpuede compararse con otros por elnivel de distorsión cuando opera acarga plena. Debido a que las cargasmás grandes aumentan las armónicas,la carga plena debe usarse paracomparación precisa. Generalmente,se especifica una THD igual o menorque 5%, con no más de 3% decualquier armónica.

La magnitud de la distorsión de unaonda de voltaje causada por lademanda de corriente no lineal delrectificador/cargador está en funciónde la impedancia de la fuente. Laimpedancia de la fuente no es un valortan fácil de definir debido a que lareactancia del generador varía con eltiempo posterior al cambio repentinode carga. La reactancia subtransitoriadel generador (X”d) y la constante detiempo de corto circuito subtransitorio(T”d) son los parámetros principalesque influencian la distorsión durante laduración corta de los períodos deconmutación SCR.

Un generador auxiliar tiene demanera característica impedancia másalta que un transformador. Además decontribuir a la diferencia deimpedancia es con frecuenc ia unadiferencia significativa en laclasificación kVA de dos fuentes.Cuando el transformador de fuente deuna instalación frecuentemente tieneel tamaño para la carga total de lainstalación, el grupo electrógenoauxiliar sólo tiene tamaño paratransmitir cargas críticas o deemergencia. Un generador puedetener 5 a 100 veces más reactanciasubtransitoria que el transformador deuna fuente normal.

En consecuencia, las cargas nolineales que trabajan bien en laempresa de energía eléctrica, pueden

reaccionar completamente diferentecuando reciben potencia de un grupoelectrógeno. Puede ayudar en algo eluso de un generador de mayortamaño para reducir la reactancia. Sinembargo, obtener una reducciónsignificativa de la reactanciageneralmente no resulta económico.Se requiere duplicar la clasificacióndel generador para reducir lareactancia a la mitad.

La amortiguación con otras cargasreduce la reactancia efectiva delcolector. Los motores, en particular,actúan como absorbedores deirregularidades de voltajemomentáneas y reducen el contenidode armónicas de la línea.Generalmente, las funciones derespaldo del área de informática,como los sistemas HVAC, lossistemas de agua enfriada, lossistemas de protección contraincendios y la iluminación del saló ntambién deben conectarse al grupoelectrógeno auxiliar. Con frecuencia,estos sistemas de respaldo son tangrandes o más grandes que la cargade un UPS. Frecuentemente es muyrecomendado, por razones deoperación del sistema y distribución,tener motores gestores de airepequeños, trifásicos y defuncionamiento continuo en lacomputadora y un salón UPS quecomparta un alimentador común o untransformador de potencia con el UPS.

Las cargas resistivas son efectivaspara minimizar la distorsión de laforma de onda causada por el "efectode zumbido". La resistencia actúacomo un amortiguador de la oscilaciónen un circuito resonante. Añadir unacarga de resistencia es una técnicausada como tratamiento paraminimizar la distorsión de onda



causada por la oscilación del sistema.Esto, sin embargo, sólo es efectivo sioscilaciones de frecuencia alta son lacausa del problema. Si se añade unelemento de resistencia estrictamentepara propósitos de tratamiento, laadición de un condensador en seriecon el resistor reducirá la corrientefundamental con un efecto mínimo enla amortiguación de la frecuencia alta.

Añadir un filtro de paso bajo a lasalida del generador para atenuaciónde las armónicas prevalentes esteóricamente posible, sin embargo,debe considerarse como últimaopción. Los filtros de circuitossincronizados prácticos generalmenterepresenta compromisos y puedeintroducir más problemas porsolucionar. El tamaño y el costo delcomponente también son factoreslimitantes. Una mejor estrategia esespecificar o añadir filtros y otrasopciones de atenuación de armónicas,como transformadores de aislamientoen la fuente de distorsión. Consultar alproveedor del UPS generalmentemostrará las opciones disponibles.AVR y excitación del generador

El regulador de voltaje debecontrolar el voltaje de salida delgenerador a pesar de que la cargacause una onda distorsionada.Pueden usarse varias técnicas paracumplir con esta tarea.

