INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”
“IMPLEMENTACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR
SERVICIOS GENERALES DE ESCUELAS PRIMARIA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A:
JOSUE RUIZ FERNANDEZ
ASESORES:
M. EN C. JUAN FRANCISCO NOVOA COLIN ING. FERNANDO SANCHEZ MARTÍNEZ
INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA
UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS"
TEMA DE TESIS
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
QUE PARA OBTENEREL TITULO DE
TESIS Y EXAMEN ORAL INDlVIDUAL
POR LA OPCION DE TITULACION
C. JOSUE RUlZ FERNANOEZ
DEBERA(N) DESARROLLAR
"IMPLEMENTACiÓNY PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE
ESCUELAS PRIMARIA"
INSTALAR Y PR()PONER EN MARCHA PLANTA DE EMERGENCIA GtNERADORA DE CORRIENTE ALTERNA (CA) TRIFÁSICA DE 80 KW A GAS LP, CON ACCIONAMIENTO MANUAL
Y AUTOMÁTICO.
• JUSTifICACiÓN
• PLANTA DE EMERGENClA • PLANTEAMIENTO
• MEMORIA TÉCNICA DE PLANTA DE EMERGENCIA
• INSTALAClON y PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA • COSTO-BENEfiCIO
• CONCLUSIONES • ANEXOS
MÉXICO D.F. A 14 DE .JUNIO DE 2010
ASESORES
/.If
M. EN C. JUAN
ｆｾ
NOVOA COLaNINDICE
OBJETIVO GENERAL 5
OBJETIVOS PARTICULARES 5
JUSTIFICACIÓN 6
INTRODUCCION 7
CAPITULO I: PLANTAS DE EMERGENCIA DE CA
81.1MAGNETISMO 9
1.1.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA 9
1.1.3 LAS EXPERIENCIAS DE FARADAY 10
1.1.4 FLUJO MAGNETICO 12
1.1.5 LEY DE FARADAY – HENRY 13
1.1.6 EL SENTIDO DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS 14
1.1.7 CORRIENTES INDUCIDAS 15
1.1.8 LA FUERZA ELECTROMOTRIZ SINUSOIDAL 16
1.2POTENCIA 17
1.2.1 TIPOS DE POTENCIA 17
1.2.1.1 POTENCIA ACTIVA O RESISTIVA (P) 17 1.2.1.2 POTENCIA REACTIVA O INDUCTIVA (Q) 18 1.2.1.3 POTENCIA APARENTE O TOTAL (S) 18
1.3 FACTOR DE POTENCIA 19
1.4 PLANTA DE EMERGENCIA DE CA 21
1.4.1 CARACTERISTICAS PRIMORDIALES DE LAS PLANTAS DE
EMERGENCIA 22
1.4.1.2 RESPUESTA DEL SISTEMA DE EXCITACION 23 1.4.1.3 RESPUESTA DE ARRANQUE DE MOTOR 24
1.4.1.4 KVA DE ROTOR BLOQUEADO 25
1.4.1.5 CAÍDA SOSTENIDA DE VOLTAJE 25
1.4.1.6 RESPUESTA DE FALLA 26
1.4.1.7 TEMPERATURAS DE LOS DEVANADOS DE CORTO CIRCUITO 27
1.5. TIPOS DE PLANTAS DE EMERGENCIA 28
1.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR 29
SISTEMA DE TENSIONES INDUCIDA 30
SECUENCIA DE FASES 30
CONEXIONES BASICAS 31
CORRIENTES DE LINEA Y DE FASE 32
TENSIONES DE FASES 32
TENSIONES DE LÍNEA 32
1.7. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 33
1.7.1 RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO 34 1.7.2 DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO OTTO: 36
CAPITULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 37
2.1 LEVANTAMIENTO 38
2.1.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO 38
2.1.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO 41
2.1.3 INSTALACION DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE 42
2.2. SOLUCION AL PROBLEMA 44
2.2.1. PARTES PRINCIPALES DE LA PLANTA DE EMERGENCIA
IMPLEMENTADA 44
2.2.1.1 GENERADOR 44
ROTOR 45
ESTATOR 45
2.1.1.2. EXCITACION 48
AUTOEXCITACIÓN (SIN ESCOBILLAS) 48
ECUACIONES DEL GENERADOR 50
GENERADOR SIN CARGA 50
GENERADOR CON CARGA 52
2.1.1.3 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO (AVR) 53 2.1.1.4 CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE 58
2.1.1.5 MOTOR 59
2.1.5.1 SISTEMAS PRINCIPALES DEl MOTOR DE COMBUSTION
INTERNA 59
SISTEMA DE ALIMENTACIÓN 59
CARBURADOR 61
ACCESORIOS DEL CARBURADOR 62
AHOGADOR 62
GOBERNADOR 62
SISTEMA DE IGNICION (ENCENDIDO) 63
ENCENDIDO ELECTRONICO INTEGRAL 64
GENERADOR DE IMPULSOS DE TIPO INDUCTIVO 65
UNIDAD DE CONTROL 66
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO 67
SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO 68 PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO 69
SISTEMA DE ARRANQUE 70
FUNCIONAMIENTO 70
ESTRUCTURA DEL MOTOR DE ARRANQUE 70
TIPOS DE MOTOR DE ARRANQUE 71
2.2.1.7 PROTECCIONES PARA EL MOTOR Y GENERADOR 75
2.2.1.8 CONEXIONES DE AC 76
2.2.1.9 TABLERO DE TRANSFERENCIA 76
2.3. OPERACIÓN DE LA PLANTA DE EMERGENCIA 81
CAPITULO III: MEMORIA TECNICA DE LA PLANTA DE
EMERGENCIA 89
3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO 90
3.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO 93
3.3 SISTEMA DE COMBUSTIBLE 93
3.4 INSTALACION ELECTRICA 95
CAPITULO IV: INSTALACION Y PUESTA EN MARCHA DE PLANTA
DE EMERGENCIA 98
4.1 INSTALACION DE LA PLANTA DE EMERGENCIA 99 4.2 PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA 105
CAPITULO V: COSTO-BENEFICIO 108
CAPITULO VI: CONCLUSIONES 111
BIBLIOGRAFIA 114
ANEOS 116
ANEXO 1
HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE REGULADORES DE GAS PRIMARIOS 117 ANEXO 2
HOJA DE ESPECIFICACIONES DE PLANTA DE 80 KW 119 ANEXO 3
SOFTWARE GENLINK 120
ANEXO 4
CONTROLADOR H-100 129
ANEXO 5
CONTROL DEL HTS 137
“IMPLEMENTACION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA
AUTOMATICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA
RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE ESCUELA
PRIMARIA
”
OBJETIVO GENERAL
Instalar y poner en marcha planta de emergencia generadora de corriente alterna trifásica de 80 KW a gas LP, con accionamiento manual y automático.
