139
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS” “IMPLEMENTACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE ESCUELAS PRIMARIA” TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA P R E S E N T A: JOSUE RUIZ FERNANDEZ ASESORES: M. EN C. JUAN FRANCISCO NOVOA COLIN ING. FERNANDO SANCHEZ MARTÍNEZ MÉXICO, D. F. 2010

JOSUE RUIZ FERNANDEZ

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Page 1: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“IMPLEMENTACIÓN Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR

SERVICIOS GENERALES DE ESCUELAS PRIMARIA”

TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A:

JOSUE RUIZ FERNANDEZ

ASESORES:

M. EN C. JUAN FRANCISCO NOVOA COLIN ING. FERNANDO SANCHEZ MARTÍNEZ

MÉXICO, D. F. 2010

Page 2: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

QUE PARA OBTENEREL TITULO DE TESIS Y EXAMEN ORAL INDlVIDUAL

POR LA OPCION DE TITULACION C. JOSUE RUlZ FERNANOEZDEBERA(N) DESARROLLAR

"IMPLEMENTACiÓNY PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA AUTOMÁTICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE

ESCUELAS PRIMARIA"

INSTALAR Y PR()PONER EN MARCHA PLANTA DE EMERGENCIA GtNERADORA DE CORRIENTE ALTERNA (CA) TRIFÁSICA DE 80 KW A GAS LP, CON ACCIONAMIENTO MANUAL Y AUTOMÁTICO.

• JUSTifICACiÓN • PLANTA DE EMERGENClA • PLANTEAMIENTO • MEMORIA TÉCNICA DE PLANTA DE EMERGENCIA • INSTALAClON y PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA • COSTO-BENEfiCIO • CONCLUSIONES • ANEXOS