La detección trifásica minimiza losefectos de distorsión de la onda alproporcionar un promedio de las tresfases en un instante determinado.Debido a que los SCR de las cargasde rectificador trifásicas no "entran" enel mismo momento, se procesa unaseñal promedio de distorsiónminimizada de las tres fases. Encomparación, un regulador de

detección monofásico detectará ladistorsión severa que ocurre en unmomento determinado durante el ciclode una fase. El generador tiene unared de detección trifásica con unneutral de flotación comocaracterística estándar. Así, laalteración de voltaje en cualquier fasecambiará el neutral, pero afectarásignificativamente el voltaje que va alregulador. Los cortes de la forma deonda se bloquean efectivamentedesde el regulador.

Los circuitos del regulador debenincluir características para aislar elcontrol de potencia del campo de losefectos de distorsión. Si usan SCR enel regulador, deben usarse circuitospara evitar la distorsión de los SCR decarga que interfieren con la activaciónde los SCR del regulador.

La potencia de campo del generadordebe filtrarse para minimizar lainteracción con la distorsión de lacarga. Un regulador bien filtradocombinado con el filtrado inductivoinherente de un generador de diseñosin escobillas elimina prácticamenteeste problema. El generadorautoexcitado tiene un regulador bienfiltrado y un sistema de excitación queproporcionan control de voltaje yestabilidad de calidad equivalente quese obtiene con un excitador piloto deimán permanente. También estotalmente capaz de sostener laexcitación durante los períodos decorto circuito que ocurren durante laconmutación de SCR de carga sin elbeneficio de las opciones desostenimiento de la excitación. Unexcitador de imán permanente,aunque capaz de sostener laexcitación durante una condición defalla sostenida, no tiene la ventaja deproporcionar excitación durante la



duración corta de la conmutación deSCR de carga. No se requieren filtrosreguladores adicionales ocaracterísticas optativos para todoslos generadores para aplicaciones deUPS.Determinación de la distorsión

Debe realizarse una revisión delsistema de distribución del grupoelectrógeno completo para determinarsi hay cargas que requieran unafuente con onda de distorsión baja. Amenos que el sistema del grupoelectrógeno sea grande, es muycomún para otras cargas compartir ungenerador común con el UPS. Si sesospecha de cargas sensibles a ladistorsión, debe contactarse a unasesor o a un diseñador del sistemade distribución que conozca el efectoadverso y cómo evitar la distorsiónarmónica.

Para calcular la distorsión armónicatotal en un punto del sistema dedistribución, el asesor requiere teneracceso a los datos del sistema, comoreactancia subtransitoria yclasificación kVA del generador ycualquier otra máquina giratoria,reactancia y resistencia detransformadores, cables y otroselementos del circuito, así comocaracterísticas de la distorsión nolineal que produce el dispositivo.

El impacto del paso del generadoren las corrientes armónicas generadaspor la carga depende en gran medidade la configuración del sistema. Éstogeneralmente tampoco tieneconsecuencias, excepto en casosespeciales. Cuando se proporcionasuministro a cargas no lineales que notienen conexión a neutral, el paso dela bobina no afecta la distorsión deonda del voltaje.

Paso del generadorLos generadores no producen una

onda sinusoidal perfecta. Por tanto, segeneran algunas armónicas.

Para producir voltaje, un generadorsincrónico tiene una estructuraexcitada por corriente continua (CC)que consta de polos magnético s nortey sur alternos, generalmente en elmiembro giratorio del generador o delrotor. El campo magnético producidobarre el inducido (generalmente elestator) e induce voltaje en lasbobinas ubicadas en las ranuras delinducido. Cuando la distribución decada una de estas bobinas esexactamente igual a la distribución delos polos de campo norte y sur, el flujomagnético máximo es contenido por labobina y se produce el voltajemáximo. Esta posición de las bobinasse conoce como devanado de "pasocompleto" Muy pocas máquinas tienendevanado de paso completo debido aque el devanado requiere excesivasvueltas de alambre de cobre y a queproporciona poco control dearmónicas. La mayoría de losgeneradores tienen devanados depaso fraccionado.