OBJETIVOS PARTICULARES
Implementar planta automática de emergencia generadora de CA trifásica de 80 KW a gas LP para respaldar la carga total de una escuela primaria, a través de un Panel de control H100 y Tablero de transferencia HTS. El sistema se comportara como emergencia.
Gestión y monitoreo del equipo en sitio a través del Genlink.
Explicar características y funcionamiento en general de la planta de emergencia.
Instalación y puesta en marcha del equipo.
JUSTIFICACION
La eficiencia en el uso de la energía eléctrica involucra a los estados, empresas y personas por igual. El uso eficiente de las reservas de energía existentes es cada vez más importante para los diversos negocios. Hacer la energía eficiente es una tarea altamente responsable, no sólo por el hecho del ahorro en sí, sino para acceder al mercado globalizado con mayores oportunidades de competitividad. En este caso, la escuela primaria depende mucho de la energía, desde las necesidades diarias como la calefacción, el aire acondicionado, suministro de agua y luminarias, a las más esenciales como aparatos de video, aparatos de audio, instrumentos musicales electrónicos, computadoras, servidores, sistemas de seguridad, etc. En la actualidad, los cortes del suministro de electricidad ocurren más frecuentemente y duran más con efectos devastadores. Al igual la pérdida potencial de ingresos que enfrenta el colegio como resultado de un corte de energía puede ser significativa. Por lo tanto, nuestra planta automática de emergencia protege al colegio de dichos cortes de energía y permite que las actividades continúen sin interrupciones.
Estos equipos generadores tienen una amplia variedad de opciones, configuraciones y disposiciones que permiten cumplir con las necesidades de energía de reserva en casi todas las aplicaciones. La especialidad es que nuestro equipo versátil se pueda personalizar aún más para estar seguros de poder satisfacer hasta las necesidades menos comunes en forma eficiente y a bajo costo. Un funcionamiento confiable probado con prototipos. Los recursos ilimitados de combustible continuo de gas licuado de petróleo (LP) en el lugar proporcionan funcionamiento más parejo y silencioso, mas barato, menos emisiones de gases, lo cual contamina menos. Además de que cuenta con un gabinete que reduce significativamente aun más las emisiones de ruido. Un motor industrial que puede recibir servicio fácilmente por técnicos capacitados en motores. El equipo realiza una prueba de autodiagnóstico semanal para comprobar y garantizar el buen funcionamiento. La regulación de voltaje compensado con frecuencias de estado sólido permite una salida más pareja de energía. Optimiza la respuesta rápida a los cambios de las condiciones de la carga y la capacidad máxima de arranque del motor para el acoplamiento electrónico del par-motor a través de un gobernador electrónico. Tablero de transferencia HTS diseñado para ser utilizado con el controlador del generador H-100. Tiene un Sistema de control fortalecido con software de monitoreo remoto Genlink, con el cual el HTS puede controlarse remotamente desde una PC. El control digital es el más avanzado tecnológicamente de la industria, diseñado desde el inicio para mayor confiabilidad, integra el control del equipo generador, el gobernador y el regulador de voltaje en un microprocesador digital único de 32 bits. El H-100 proporciona el control simultáneo de los parámetros claves e incluye las comunicaciones y las entradas/salidas configurables por el usuario. Puertos remotos RS232 y RS485. Cuatro salidas de relevadores configurables por el usuario. Y otras opciones (12 entradas, 12 salidas, módem).
INTRODUCCION
Las plantas de emergencia han sido utilizadas comúnmente cuando hay déficit en la generación de energía eléctrica de algún lugar, o cuando hay corte en el suministro eléctrico y es necesario mantener la actividad, como es en el caso de lugares de concurrencia pública, escuelas, hospitales, fábricas, que, a falta de energía eléctrica de red, necesiten de otra fuente de energía alterna para abastecerse en caso de emergencia.
En el mercado, existen muchos de estos equipos de emergencia. En esta tesis expondré el equipo de emergencia que consta de un mecanismo motor-generador que se alimenta a gas LP y que tiene una salida de voltaje trifásico de 220 V a 60 Hz, el cual se implementara a una escuela primaria para respaldar todas las cargas de sus instalaciones.
En el primer capitulo, daré una introducción teórica de las plantas de emergencia en general. Leyes, principio de funcionamiento, características primordiales que debemos considerar de las plantas de emergencia, tipos de plantas a gas LP que existen en el mercado; y se explica el funcionamiento general del generador y motor de combustión interna que son los mecanismos principales del sistema.
En el capitulo 2, se plantea lo que requiere el cliente de acuerdo a lo que tiene y necesita, se ofrece la solución a este requerimiento, que es la implementación de una planta automática de emergencia de 80 KW a gas LP, trifásica; explicando cada una de las partes que la conforman, funciones y operación del equipo.
En el capitulo 3 se tiene la memoria técnica de la planta de emergencia, esto es, el levantamiento técnico del proyecto, que consta de los requerimientos y cálculos necesarios para la instalación eléctrica y la instalación del suministro de combustible (gas LP) que se llevara a cabo.
Para finalizar, en el capitulo 4 se detalla el desarrollo la instalación eléctrica, suministro de gas LP para la planta y la puesta en marcha del equipo.
1.1 MAGNETISMO
El magnetismo se define como una propiedad peculiar poseída por ciertos materiales mediante el cual se pueden repeler o atraer mutuamente con naturalidad. Cada electrón crea un campo magnético débil, los que al juntarse con otros crean un campo magnético intenso. Además el magnetismo puede ser usado para producir electricidad, al igual que la electricidad puede producir magnetismo. Debido a su relación, el estudio de uno debe incluir el estudio del otro. El magnetismo es en realidad una fuerza que no se puede ver aunque se pueden observar sus efectos en otros materiales. Las líneas de fuerza magnética llamado flujo, fluye en un lazo cerrado del polo norte al polo sur del magneto. La forma de las líneas del flujo definen los patrones los cuales varían en densidad de acuerdo a la fuerza del magneto. Ver figura 1.1. Las líneas de flujo jamás cruzan entre si. El área que rodea al magneto en el cual se pueden sentir las líneas del flujo magnético es llamado campo magnético.
FIGURA 1.1. REPRESENTACIÓN DE UN MAGNETO Y SUS LÍNEAS DE FUERZA
1.1.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA
La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. James Clerk Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la electricidad y el magnetismo.
El descubrimiento, debido a Hans Christian Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Fue Faraday el primero en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno.
A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denominó inducción electromagnética.
1.1.3 LAS EXPERIENCIAS DE FARADAY
Las experiencias que llevaron a Faraday al descubrimiento de la inducción electromagnética las agrupo en dos categorías: Con corrientes y con imanes.
En el primer experimento con corrientes, enrolló un alambre conductor alrededor de un núcleo cilíndrico de madera y conectó sus extremos a un galvanómetro G, ésta es la
bobina B de la figura 1.2. En seguida enrolló otro alambre conductor encima de la
bobina anterior. Los extremos de la segunda bobina A los conectó a una batería. La
argumentación de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la batería,
empieza a circular una corriente eléctrica a lo largo de la bobina A. De los resultados de
Oersted y Ampère, se sabe que esta corriente genera un efecto magnético a su alrededor (como se muestra en la figura 1.3).