MÉXICO D.F. A 14 DE .JUNIO DE 2010

ASESORES

/.If M. EN C. JUAN F~ NOVOA COLaN

M. EN C. SALVADO

Page 3: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

1

INDICE

OBJETIVO GENERAL 5

OBJETIVOS PARTICULARES 5

JUSTIFICACIÓN 6

INTRODUCCION 7

CAPITULO I: PLANTAS DE EMERGENCIA DE CA

8

1.1 MAGNETISMO

9

1.1.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA 9

1.1.3 LAS EXPERIENCIAS DE FARADAY 10

1.1.4 FLUJO MAGNETICO 12

1.1.5 LEY DE FARADAY – HENRY 13

1.1.6 EL SENTIDO DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS 14

1.1.7 CORRIENTES INDUCIDAS 15

1.1.8 LA FUERZA ELECTROMOTRIZ SINUSOIDAL 16

1.2 POTENCIA

17

1.2.1 TIPOS DE POTENCIA 17

1.2.1.1 POTENCIA ACTIVA O RESISTIVA (P) 17

1.2.1.2 POTENCIA REACTIVA O INDUCTIVA (Q) 18

1.2.1.3 POTENCIA APARENTE O TOTAL (S) 18

1.3 FACTOR DE POTENCIA 19

1.4 PLANTA DE EMERGENCIA DE CA 21

1.4.1 CARACTERISTICAS PRIMORDIALES DE LAS PLANTAS DE

EMERGENCIA 22

1.4.1.1 CARGA DE TRANSICION 22

Page 4: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

2

1.4.1.2 RESPUESTA DEL SISTEMA DE EXCITACION 23

1.4.1.3 RESPUESTA DE ARRANQUE DE MOTOR 24

1.4.1.4 KVA DE ROTOR BLOQUEADO 25

1.4.1.5 CAÍDA SOSTENIDA DE VOLTAJE 25

1.4.1.6 RESPUESTA DE FALLA 26

1.4.1.7 TEMPERATURAS DE LOS DEVANADOS DE CORTO CIRCUITO 27

1.5. TIPOS DE PLANTAS DE EMERGENCIA 28

1.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR 29

SISTEMA DE TENSIONES INDUCIDA 30

SECUENCIA DE FASES 30

CONEXIONES BASICAS 31

CORRIENTES DE LINEA Y DE FASE 32

TENSIONES DE FASES 32

TENSIONES DE LÍNEA 32

1.7. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA 33

1.7.1 RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO 34

1.7.2 DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO OTTO: 36

CAPITULO II: PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 37

2.1 LEVANTAMIENTO 38

2.1.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO 38

2.1.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO 41

2.1.3 INSTALACION DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE 42

2.1.4 INSTALACION ELECTRICA 43

Page 5: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

3

2.2. SOLUCION AL PROBLEMA 44

2.2.1. PARTES PRINCIPALES DE LA PLANTA DE EMERGENCIA

IMPLEMENTADA 44

2.2.1.1 GENERADOR 44

ROTOR 45

ESTATOR 45

2.1.1.2. EXCITACION 48

AUTOEXCITACIÓN (SIN ESCOBILLAS) 48

ECUACIONES DEL GENERADOR 50

GENERADOR SIN CARGA 50

GENERADOR CON CARGA 52

2.1.1.3 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO (AVR) 53

2.1.1.4 CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE 58

2.1.1.5 MOTOR 59

2.1.5.1 SISTEMAS PRINCIPALES DEl MOTOR DE COMBUSTION

INTERNA 59

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN 59

CARBURADOR 61

ACCESORIOS DEL CARBURADOR 62

AHOGADOR 62

GOBERNADOR 62

SISTEMA DE IGNICION (ENCENDIDO) 63

ENCENDIDO ELECTRONICO INTEGRAL 64

GENERADOR DE IMPULSOS DE TIPO INDUCTIVO 65

UNIDAD DE CONTROL 66

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO 67

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO 68

PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO 69

SISTEMA DE ARRANQUE 70

FUNCIONAMIENTO 70

ESTRUCTURA DEL MOTOR DE ARRANQUE 70

TIPOS DE MOTOR DE ARRANQUE 71

2.2.1.6 PANEL DE CONTROL H-100 73

Page 6: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

4

2.2.1.7 PROTECCIONES PARA EL MOTOR Y GENERADOR 75

2.2.1.8 CONEXIONES DE AC 76

2.2.1.9 TABLERO DE TRANSFERENCIA 76

2.3. OPERACIÓN DE LA PLANTA DE EMERGENCIA 81

CAPITULO III: MEMORIA TECNICA DE LA PLANTA DE

EMERGENCIA

89

3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO 90

3.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO 93

3.3 SISTEMA DE COMBUSTIBLE 93

3.4 INSTALACION ELECTRICA 95

CAPITULO IV: INSTALACION Y PUESTA EN MARCHA DE PLANTA

DE EMERGENCIA

98

4.1 INSTALACION DE LA PLANTA DE EMERGENCIA 99

4.2 PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA 105

CAPITULO V: COSTO-BENEFICIO

108

CAPITULO VI: CONCLUSIONES

111

BIBLIOGRAFIA

114

ANEOS

116

ANEXO 1

HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE REGULADORES DE GAS PRIMARIOS 117

ANEXO 2

HOJA DE ESPECIFICACIONES DE PLANTA DE 80 KW 119

ANEXO 3

SOFTWARE GENLINK 120

ANEXO 4

CONTROLADOR H-100 129

ANEXO 5

CONTROL DEL HTS 137

Page 7: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

5

“IMPLEMENTACION Y PUESTA EN MARCHA DE UNA PLANTA

AUTOMATICA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP PARA

RESPALDAR SERVICIOS GENERALES DE ESCUELA

PRIMARIA”

OBJETIVO GENERAL

Instalar y poner en marcha planta de emergencia generadora de corriente alterna

trifásica de 80 KW a gas LP, con accionamiento manual y automático.

OBJETIVOS PARTICULARES

Implementar planta automática de emergencia generadora de CA trifásica de 80 KW a

gas LP para respaldar la carga total de una escuela primaria, a través de un Panel de

control H100 y Tablero de transferencia HTS. El sistema se comportara como

emergencia.

Gestión y monitoreo del equipo en sitio a través del Genlink.

Explicar características y funcionamiento en general de la planta de emergencia.

Instalación y puesta en marcha del equipo.