La magnitud y la frecuencia de lasarmónicas generadas por la máquinavariarán con el factor de paso y otrosparámetros de diseño.Paso de 2/3

El devanado de paso de 2/3 se dio aconocer cuando los fabricantes degeneradores pequeños devanaron susmáquinas en conexión en triángulopara combinar las tres fases y los trescables. Algunas veces se piensa quelos generadores con paso de 2/3tienen una ventaja con las cargas nolineales debido a su reactancia desecuencia cero baja (Xo — una



reactancia baja para la corriente d esecuencia cero de 3ª armónica). Sinembargo, las 3ª armónicas oarmónicas de orden 3 generalmenteno están presentes en las cargas derectificadores trifásicas, como las deUPS o mando de motor de velocidadvariable, y esta característica sevuelve insignificante. Además, ungenerador de paso de 2/3generalmente provocará 5ª y 7ªarmónicas más altas que llevarán alcalentamiento adicional de losmotores debido a su frecuencia másalta. En casos con cargas no linealesmonofásicas conectadas directamentede línea a neutral al generador, elgenerador de paso de 2/3 tiene elpotencial de minimizar, pero no evitartotalmente, la distorsión de onda devoltaje (carga creada) de 3ª armónica.Cargas no lineales y paso de 2/3

Las cargas no lineales generancorrientes armónicas que causandistorsión de onda del generador.Para cargas trifásicas equilibradas, ladistorsión es causada por la caída devoltaje debida a las corrientesarmónicas de reactancia subtransitoriadel generador. La reactanciasubtransitoria de un generador no estáen función del paso de la bobina. Portanto, el paso de la bobina no afecta ladistorsión de onda.

La reactancia de secuencia cero deun generador es efectiva sólo paracorriente que fluye en la línea neutral.Las cargas monofásicas no li nealesgeneralmente generan corrientes de3ª armónica. Cuando estas cargas seconectan de manera equilibrada a ungenerador trifásico, las corrientes de3ª armónica se adicionan en neutralpara producir corrientes neutrales muyaltas.

Sólo cuando la carga está conectadadirectamente al generador lareactancia de secuencia cero baja deun generador de paso de 2/3 reduce ladistorsión de la onda de voltaje. Si lacarga es suministrada a través de untransformador estrella-triángulo, lascorrientes de 3ª armónica no aparecenen el generador y el devanado depaso de 2/3 no ayuda a reducir ladistorsión.Operación en paralelo y paso de 2/3

La operación en paralelo degeneradores de paso diferente puedecausar distorsión armónica. Unacorriente circulante fluirá entre losgeneradores en paralelo si no tienenondas iguales de voltaje generado. Elflujo depende de la diferencia devoltaje. En algunos casos, puede nohaber una ventaja para el devanadode paso de 2/3 cuando está enparalelo.

Cuando se opera en paralelo conuna empresa de energía eléctrica eldevanado de paso de 2/3 puede seruna desventaja debido a la reactanciade secuencia cero baja.Generalmente, el flujo de corriente de3ª armónica en el neutral es de mayorsignificancia. Pueden instalarsereactores, resistencias o interruptorespara limitar estas corrientes.Aplicaciones que requieren paso de2/3

Cuando hay una operación enparalelo, es deseable hacercorresponder el paso de losgeneradores existentes. Si losgeneradores existentes tienen un pasode 2/3 es preferible otro generador depaso de 2/3. Las cargas no linealesmonofásicas que están conectadas demanera equilibrada con un conectorneutral directamente al generador



también son una aplicación aceptablede un paso de 2/3. Un ejemplo de éstoes el L-N de iluminación de 277 V.Otras consideraciones de selecciónde grupos electrógenos