FIGURA 1.2. ESQUEMA DEL EXPERIMENTO DE FARADAY CON QUE DESCUBRIÓ LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.
Este efecto magnético cruza la bobina B, y si el magnetismo produce electricidad,
entonces por la bobina B debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería
poder detectarse por medio del galvanómetro. Sus experimentos demostraron que la aguja del galvanómetro no se movía, lo cual indicaba que por la bobina B no pasaba
ninguna corriente eléctrica.
FIGURA 1.3. CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DEL CONDUCTOR
Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batería ocurría una pequeña desviación de la aguja de galvanómetro. También se percató de que en el momento en que desconectaba la batería, la aguja del galvanómetro se desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si hay corriente en la bobina B.
LINEAS DE FUERZA MAGNETICA
CONDUCTOR
Siguiendo esta idea, Faraday descubrió que efectivamente se producen corrientes eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si éste es constante no hay ninguna producción de electricidad por magnetismo. Al conectar el interruptor en el circuito de la bobina A de la figura 1.2, el valor de la corriente eléctrica que circula por él cambia
de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magnético que produce esta corriente a su alrededor también cambia de cero a un valor distinto de cero. De la misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente en el circuito cambia de un valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magnético.
Por otro lado, cuanto está circulando una corriente con el mismo valor todo el tiempo, hecho que ocurre cuando la batería está ya conectada, el efecto magnético que produce la bobina también es constante y no cambia con el tiempo. Recordemos que la intensidad del efecto magnético producido por una corriente eléctrica depende del valor de la corriente: mientras mayor sea este valor mayor será la intensidad del efecto magnético producido. Faraday realizó diferentes experimentos en los cuales el efecto magnético que producía y atravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una corriente eléctrica en esta bobina.
En el segundo grupo de experiencias Faraday utilizó un imán recto y una bobina conectada a un galvanómetro. Al introducir bruscamente el imán en la bobina observó una desviación en la aguja, desviación que desaparecía si el imán permanecía inmóvil en el interior de la bobina. Cuando el imán era retirado, la aguja del galvanómetro se desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. Cuando repetía todo el proceso completo, la aguja oscilaba de un lado a otro y su desplazamiento era mayor cuanto era más rápido el movimiento del imán al entrar y salir en el interior de la bobina. Lo mismo sucedía cuando mantenía quieto el imán y movía la bobina sobre él.
La representación del campo magnético en forma de líneas de fuerza permitió a Faraday encontrar una explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. Para que se produjera una corriente inducida en la bobina, era necesario que las líneas de fuerza producidas por el imán fueran cortadas por el hilo conductor de la bobina como consecuencia del movimiento de uno u otro cuerpo. En el primer grupo de experiencias, las líneas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila, producían el mismo tipo de efectos. La inducción electromagnética constituye una pieza destacada en el sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que se conoce con el nombre de electromagnetismo.
1.1.4 FLUJO MAGNETICO
La representación de la influencia magnética de un imán o de una corriente eléctrica en el espacio que les rodea mediante líneas de fuerza fue ideada también por Faraday y aplicada en la interpretación de la mayor parte de sus experimentos sobre electromagnetismo.
Dado que la intensidad del campo magnético B disminuye con la distancia a los polos, parece razonable relacionar ambos hechos y establecer por convenio una proporcionalidad directa entre la intensidad del campo B y la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan una superficie. Ver figura 1.4. Cuanto más apretadas están las líneas en una región, más intenso es el campo en dicha región. El número de líneas de fuerza del campo B que atraviesa una superficie depende de cómo esté orientada tal superficie con respectó a la dirección de dichas líneas. Así, para un conjunto de líneas de fuerza dado, el número de puntos de intersección o de corte con la superficie será máximo para una orientación perpendicular y nulo para una orientación paralela. El número de líneas de fuerza del campo B que atraviesa perpendicularmente una superficie constituye entonces una forma de expresar el valor de la intensidad de dicho campo.
Se define el flujo (Φ) del campo magnético B a través de una superficie S como el número total de líneas de fuerza que atraviesan tal superficie. En términos matemáticos, para un campo magnético constante y una superficie plana de área S, el flujo magnético se expresa como:
) 1 . 1 ( cos
BS
Siendo φ el ángulo que forman las líneas de fuerza (vector B) con la perpendicular a la
superficie. Dicha ecuación recoge, mediante el cos φ, el hecho de que el flujo varíe con
la orientación de la superficie respecto del campo B y también que su valor dependa del área S de la superficie atravesada.
Para φ=0° (intersección perpendicular):
BS
Para φ=90° (intersección paralela):
0
FIGURA 1.4 A TRAVÉS DE UNA SUPERFICIE (S) HAY UN FLUJO MAGNÉTICO B
La idea de flujo se corresponde entonces con la cantidad de campo magnético que atraviesa una superficie determinada. En el Sistema Internacional se expresa en wéber
(Wb). Un wéber es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en 1 segundo por crecimiento uniforme.
1.1.5 LEY DE FARADAY – HENRY
Independientemente de Faraday, Joseph Henry, había observado que un campo magnético variable produce en un circuito próximo una corriente eléctrica. Los resultados concordantes de las experiencias de ambos físicos pueden resumirse en un enunciado que se conoce como ley de Faraday-Henry: “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo magnético
que lo atraviesa”. En forma matemática:
) 2 . 1 (
t
Siendo
ε
la fuerza electromotriz inducida y ΔΦ la variación de flujo magnético que se produce en el intervalo de tiempo Δt. De acuerdo con esta ecuación, la magnitud de laFEM inducida coincide con lo que varía el flujo magnético por unidad de tiempo. La presencia de la fuerza electromotriz
ε
en la ley de Faraday-Henry en lugar de la intensidad de corriente, resalta una característica de la inducción a saber, su capacidad para sustituir a un generador, es decir, para producir los mismos efectos que éste en un circuito eléctrico.Por su parte, el signo negativo recoge el hecho, observado experimentalmente por
Faraday y Henry, de que aumentos (ΔΦ>0) y disminuciones (ΔΦ<0) de flujo magnético
producen corrientes inducidas de sentidos opuestos.