Dar a conocer las ventajas que nos ofrece el sistema (costo-beneficio).

Page 8: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

6

JUSTIFICACION

La eficiencia en el uso de la energía eléctrica involucra a los estados, empresas y

personas por igual. El uso eficiente de las reservas de energía existentes es cada vez más

importante para los diversos negocios. Hacer la energía eficiente es una tarea altamente

responsable, no sólo por el hecho del ahorro en sí, sino para acceder al mercado

globalizado con mayores oportunidades de competitividad. En este caso, la escuela

primaria depende mucho de la energía, desde las necesidades diarias como la

calefacción, el aire acondicionado, suministro de agua y luminarias, a las más esenciales

como aparatos de video, aparatos de audio, instrumentos musicales electrónicos,

computadoras, servidores, sistemas de seguridad, etc. En la actualidad, los cortes del

suministro de electricidad ocurren más frecuentemente y duran más con efectos

devastadores. Al igual la pérdida potencial de ingresos que enfrenta el colegio como

resultado de un corte de energía puede ser significativa. Por lo tanto, nuestra planta

automática de emergencia protege al colegio de dichos cortes de energía y permite que

las actividades continúen sin interrupciones.

Estos equipos generadores tienen una amplia variedad de opciones, configuraciones y

disposiciones que permiten cumplir con las necesidades de energía de reserva en casi

todas las aplicaciones. La especialidad es que nuestro equipo versátil se pueda

personalizar aún más para estar seguros de poder satisfacer hasta las necesidades menos

comunes en forma eficiente y a bajo costo. Un funcionamiento confiable probado con

prototipos. Los recursos ilimitados de combustible continuo de gas licuado de petróleo

(LP) en el lugar proporcionan funcionamiento más parejo y silencioso, mas barato,

menos emisiones de gases, lo cual contamina menos. Además de que cuenta con un

gabinete que reduce significativamente aun más las emisiones de ruido. Un motor

industrial que puede recibir servicio fácilmente por técnicos capacitados en motores. El

equipo realiza una prueba de autodiagnóstico semanal para comprobar y garantizar el

buen funcionamiento. La regulación de voltaje compensado con frecuencias de estado

sólido permite una salida más pareja de energía. Optimiza la respuesta rápida a los

cambios de las condiciones de la carga y la capacidad máxima de arranque del motor

para el acoplamiento electrónico del par-motor a través de un gobernador electrónico.

Tablero de transferencia HTS diseñado para ser utilizado con el controlador del

generador H-100. Tiene un Sistema de control fortalecido con software de monitoreo

remoto Genlink, con el cual el HTS puede controlarse remotamente desde una PC. El

control digital es el más avanzado tecnológicamente de la industria, diseñado desde el

inicio para mayor confiabilidad, integra el control del equipo generador, el gobernador y

el regulador de voltaje en un microprocesador digital único de 32 bits. El H-100

proporciona el control simultáneo de los parámetros claves e incluye las

comunicaciones y las entradas/salidas configurables por el usuario. Puertos remotos

RS232 y RS485. Cuatro salidas de relevadores configurables por el usuario. Y otras

opciones (12 entradas, 12 salidas, módem).

Por lo mencionado, el generador de 80 KW a gas LP es más que funcional para nuestra

aplicación, así como también garantiza un óptimo funcionamiento para que jamás se

vuelvan a preocupar por los cortes de energía.

Page 9: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

7

INTRODUCCION

Las plantas de emergencia han sido utilizadas comúnmente cuando hay déficit en la

generación de energía eléctrica de algún lugar, o cuando hay corte en el suministro

eléctrico y es necesario mantener la actividad, como es en el caso de lugares de

concurrencia pública, escuelas, hospitales, fábricas, que, a falta de energía eléctrica de

red, necesiten de otra fuente de energía alterna para abastecerse en caso de emergencia.

En el mercado, existen muchos de estos equipos de emergencia. En esta tesis expondré

el equipo de emergencia que consta de un mecanismo motor-generador que se alimenta

a gas LP y que tiene una salida de voltaje trifásico de 220 V a 60 Hz, el cual se

implementara a una escuela primaria para respaldar todas las cargas de sus

instalaciones.