Algunas veces una instalacióntendrá situaciones de reconexión. Porejemplo, si un grupo electrógeno seestá ubicando en un sitio y luego semueve a otro sitio (quizá condiferentes aplicaciones), tendrá quevolverse a determinar el tamaño delgrupo electrógeno para cumplir conlos diferentes requisitos de ambossitios. También es posible que uncliente sepa que se cambiarán lasinstalaciones eléctricas de 480 V a240 V. Tal situación requerirá unaconsideración especial cuando sedetermina el tamaño del generador.Gama de voltaje/Número de cables

La gama de voltaje y el número decables necesitan considerarse, demodo que el grupo electrógeno puedaajustarse al trabajo realizado.

Las fases típicamente se disponenen una configuración de estrella, comose muestra en la Figura No. 67 o enuna configuración de triángulo como lamostrada en la Figura No. 68.

Conexión DE ESTRELLA

Figura 67

Conexión de triángulo

Figura 68

La conexión de fase de estrella tieneun punto neutral, con frecuencia conconexión a tierra. La conexión entriángulo no tiene un punto neutral. Laconfiguración de estrella se usa concargas trifásicas o con cargas de líneaa línea. Las conexiones en triángulose usan con cargas monofásicas ytrifásicas. Las conexiones en triángulose encuentran en comunidadesrurales donde no hay disponiblesconexiones trifásicas. Un generadorpuede perder hasta la mitad de suclasificación si una configuración entriángulo se une a un sistema trifásico.Lo más común para los generadores



es tener 12 ó 6 cables. La Figura No.69 muestra una conexión de estrellade seis cables y la Figura No. 70muestra una conexión de triángulo deseis cables.

Conexión DE ESTRELLA de seiscables

Figura 69

Conexión de triángulo de seiscables

Figura 70

Una conexión de estrella de docecables es la más común enNorteamérica. Ésta permite la mayorversatilidad debido a las múltiplesconfiguraciones permitidas.

Un generador de 480 V de docecables, de conexión de estrellageneralmente se requiere paracompresores de aire más grandes,

motores, enfriadores y manejadoresde aire. 240 V es típico para motorestrifásicos más pequeños. 120 V escomún para equipo de oficina ymotores monofásicos pequeños.

Antes de seleccionar un grupoelectrógeno, la corriente entrante debecorresponder con el cable neutral. Sino corresponden, la corriente seperderá en el generador, lo quedebilitará el aislamiento. Losalternadores deberían ser mássusceptibles a la contaminación y lafalla. La protección diferencial es unítem preventivo que revisa la corrientey determina si el neutral correspondecon la corriente entrante.Selección de voltaje del grupoelectrógeno

Caterpillar identifica tres tipos devoltaje:

Bajo Mediano Alto

El voltaje bajo es el voltaje de unnivel local o parcial de un sitio. 600 Vo menos con 800 kVA es la gama declasificación de voltaje bajo.

El voltaje mediano es unaclasificación de distribución de nivelbajo. Este voltaje se distribuye parasuministrar potencia a sitiosresidenciales y otras instalaciones.601 V a 5.000 V con 5 a 10 MVA es lagama para la clasificación mediana.

El voltaje alto fluye en regiones y esel voltaje en la empresa de energíaeléctrica o de la red nacional. 5.001 Va 15.000 V usados con MVA mayoresque 10 se consideran alto voltaje.



La Figura No. 71 muestra un voltajefrente al gráfico kVA, indicandoselecciones de voltaje bajo, mediano yalto.

Dependiendo del tipo de voltajeaplicable ayudará a determinar eltamaño del grupo electrógenorequerido.

Figura 71

Instalaciones con variosmotores

En algunas situaciones, esobligatorio el uso de más de un grupoelectrógeno. En otros, puede probarseque resulta más económico tener másde un grupo electrógeno. Cuando lacarga es muy grande para una solaunidad, dos o más gruposelectrógenos pueden operar enparalelo al conectarseelectrónicamente.