Cuando la ley de Faraday-Henry se aplica a una bobina formada por N espiras iguales toma la forma:
) 3 . 1 (
t N
Siendo ΔΦ/Δt la variación del flujo magnético por unidad de tiempo para una sola
1.1.6 EL SENTIDO DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS
Aunque la ley de Faraday-Henry, a través de su signo negativo, establece una diferencia entre las corrientes inducidas por un aumento del flujo magnético y las que resultan de una disminución de dicha magnitud, no explica este fenómeno. Lenz, un físico alemán que investigó el electromagnetismo en Rusia al mismo tiempo que Faraday y Henry, propuso la siguiente explicación del sentido de circulación de las corrientes inducidas que se conoce como ley de Lenz: Las corrientes que se inducen en un circuito se producen en un sentido tal que con sus efectos magnéticos tienden a oponerse a la causa que las originó. Así, cuando el polo norte de un imán se aproxima a una espira, la corriente inducida circulará en un sentido tal que la cara enfrentada al polo norte del imán sea también norte, con lo que ejercerá una acción magnética repulsiva sobre el imán, la cual es preciso vencer para que se siga manteniendo el fenómeno de la inducción. Inversamente, si el polo norte del imán se aleja de la espira, la corriente inducida ha de ser tal que genere un polo sur que se oponga a la separación de ambos.
Sólo manteniendo el movimiento relativo entre espira e imán persistirán las corrientes inducidas (I), de modo que si se detiene el proceso de acercamiento o de separación cesarían aquéllas y, por tanto, la fuerza magnética entre el imán y la espira desaparecería (figura 1.5).
FIGURA 1.5. GENERACIÓN DE FLUJO MAGNÉTICO Y GENERACIÓN DE F.E.M.
La ley de Lenz, que explica el sentido de las corrientes inducidas, puede ser a su vez explicada por un principio más general, el principio de la conservación de la energía. El cual establece que la producción de una corriente eléctrica requiere un consumo de energía y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone la realización de un trabajo.
En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizado en contra de las fuerzas magnéticas que aparecen entre espira e imán el que suministra la energía necesaria para mantener la corriente inducida. Si no hay desplazamiento, el trabajo es nulo, no se transfiere energía al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer. Análogamente, si éstas no se opusieran a la acción magnética del imán, no habría trabajo exterior, ni energía generada.
CAMPO MAGNETICO
BOBINA
LAMPARA IMAN
1.1.7 CORRIENTES INDUCIDAS
La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa muchas veces por segundo. La ley de Faraday-Henry establece que se induce una fuerza electromotriz ε (FEM) en un circuito eléctrico siempre que varíe el flujo magnético Φ que lo atraviesa
(figura 1.5). Pero de acuerdo con la definición de flujo magnético (ecuación 1.1), éste puede variar porque varíe el área S limitada por el conductor, porque varíe la intensidad
del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada por el ángulo φ.
En las primeras experiencias de Faraday las corrientes inducidas se conseguían variando el campo magnético B; no obstante, es posible provocar el fenómeno de la inducción sin desplazar el imán ni modificar la corriente que pasa por la bobina, haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo magnético debido a un imán. En tal caso, el flujo magnético varía porque varía el ángulo φ. Utilizando el tipo de
razonamiento de Faraday, podría decirse que la bobina al rotar, corta las líneas de fuerza del campo magnético del imán y ello da lugar a la corriente inducida.
En una bobina de una sola espira, la fuerza electromotriz que se induce durante un
cuarto de vuelta al girar la bobina desde la posición paralela (φ=90°) a la posición perpendicular (φ=0°) puede calcularse a partir de la ley de Faraday-Henry. Combinando las ecuaciones 1.1 y 1.2:
) 4 . 1 (
t BS t
Si se hace rotar la espira uniformemente alrededor del eje LL (figura 1.6), ese movimiento de rotación periódico da lugar a una variación también periódica del flujo magnético, o en otros términos, la cantidad de líneas de fuerza que es cortada por la espira en cada segundo toma valores iguales a intervalos iguales de tiempo. La FEM inducida en la espira varía entonces periódicamente con la orientación y con el tiempo, pasando de ser positiva a ser negativa, y viceversa, de una forma alternativa. Se ha generado una FEM alterna cuya representación gráfica, en función del tiempo, tiene la forma de una línea sinusoidal.
1.1.8 LA FUERZA ELECTROMOTRIZ SINUSOIDAL
La ley de Faraday expresada en la forma de ε = - ΔΦ/Δt representa, en sentido estricto,
la FEM media que se induce en el intervalo t. Si dicho intervalo se reduce a un instante, la expresión anterior se convierte en:
) 5 . 1 ( dt d
Si la espira gira con una velocidad angular ω constante, el ángulo φ variará con t en la forma φ=ωt, como en un movimiento circular uniforme. La expresión del flujo en
función del tiempo (formula 1.1) puede escribirse entonces como:
) 6 . 1 ( cos
cos BS t
BS
Y el cálculo de la FEM instantánea, se reduce entonces a un ejercicio de derivación de la función coseno, pues BS es una cantidad constante:
) 7 . 1 ( ) (cos ) cos ( dt t d BS dt t BS
d
Teniendo en cuenta que la derivada: sen t dt
t
d
cos Resulta finalmente: ) 8 . 1 ( )
( sen t BS sen t 0 sen t
BS
Siendo ε 0 = wBS el valor máximo de la FEM sinusoidal inducida en la espira. Si se
tratara de una bobina con N espiras se obtendría para ε 0, siguiendo un procedimiento
análogo, el valor ε 0 = N B Sω.
La fuerza electromotriz inducida varía con el tiempo, tomando valores positivos y negativos de un modo alternativo, como lo hace la función seno. Su valor máximo depende de la intensidad del campo magnético del imán, de la superficie de las espiras, del número de ellas y de la velocidad con la que rote la bobina dentro del campo magnético. Al aplicarla a un circuito eléctrico daría lugar a una corriente alterna.
1.2 POTENCIA
La potencia eléctrica (P) es la tasa de producción o consumo de energía, como la potencia de un generador o la potencia disipada en una lámpara. La energía se expresa en joules (J) y la potencia se mide en watts (W), con frecuencia en kilowatts (kW).
1.2.1 TIPOS DE POTENCIA
Del mayor o menor retraso o adelanto que provoque un equipo eléctrico cualquiera en la corriente que fluye por un circuito, en relación con el voltaje, así será el factor de potencia que tenga dicho equipo.
En un circuito eléctrico de corriente alterna se pueden llegar a encontrar tres tipos de potencia eléctrica diferentes:
Potencia activa
Potencia reactiva Potencia aparente
1.2.1.1 POTENCIA ACTIVA O RESISTIVA (P)
Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá que proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se representa por medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W).
La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctrico cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente alterna es la siguiente:
) 9 . 1 (
Cos I V P
De donde:
P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W). V = Tensión que se le aplica al circuito en volts (V).
I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en amperes (A). Cos φ= Valor del factor de potencia.
La representación matemática de la potencia activa en un sistema trifásico equilibrado está dada por la ecuación:
) 10 . 1 ( 3 V I Cos
P
Lo único que cambia es el factor: 3 que es el factor de un sistema trifásico.
1.2.1.2 POTENCIA REACTIVA O INDUCTIVA (Q)
Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier otro dispositivo similar que posea bobinas o embobinados. Esos dispositivos no sólo consumen la potencia activa que suministra la fuente de FEM, sino también potencia reactiva.
La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los dispositivos que poseen embobinados de alambre de cobre, requieren ese tipo de potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).
La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la siguiente:
) 11 . 1 (
2 2
P S
Q
De donde:
Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR).
S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).
P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en watt (W).
1.2.1.3 POTENCIA APARENTE O TOTAL (S)
La potencia aparente (S), llamada también potencia total, es el resultado de la suma geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P). La potencia aparente se representa con la letra S y su unidad de medida es el volt-ampere (VA). La fórmula matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la siguiente:
) 12 . 1 (
I V S
De donde:
S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).
V = Voltaje de la corriente, expresado en volt (V).
I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en amperes (A).
1.3 FACTOR DE POTENCIA
El llamado triángulo de potencia es la mejor forma de ver y comprender de forma gráfica qué es el factor de potencia y su estrecha relación con los tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.
FIGURA 1.7. TRIANGULO DE POTENCIA
Como se podrá observar en el triángulo de la figura 1.7, el factor de potencia representa el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y la potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico de corriente alterna. Esta relación se puede representar también, de forma matemática, por medio de la siguiente fórmula:
) 13 . 1 (
S P Cos potencia de
factor
El resultado de esta operación será 1 o un número fraccionario menor que 1 en dependencia del factor de potencia que le corresponde a cada equipo o dispositivo en específico. Ese número responde al valor de la función trigonométrica coseno, equivalente a los grados del ángulo que se forma entre las potencias (P) y (S).
Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un decimal menor que 1, dicho número representará el factor de potencia correspondiente al desfasamiento en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica y el voltaje en el circuito de corriente alterna. Lo ideal sería que el resultado fuera siempre igual a 1, pues así habría una mejor optimización y aprovechamiento del consumo de energía eléctrica, o sea, habría menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor eficiencia de trabajo en los generadores que producen esa energía.
En los circuitos de resistencia activa, el factor de potencia siempre es 1, porque en ese caso no existe desfasamiento entre la intensidad de la corriente y el voltaje. Pero en los circuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de embobinado o bobina, el valor del factor de potencia se muestra con una fracción decimal menor que 1, lo que indica el retraso o desfasamiento que produce la carga inductiva en la sinusoidal correspondiente a la intensidad de la corriente con respecto a la sinusoidal del voltaje.
POTENCIA ACTIVA P (KW) POTENCIA APARENTE
S (KVA)
Por tanto, un motor de corriente alterna con un factor de potencia o Cos φ=0.95, por ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos φ=0.85. El dato del factor de potencia de cada generador es un valor fijo, que aparece generalmente indicado en una placa metálica pegada a su cuerpo o carcasa, donde se muestran también otros datos de interés, como su voltaje de trabajo en volt (V), intensidad de la corriente de trabajo en ampere (A) y su capacidad de energía eléctrica en watt (W) o kilowatt (kW).
Ya vimos anteriormente que la potencia de un generador eléctrico o de cualquier otro dispositivo que contenga bobinas o embobinados se puede calcular empleando la fórmula matemática (1.9).
Por otra parte, como el valor de (P) viene dado en watt, sustituyendo (P) en la fórmula (1.12) podemos decir también que:
W P
Por tanto:
) 14 . 1 (
Cos I V
W
De donde:
W = Potencia de consumo del dispositivo o equipo en watt y Cos φ= Factor de potencia que aparece señalado en la placa del dispositivo o equipo.
Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo o equipo, su voltaje de trabajo y su factor de potencia, y quisiéramos hallar cuántos amperes (A) de corriente fluyen por el circuito (por ejemplo, en un generador), despejando (I) en la fórmula (1.16) tendremos:
) 15 . 1 (
Cos V
W I
1.4 PLANTA DE EMERGENCIA DE CA
Una planta de emergencia de CA es un equipo generador de corriente alterna, mejor conocido como maquina rotatoria sincrona. Dicho equipo consta principalmente de un acoplamiento motor-generador, en el cual la flecha de un motor de combustión interna se conecta al rotor del generador a través de unos discos flexibles. La planta de emergencia nos entregara un voltaje que depende de la conexión del estator del generador. Operara a una cierta frecuencia que depende del número de polos que consta el rotor del generador y de la velocidad que gira el motor.
El equipo opera en base a la ley de Faraday. Incrementando la fuerza del campo magnético, el voltaje se aumenta, sin alterar físicamente el generador o la frecuencia. Un regulador de voltaje será el componente responsable de variar dicho campo, el cual se alimentara a través de una excitación. Para la generación de energía, las plantas de emergencia requieren principalmente de un campo magnético, un conductor y un movimiento relativo.
El campo magnético es el rotor del generador. El conductor es el estator del generador y el movimiento relativo es el motor que hace girar el rotor. El campo de excitación es la alimentación al regulador de voltaje. El regulador de voltaje regula la salida del generador, variando el voltaje de corriente directa aplicado al rotor, logrando así, variar el campo magnético. Las plantas cuentan con su sistema de control. En la figura 1.8 se muestra el diagrama de operación de una planta de CA.
FIGURA 1.8. DIAGRAMA DE OPERACIÓN DE UNA PLANTA DE CA
Cabe mencionar que en el diagrama se muestra un estator con dos embobinados de potencia, lo que nos dice que el generador es bifásico (2 líneas y un neutro). Para un sistema trifásico, se requiere de un estator con tres embobinados de potencia (3 líneas y un neutro). Bobina de excitación de estator ROTOR MOTOR Bobina de potencia de estator Bobina de potencia de estator REGULADOR DE VOLTAJE SENSADO
Señal del circuito de arranque de campo que
proviene del control
Para la tarjeta del circuito de control
CAMPO MAGNETICO CAMPO MAGNETICO BE BP
BE=BREAKER DE EXCITACION BP=BREAKER PRINCIPAL
Las plantas de CA cuentan con un panel de control, regulador de voltaje automático, un gobernador, protecciones para el motor, protecciones para el generador y un tablero de transferencia para su funcionamiento automatizado. Todos los dispositivos se detallaran mas adelante.
Se necesita considerar la carga de transición, el arranque del motor y la respuesta de falla de un generador para un buen diseño del equipo. Además tener el conocimiento de las normas que debe cumplir el equipo, que son la NFPA y UL.
Me enfocare solo a las plantas de emergencia a gas LP, que es la versión más reciente e innovadora en el mercado y de la cual tratara esta tesis.
1.4.1 CARACTERISTICAS PRIMORDIALES DE LAS PLANTAS DE EMERGENCIA
1.4.1.1 CARGA DE TRANSICIÓN
Una planta de emergencia de CA es una fuente limitada de potencia en términos de potencia del motor (kW) y volts-amperes de generador (kVA), sin importar el sistema de excitación. Debido a esto, los cambios de carga causarán excursiones de transición en el voltaje y la frecuencia. La magnitud y duración de estas excursiones son afectadas principalmente por las características de la carga y el tamaño del generador relativo a la carga. Un generador es una fuente relativamente alta de impedancia cuando se compara con un transformador de red pública.