Instalaciones críticas en que lafuente de potencia principal es ungrupo electrógeno pueden requerirpotencia de respaldo adicional. Unsegundo grupo electrógeno capaz detransmitir cargas pequeñas debe estardisponible en caso de una falla delgrupo primario y para uso duranteperíodos de mantenimiento del grupoprincipal.

Los casos en que múltiplesinstalaciones de grupos electrógenospueden probar ser más económicasson aquellas donde hay una variacióngrande en la carga durante eltranscurso del día, la semana, el meso el año. Dicha variación es típica enplantas en las cuales las operacionesse realizan durante el día, mientrasque existe poca carga en la noche.Cuanto más cerca de la cargacompleta esté el grupo electrógeno,mayor será la economía decombustible por kilovatio producido.Por tanto, el uso de un grupoelectrógeno pequeño para energizarcargas de iluminación en horas nopico, con frecuencia resulta eneconomía de combustible a largoplazo.

En instalaciones donde la carga novaría hasta los extremos encontradosentre las condiciones diurnas ynocturnas, algunas veces resultarentable compartir la carga entrevarias unidades pequeñas deoperación en paralelo. Cuando lacarga es más liviana, puedenapagarse una o más unidades ; así,las demás unidades se cargan cercade su capacidad. Por ejemplo, estetipo de sistema es beneficioso cuandola demanda de carga es estacional ocuando es necesario el mantenimientoo debe evitarse una interrupción depotencia.Operación en paralelo

Los grupos electrógenos puedenoperar en paralelo con otros gruposelectrógenos o con una empresa deenergía eléctrica. Para operar enparalelo, las dos unidades debencorresponden con la secuencia defase y la frecuencia de voltaje;manejar las corrientes neutrales ,operar con la misma rotación



direccional de frecuencia y producirondas sinusoidales casi exactas. Sólodespués de que estas condiciones secumplen las unidades puedenconectarse mediante un disyuntor.

Las luces de sincronización o losmedidores se usan en una operaciónen paralelo manual para confirmar quese cumplen los requisitos de rotación yde voltaje de fase. En la operación enparalelo automática se usandispositivos de medición automáticosy de control electrónico.

Las luces sincronizadas tienenlámparas, como se muestra en laFigura No. 72, opacas y brillantes.Cuando las unidades están en fase,las luces son más opacas y eldisyuntor puede dispararse paracompletar la operación en paralelo. Sino corresponde con la secuencia defase, las lámparas nunca seprenderán o apagarán al mismotiempo.

Un medidor de sincronización, comoun sincroscopio, mostrado en laFigura No. 73 y en la Figura No. 74,puede usarse en lugar de luces desincronización para sincronizar dos omás grupos electrógenos. La dir ecciónen que gira el puntero indica si lafrecuencia del generador entrante esmenor o mayor que la frecuencia delgenerador en línea.

De manera similar, la frecuencia enla cual gira el puntero indica lamagnitud de la diferencia de velocidadentre los grupos electrógenos. Paraoperación en paralelo, la velocidad delmotor se cambia hasta que el punterodel sincroscopio gira muy lentamente

(menos de 10 rpm), nuevamente semantiene el grupo electrógenoentrante más rápido que el grupoelectrógeno ya conectado. Cuando elpuntero está en la posición cero, eldisyuntor puede cerrarse, para asísincronizar las unidades.

Figura 72



Ejemplo de un medidor de sincronización

Figura 73



Figura 74

Generalmente, los gruposelectrógenos idénticos operaran enparalelo sin problemas. Sin embargo,cuando unidades diferentes operan enparalelo, deben tenerse en cuenta lossiguientes efectos:

Configuración del motor: Larespuesta a los cambios decarga se verá afectada por eltamaño del motor, elturbocompresor, el tipo deregulador y el ajuste. Esprobable un desequilibriotemporal de las cargas kWdurante el cambio de carga,pero puede estabilizarserápidamente.