Un perfil típico de voltaje en una aplicación y remoción de carga se muestra en la figura 1.9. El voltaje estable sin carga se regula al 100 % del voltaje de rango. Cuando se aplica una carga el voltaje cae inmediatamente.
El regulador de voltaje siente la caída de voltaje y responde incrementando el campo de corriente para recuperar el voltaje de rango. El tiempo de recuperación de voltaje es la duración entre la aplicación de la carga y el regreso del voltaje al rango de regulación (mostrado como +/-2 %). Típicamente la caída inicial de voltaje va desde 15 a 45 % del voltaje nominal cuando 100 % de la carga de rango de la planta de emergencia (0.8 de factor de potencia) se conecta en un paso. La recuperación a nivel de voltaje nominal sucederá en 1-10 segundos dependiendo de la naturaleza de la carga y el diseño de la planta.
La diferencia más significativa entre una planta de emergencia de CA y una red pública, es que cuando una carga se aplica repentinamente a la red típicamente no hay variación de frecuencia. Cuando las cargas se aplican a una planta de CA, las RPM del motor (frecuencia) caen. La máquina debe sentir el cambio de velocidad y reajustar su rango de combustible para su nuevo nivel de carga. Hasta que un nuevo rango de carga y combustible se igualen, la frecuencia será diferente a la nominal.
FIGURA 1.9. PERFIL TIPICO DE VOLTAJE EN APLICACIÓN Y REMOCION DE CARGA
Cabe mencionar que no todas las plantas de emergencia de CA pueden aceptar una carga en bloque de 100 % en un paso. El desempeño varía entre plantas debido a diferencias en las características de regulador de voltaje, respuesta del gobernador, diseño del sistema de combustible, aspiración del motor y a cómo están acoplados el motor y generador. Una meta importante en el diseño de las plantas de luz es limitar la excursión de voltaje y frecuencia a niveles aceptables.
1.4.1.2 RESPUESTA DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN
La corriente de campo no se puede cambiar instantáneamente en respuesta al cambio de carga. El regulador, el campo excitador y el campo principal tienen constantes de tiempo que tienen que sumarse.
El regulador de voltaje tiene una respuesta relativamente rápida mientras que el campo principal tiene una respuesta significativamente más lenta que el campo excitador porque es muchas veces más grande. Debe hacerse notar que la respuesta de un sistema auto-excitado será aproximadamente la misma que aquella de un sistema excitado separadamente, porque las constantes de tiempo para los campos principales y de excitación son los factores significativos en este aspecto, y son comunes a los dos sistemas.
El forzamiento de campo está diseñado en consideración de todos los componentes de sistemas de excitación para optimizar el tiempo de recuperación. Y debe ser suficiente para minimizar el tiempo de recuperación, pero no tanto para llevar a la inestabilidad o para sobre pasar al motor (el cual es una fuente limitada de potencia). Ver Figura 1.10. Caída de voltaje de transición
Voltaje estable sin carga
Voltaje mínimo de Pico a Pico
Voltaje estable con carga
Aplicación de carga
Onda sinusoidal de voltaje Disparo de voltaje de
transición
Rango de regulación de voltaje ±2%
Remoción de carga
Tiempo Tiempo de recuperación
de voltaje (Carga aplicada)
FIGURA 1.10. CARACTERISTICAS DE RESPUESTA DE LOS SISTEMAS DE EXCITACION
1.4.1.3 RESPUESTA DE ARRANQUE DE MOTOR
Cuando se arrancan motores, ocurre una caída de voltaje de arranque que consiste principalmente de una caída instantánea de voltaje, más una caída de voltaje como resultado de la respuesta del sistema de excitación. La figura 1.11 ilustra estos dos componentes que juntos representan la caída de voltaje de transición. La caída instantánea de voltaje es simplemente el producto de corriente de rotor bloqueado de motor y la reactancia sub-transición del generador. Esto ocurre antes de que el sistema de excitación pueda responder incrementando la corriente de campo y por lo tanto no es afectado por el tipo de sistema de excitación. Esta caída de voltaje inicial puede ser
seguida de mayor caída causada por la función de “acoplamiento de torque” del
regulador de voltaje, la cual reduce el voltaje para descargar al motor si siente una desaceleración significativa en el motor. Una planta de emergencia debe estar diseñada para optimizar el tiempo de recuperación y al mismo tiempo evitar la inestabilidad del motor.
FIGURA 1.11. CAIDA DE VOLTAJE DE TRANSICION Corriente de
campo sin carga Corriente de campo carga completa
Respuesta característica con forzado de campo amortiguado (tiempo de
recuperación T1)
Respuesta característica con forzado de campo
Respuesta característica con forzado de campo amortiguado (tiempo de
recuperación T2) T1 T2 Tiempo Corriente de campo
Caída de voltaje de
arranque Caída instantánea de voltaje
(IMSxX”d)
TIEMPO (SEGUNDOS)
Reducción de voltaje causada por la función
de acoplamiento de torque del regulador Voltaje si KVA de motor se mantiene y la excitación no cambia
% DEL VOLTAJE DE
RANGO DE GENERADOR
REACTANCIAS DEL SISTEMA AL ARRANCAR UN MOTOR IMS - corriente de arranque instantáneo
EAC – voltaje del generador
X”d - reactancia de subtransicion de generador
1.4.1.4 KVA DE ROTOR BLOQUEADO
La corriente de arranque de motor (rotor bloqueado) es aproximadamente 6 veces la corriente de rango y no disminuye significativamente hasta que el motor casi alcanza su velocidad de rango como se muestra en la figura 1.12. Esta gran corriente de entrada causa caída en el voltaje del generador. Así mismo, la potencia requerida para arrancar el motor puede llegar hasta 3 veces la potencia de rango del motor cuando el motor alcanza aproximadamente el 80 % de la velocidad de rango. Si el motor no tiene 3 veces la potencia de rango del motor, el regulador de voltaje reducirá la carga del generador para descargar al motor a un nivel en que la pueda llevar. Mientras que el torque del motor sea siempre más grande que el torque de carga durante la aceleración, el motor podrá acelerar la carga a velocidad total. Una recuperación de 90 % del voltaje de rango de torque del motor es generalmente aceptable porque resulta solamente en un pequeño incremento en el tiempo de aceleración del motor.
FIGURA 1.12. CARACTERISTICAS TIPICAS DE ARRANQUE DE MOTOR CON TODA LA LINEA (ASUME 100 % DE VOLTAJE NOMINAL EN LAS TERMINALES DEL MOTOR)
1.4.1.5 CAÍDA SOSTENIDA DE VOLTAJE
Después de la relativamente corta pero existente caída de voltaje de transición (típicamente menos de 10 ciclos pero de hasta algunos segundos), sigue un periodo de recuperación de voltaje como se muestra en la figura 1.13. Los máximos KVA de arranque del motor en la hoja de especificaciones de la planta de emergencia son los máximos KVA que puede sostener y aún recuperarse hasta el 90 % del voltaje de rango como se muestra en la figura. Debe notarse que este es solamente el desempeño combinado del alternador, excitador y AVR (regulador de voltaje). El desempeño de arranque de motor de una planta de CA en particular depende del motor, gobernador y regulador de voltaje, así como del generador.