Diseño del generador: Lascorrientes circulantes y lascorrientes armónicas se sumana la corriente de carga básica,lo que aumenta la temperaturade las bobinas y hace que eldisyuntor del circuito sedispare. La corriente circulantese minimiza con el ajustecorrecto del regulador. Lainteracción armónica entre losgeneradores debe calcularsepara determinar lacompatibilidad.

Diseño de regulador: Puedeusar la regulación de voltajeautomática o análoga (AVR) de

diseños diferentes cuando losgeneradores operen enparalelo. Cuando reguladoresde voltaje constante operan enparalelo con tipos de voltios porHertz, puede anticiparse undesequilibrio durante loscambios de carga transitoria.

Cuando una carga se aplicarepentinamente, las unidades devoltaje constante intentan suministrarel requisito total. Como el generadorde voltaje constante disminuye lafrecuencia, la unidad de voltios porHertz comienza a compartir la carga.El desequilibrio de carga temporaltermina y la carga kW se comparteentre los generadores.

Cuando dos o más generadoresoperan en paralelo, es como siestuvieran acoplados mecánicamente.Éstos operarán a la misma velocidad,pero no necesariamente tendrán lamisma salida de potencia. Lacontribución de potencia de cadamotor es controlada por la salidarelativa del sistema de combustible.Caídas y reguladores

Caída es cuando el regulador reducela velocidad con un aumento de carga.La velocidad es la más baja a cargaplena y la más alta sin carga. La caídase expresa como un porcentaje de lavelocidad nominal. Es típica una caídade 2% a 3%.

Dos unidades sincrónicas, queoperan en paralelo, operarán a unavelocidad constante (sin caídas) ypermanecerán estables, ya sea sincarga o con carga máxima. Las cargasintermedias se alternaránaleatoriamente entre los generad ores.Pueden instalarse reguladoreselectrónicos para limitar estainestabilidad haciendo que la carga se



comparta más equitativamente. Estaestrategia es especialmente efectivapara permitir que muchas unidades detamaño diferente compartan la cargaen proporción con su tamaño.

Un generador sincrónico tambiénpuede operar en paralelo con unaunidad de caída. Si la carga estánormalmente en 50% o más que launidad de caída puede controlar lacarga hasta de 50%. Luego, la unidadsincrónica recoge la carga de 51% a100%. La unidad de caída no puedevariar su carga debido a que suregulador sólo puede tener unaposición de la cremallera en laconfiguración de velocidad sincrónica.

Si la carga está normalmente pordebajo de 50% de la nominal,entonces el generador de velocidadsincrónica se configurará a lavelocidad nominal y controlará todaslas cargas hasta de 50%. Si la cargaexcede 50%, la unidad sincrónicareduce la velocidad y la unidad decaída toma la carga adicional. Launidad sincrónica permanecerá en suvelocidad reducida (la mismavelocidad de la unidad de caída),hasta que la carga caiga por debajode 50%.

Si las dos unidades están en caída,la compartición de carga se realizainmediatamente después de que seajusten a la misma velocidad alta envacío. Si no hay carga conectada,cada unidad permanecerá envelocidad alta en vacío. Si hay cargaplena conectada, las dos unidadesdeben operar a velocidad nominal(regulador a configuración de cargaplena). Todas las cargas intermediasentre "sin carga" y "carga plena"actuarán según el caso, aunque lafrecuencia variará. Debido a que losgeneradores deben operar a la misma

velocidad y que una velocidad dadaresulta en una posición de lacremallera con una caída deregulador, los generadores operaránaproximadamente a la misma salidade potencia.Compensación del regulador

Cuando dos o más unidades operanen paralelo, los reguladores debencontrolar la excitación de losalternadores, de modo que compartanla carga reactiva. Dos métodosusados para regular la excitación son:

Compensación de caídareactiva

Compensación diferencialreactiva (contracorriente)

La compensación de caída reactivano requiere de una interconexión decables entre los reguladores. Durantela operación de compensación decaída en paralelo, el voltaje del grupoelectrógeno cae (disminuye) a medidaque aumenta la carga de factor depotencia de retraso reactiva.