Corriente de motor
FP El torque del motor debe ser más grande
que el torque de carga para acelerar la carga a velocidad total
Torque de motor
Torque de carga Reserva de
torque Potencia
Velocidad rotatoria del motor por unidad Corriente
Potencia Torque por unidad
FIGURA 1.13. CAIDA DE VOLTAJE SOSTENIDA
1.4.1.6 RESPUESTA DE FALLA
La respuesta de falla de generadores auto-excitados y excitados separadamente es diferente. Un generador auto excitado es conocido como de “campo colapsante” porque
el campo se colapsa cuando las terminales de salida del generador se ponen en corto (corto trifásico o corto L-L a través de las fases sensibles). Un generador excitado separadamente puede sostener el campo de generador en un corto circuito porque la excitación es suministrada por un generador de magneto permanente separado. La figura 1.14 muestra la típica respuesta al corto circuito simétrico trifásico de generadores auto-excitados y excitados separadamente.
FIGURA 1.14. RESPUESTA DE CORTO CIRCUITO TRIFASICO SIMETRICO
La corriente corto circuito inicial es nominalmente de 8 a 10 veces la corriente de rango del generador y es una función de la reactancia sub-transición reciproca del generador (1/X”). Para los primeros ciclos (A), prácticamente no hay diferencia en respuesta entre los generadores auto-excitados y los separadamente excitados porque siguen la misma curva de decremento de corriente corto circuito al disiparse la energía de campo. Después de los primeros ciclos (B), un generador auto-excitado continuará siguiendo la curva de decremento de corto circuito a prácticamente cero corriente. Un generador excitado separadamente, puesto que la corriente de campo es derivada separadamente, puede sostener 2.5 a 3 veces la corriente de rango con una falla trifásica aplicada. Este nivel de corriente se puede mantener por aproximadamente 10 segundos sin daño al alternador.
Caída típicas de voltaje de transición
Caída de voltaje sostenida 90% del voltaje recuperado
Voltaje RMS
Inicio de corto circuito simétrico
Generador autoexcitado
Generador excitado separadamente 3 a 4 veces el rango
de corriente 8 a 10 veces el
La figura 1.15 es otro medio de visualizar la diferencia de respuesta a una falla trifásica. Si el generador es auto-excitado, el voltaje y la corriente se “colapsarán” a cero
cuando la corriente se incremente más allá de la rodilla de la curva. Un generador excitado separadamente puede sostener un corto directo porque no depende del voltaje de salida del generador para la potencia de excitación.
FIGURA 1.15. CAPACIDAD DE CORTO CIRCUITO
1.4.1.7 TEMPERATURAS DE LOS DEVANADOS DE CORTO CIRCUITO
El problema a considerar en sostener una corriente de corto circuito es que el generador se podría dañar antes de que un breaker se dispare para liberar la falla. Las corrientes de corto circuito pueden calentar rápidamente los devanados del estator del generador. Por ejemplo, un corto desbalanceado L-N en un generador excitado separadamente diseñado para sostener 3 veces la corriente de rango, resulta en una corriente de aproximadamente 7.5 veces la corriente de rango. A ese nivel de corriente, asumiendo una temperatura inicial de devanados de 155 °C, puede tomar menos de 5 segundos para que los devanados alcancen 300 °C, la temperatura aproximada a la cual ocurren daños inmediatos y permanentes a los devanados. Un corto L-L toma unos segundos mas para elevar la temperatura hasta 300 °C, y un corto trifásico balanceado toma un poco más de tiempo. Vea la Figura 1.16.
FIGURA 1.16. TEMPERATURAS APROXIMADAS DE DEVANADOS EN CORTO CIRCUITO Generador excitado
separadamente Generador autoexcitado
Múltiplo de corriente rango de generador % de
voltaje de rango
TIEMPO TEMPERATURA
DEL ESTATOR
L-N
1.5 TIPOS DE PLANTAS DE EMERGENCIA
Las plantas de emergencia se dividen principalmente de acuerdo al voltaje generado:
Bifásica
Trifásica
De acuerdo al motor que utilizan se pueden clasificar: Con respecto a su alimentación de combustible:
Gasolina
Diesel
Gas Natural y gas LP
De acuerdo al sistema de enfriamiento que utilizan:
Enfriadas por aire
Enfriadas por liquido (figura 1.17)
Por lo regular las plantas de emergencia enfriadas por aire son bifásicas y las enfriadas por líquido son trifásicas, aunque pueden existir de los dos tipos.
FIGURA 1.17. PLANTA DE EMERGENCIA DE CA TRIFASICA, ENFRIADA POR LIQUIDO A GAS LP
También se pueden clasificar de acuerdo a su capacidad en KW, lo que nos lleva a tres categorías con respecto a su aplicación:
Residencial (8-20 KW).- Llamadas plantas en espera (STAND-BY). Utilizadas para casas, residencias, departamentos, negocios pequeños.
Comercial (22-60 KW).- Utilizadas para plazas comerciales, tiendas departamentales, estacionamientos, escuelas, hospitales, clínicas.
1.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR
Partimos de la base de que si un conductor eléctrico corta las líneas de fuerza de un campo magnético, se origina en dicho conductor una corriente eléctrica (ley de Faraday). La generación de corriente trifásica tiene lugar en los generadores, en relación con un movimiento giratorio. Según este principio, existen tres embobinados iguales independientes entre sí, dispuestos de modo que se encuentran desplazados entre sí 120°. Según el principio de la inducción, al dar vueltas el motor se genera en los embobinados, tensiones alternas sinusoidales y respectivamente corrientes alternas, desfasadas también 120° entre sí, por lo cual quedan desfasadas igualmente en cuanto a tiempo. De esa forma tiene lugar un ciclo que se repite constantemente, produciendo la corriente alterna trifásica. En la figura 1.18 se muestra un generador trifásico con inductor móvil e inducido fijo.
La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la corriente en cada embobinado es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético dará una vuelta completa por ciclo. Aunque las tres corrientes son de igual frecuencia e intensidad, la suma de los valores instantáneos de las fuerzas electromotrices de las tres fases, es en cada momento igual a cero, lo mismo que la suma de los valores instantáneos de cada una de las fases, en cada instante.
FIGURA 1.18. SALIDA DEL GENERADOR (CORRIENTE TRIFASICA)
En la figura anterior se muestran las tres fases, ya desfasadas sobre un mismo eje a 120º. La línea negra del grafico representa la corriente de distinta polaridad, es decir, en este caso el negativo de la fase 1, corriente opuesta a las fases 2 y 3 que son por su naturaleza de polaridad positiva.
La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la distribución de la energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población, y en nuestro caso, por parte de una planta de emergencia de CA cuando la compañía de luz falle. Nikola Tesla probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era usando circuitos trifásicos.
120 °
120 °
120 °
-
+
+
I t1 t2 t3I t1 t2 t3
t 0
SISTEMA DE TENSIONES INDUCIDAS Dominio temporal
3 4 cos 2 ) ( ) 16 . 1 ( 3 2 cos 2 ) ( cos 2 ) ( 3 2 1 wt E t e wt E t e wt E t e Plano complejo 3 2 3 4 ) 17 . 1 ( 3 2 0 3 2 1 E E E E E E ESECUENCIA DE FASES
En la figura 1.19 se muestra la secuencia de fases de la generación del sistema trifásico equilibrado. Es importante ya que esta secuencia determina el grupo de conexión de los transformadores, los métodos de medida de potencia y el sentido de giro de los motores de inducción.
120
)
18
.
1
(
120
0
U
U
U
U
U
U
T S R
120
)
19
.
1
(
120
0
U
U
U
U
U
U
T S RSecuencia directa Secuencia inversa
CONEXIONES BASICAS
Existen 2 principales tipos de conexiones para los sistemas trifásicos: Conexión en delta y conexión en estrella. Solo me enfocare en la conexión en estrella, ya que tanto nuestra fuente, que es el generador, como las cargas se encuentran en dicha conexión.
FIGURA 1.20. FUENTES EN CONEXIÓN ESTRELLA
Condiciones para que la fuente trifásica sea equilibrada
0
)
20
.
1
(
T S
R
T S
R
gT gS
gR
U
U
U
U
U
U
Z
Z
Z
FIGURA 1.21. CARGAS EN CONEXIÓN ESTRELLA
La tensión simple o de fase es la diferencia potencial que existe en cada una de las ramas monofásicas de un sistema trifásico.
La tensión de línea o compuesta es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de línea o entre dos terminales de fase.
Intensidad de fase es la que circula por cada una de las ramas monofásicas de un sistema trifásico.
Intensidad de línea es la que circula por cada uno de los conductores de línea.
La intensidad de fase y de línea coinciden en un sistema conectado en estrella. Punto
Condiciones para que la carga trifásica sea equilibrada:
)
21
.
1
(
3 2 1Z
Z
Z
CORRIENTES DE LINEA Y DE FASE
Como mencione anteriormente, las corrientes de fase y de línea coinciden, independientemente de la secuencia de fases del sistema.
) 22 . 1 ( T S
R I I
I
TENSIONES DE FASES
De la formula 1.20 obtenemos las tensiones de fases:
TN SN
RN
U
U
U
,
,
120
)
23
.
1
(
120
0
U
U
U
U
U
U
TN SN RNTENSIONES DE LÍNEA
TR ST RS
U
U
U
,
,
)
25
.
1
(
3
30
3
0
120
)
24
.
1
(
30
3
120
120
30
3
120
0
E
U
U
E
E
U
U
U
U
E
E
U
U
U
U
E
E
U
U
U
L TN RN TN TR SN TN SN ST RN SN RN RS
1.7. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Nikolaus August Otto fue el primero en inventar un motor de combustión interna. Otto desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en versiones de cuatro y dos tiempos.
Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor.
Se emplean motores de combustión interna de 2 tipos principalmente:
El motor de explosión ciclo Otto (2 Y 4 tiempos). Los cuales funcionan con gas y gasolina. Y se dice que son encendidos a chispa.
El motor diesel, inventado por Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se dice que son encendidos a compresión.
El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante.
Una característica clave de los motores de combustión interna es que en cada ciclo se aspira aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema en el interior del motor. Luego los gases quemados son expulsados del sistema y se debe aspirar nueva mezcla o aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto.
FIGURA 1.22. CICLO OTTO
En la figura 1.22 vemos un ciclo genérico de un motor de combustión interna. Existe una presión mínima en el sistema equivalente a Pa. Desde 1 hasta 2 se realiza una
compresión, en teoría adiabática sin roce. Entre 2 y 3 se realiza la combustión, con un aporte de calor Qabs. Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes.
Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo (no varían ni presión ni volumen, aunque en el caso real sí lo hacen por variación de temperatura y porque en parte del ciclo se trabaja con gases quemados).
Se supone un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del sistema y se somete a las evoluciones equivalentes.
Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la evolución equivalente.
En forma análoga, entre 4 y 1 se supone que se enfría el aire en forma equivalente.
Una evolución clave en este ciclo genérico es la compresión de base 1-2. En efecto, ella es característica de cada ciclo y es (relativamente) constante. En cambio en la operación real, la cantidad de calor Qabs puede variar en forma importante, por lo tanto también
varía la evolución 3-4. Pero la compresión de base es relativamente estable.
1.7.1 RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO
Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que
el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el estudio del ciclo.
El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:
Evoluciones:
La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente
ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan.
La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas
como evoluciones a volumen constante.
La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen
adiabáticas sin roce. Es decir ΔQ12 = 0 y ΔQ34 =0.
Rendimiento: ) 26 . 1 ( 1 Qabs Qced
otto
Con los signos explícitos:
) 27 . 1 ( ) 1 4 ( ) 2 3
(T T Qced Cv T T Cv
Qabs
Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base: ) 1 2 / 3 ( ) 1 1 / 4 ( 2 1 1 T T T T T T otto
Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce:
) 31 . 1 ( 1 2 2 1 1 1
V
TV
T T4
V
41 T3V
31 (1.29)Dividiendo (1.32) / (1.31):
1 2 1 3 2 3 1 1 1 4 1 4
V
V
V
V
T T T T Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que:
2 3 1 4 T T T T De donde: 1 2 1 1 1 2 1
1 1 1
1 2 1 1
V
V
V
V
otto otto otto T T Llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que:
) 30 . 1 ( 1
1 1
a
otto
Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del ciclo conviene, en lo posible, aumentar lo más que se pueda la compresión de base. Los límites a esta compresión pueden venir de dos fuentes:
En el caso de que solo se comprima aire (motores Diesel, turbina a gas), la compresión máxima queda fijada solo por razones tecnológicas.
1.7.2 DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO OTTO:
Consideramos la siguiente grafica del ciclo Otto teórico para poder describir mejor los tiempos del motor que se llevan a cabo en el proceso de la combustión.
FIGURA 1.23. CICLO OTTO TEORICO
Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión se encuentra abierta. El pistón realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final de la admisión (en el PMI) se cierra la válvula de admisión. El llenado del cilindro requiere un trabajo negativo.
Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (V de admisión y válvula de escape), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La compresión requiere trabajo negativo.
Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS, se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión, aumentando la presión de 2 a 3.
Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática. La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo en que se genera trabajo positivo al exterior.
Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea y ocurre cuando se abre la válvula de escape.
Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa (la válvula de escape está abierta y la válvula de admisión se encuentra cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual el trabajo requerido es cero.
Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro tiempos.