La compensación diferencial reactiva(contracorriente) requiere la adición decables interconectados entre loscircuitos secundarios deltransformador de corriente y permite laoperación en paralelo sin caída devoltaje con carga reactiva.

La compensación de contracorrientepuede usarse sólo cuanto todos lostransformadores de corriente deoperación en paralelo de todos losgeneradores que suministran potenciaal grupo electrógeno están en el buclede interconexión secundaria CT.Debido a este requisito, la operaciónde compensación de contracorrienteno puede usarse cuando un sistemade generación está operando enparalelo con la red de potencia de la



central. El voltaje de la empresa deenergía eléctrica puede variar losuficiente para causar corrientecirculante alta en un generadorparalelo. Debe usarse controladoresKVAR para ajustar el voltaje delgenerador para corresponder con l aempresa de energía eléctrica yminimizar la corriente circulante.Control de carga

Hay muchas decisiones que elpersonal de la instalación debe tomary que afectarán la determinación detamaño. La priorización de la carga esuna decisión que un fabricante expertopuede ayudar a tomar o clarificar, perono imponerla. El usuario final debedecidir el orden de aceptación de lacarga, el orden de liberación de lacarga, el orden de arranque de launidad, el orden de apagado de launidad y/o la redundancia.

El orden de aceptación de cargadetermina qué cargas son críticas ydeben ser aceptadas por cuálgenerador.

La liberación de carga determinaqué cargas no son críticas y eliminaesas cargas para que cargas máscríticas o cargas adicionales tengan laprioridad.Orden de carga

El personal del sitio debe determinarel orden de arranque de los gruposelectrógenos. Si el arranque del grupoelectrógeno No. 1 siempre se realizade primero, acumulará horas y gastosde mantenimiento en una tasa altacomparado con las unidadesrestantes.

El "babeo" (Slobbering) puede serotro problema encontrado en losgrupos electrógenos. La última unidaden arrancar puede cargarseligeramente y se dice que está

"babeada". El "babeo" es el resultadode aceite de lubricación absorbido p orel cilindro en condiciones de cargabaja. Ésto no contribuye a una vida útillarga ni a un buen rendimiento.

Un sitio puede requerir un suministromás pequeño de electricidad en el finde semana, cuando las cargas no sontan grandes. Pueden instalarse g ruposelectrógenos de tamaños diferentes,en donde el más grande trabaje entresemana y el más pequeño los fines desemana.Apagado de la unidad

El orden de apagado de la unidad sedetermina analizando qué cargaspueden eliminarse en ciertosmomentos, mientras otras cargaspermanecen conectadas.Nuevamente, requiere tenerse encuenta las implicaciones demantenimiento si se determina que elmismo grupo electrógeno se apagarásiempre de primero.

La redundancia se refiere al métodode adquirir uno o más gruposelectrógenos que se requieren paraoperar a carga plena. Esespecialmente importante para cargasdonde un porcentaje importante escrítico. Con grupos electrógenosadicionales, el tiempo muerto puedemantenerse al mínimo, gracias a queun grupo electrógeno adicionalsiempre está libre para ser conectado.La Figura No. 75 muestra al grupoelectrógeno No. 5 como un motor degiro; este motor puede usarse pararespaldo, ya sea para un grupo decargas críticas si uno de los motoresrequiere servicio. El manten imientoprincipal puede realizarse en un grupoelectrógeno mientras el adicional estáconectado. Si dos o más gruposelectrógenos adicionales están



presentes, entonces el mantenimientopuede realizarse en dos o más quetengan un respaldo para el sistemacuando otro está en servicio.

Figura 75

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