En el primer capitulo, daré una introducción teórica de las plantas de emergencia en

general. Leyes, principio de funcionamiento, características primordiales que debemos

considerar de las plantas de emergencia, tipos de plantas a gas LP que existen en el

mercado; y se explica el funcionamiento general del generador y motor de combustión

interna que son los mecanismos principales del sistema.

En el capitulo 2, se plantea lo que requiere el cliente de acuerdo a lo que tiene y

necesita, se ofrece la solución a este requerimiento, que es la implementación de una

planta automática de emergencia de 80 KW a gas LP, trifásica; explicando cada una de

las partes que la conforman, funciones y operación del equipo.

En el capitulo 3 se tiene la memoria técnica de la planta de emergencia, esto es, el

levantamiento técnico del proyecto, que consta de los requerimientos y cálculos

necesarios para la instalación eléctrica y la instalación del suministro de combustible

(gas LP) que se llevara a cabo.

Para finalizar, en el capitulo 4 se detalla el desarrollo la instalación eléctrica, suministro

de gas LP para la planta y la puesta en marcha del equipo.

Culmino con el costo-beneficio del proyecto en el capitulo 5, el cual nos deja en claro la

innovación del equipo, en lo que se refiere al costo y los beneficios que nos brinda el

equipo y que reflejara la satisfacción del cliente al haber elegido este equipo para

solucionar su problema de energía.

Page 10: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

8

“PLANTAS DE EMERGENCIA DE CA”

Page 11: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

9

1.1 MAGNETISMO

El magnetismo se define como una propiedad peculiar poseída por ciertos materiales

mediante el cual se pueden repeler o atraer mutuamente con naturalidad. Cada electrón

crea un campo magnético débil, los que al juntarse con otros crean un campo magnético

intenso. Además el magnetismo puede ser usado para producir electricidad, al igual que

la electricidad puede producir magnetismo. Debido a su relación, el estudio de uno debe

incluir el estudio del otro. El magnetismo es en realidad una fuerza que no se puede ver

aunque se pueden observar sus efectos en otros materiales. Las líneas de fuerza

magnética llamado flujo, fluye en un lazo cerrado del polo norte al polo sur del

magneto. La forma de las líneas del flujo definen los patrones los cuales varían en

densidad de acuerdo a la fuerza del magneto. Ver figura 1.1. Las líneas de flujo jamás

cruzan entre si. El área que rodea al magneto en el cual se pueden sentir las líneas del

flujo magnético es llamado campo magnético.

FIGURA 1.1. REPRESENTACIÓN DE UN MAGNETO Y SUS LÍNEAS DE FUERZA

1.1.2 INDUCCION ELECTROMAGNETICA

La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos

magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este

fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. James

Clerk Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la

electricidad y el magnetismo.

El descubrimiento, debido a Hans Christian Oersted, de que una corriente eléctrica

produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y

multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la

electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa

de producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Fue Faraday el primero

en precisar en qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno.

A las corrientes eléctricas producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday

las llamó corrientes inducidas. Desde entonces al fenómeno consistente en generar

campos eléctricos a partir de campos magnéticos variables se denominó inducción

electromagnética.

LINEAS DE FUERZA MAGNETICA

Page 12: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

10

1.1.3 LAS EXPERIENCIAS DE FARADAY

Las experiencias que llevaron a Faraday al descubrimiento de la inducción

electromagnética las agrupo en dos categorías: Con corrientes y con imanes.

En el primer experimento con corrientes, enrolló un alambre conductor alrededor de un

núcleo cilíndrico de madera y conectó sus extremos a un galvanómetro G, ésta es la

bobina B de la figura 1.2. En seguida enrolló otro alambre conductor encima de la

bobina anterior. Los extremos de la segunda bobina A los conectó a una batería. La

argumentación de Faraday fue la siguiente: al cerrar el contacto C de la batería,

empieza a circular una corriente eléctrica a lo largo de la bobina A. De los resultados de

Oersted y Ampère, se sabe que esta corriente genera un efecto magnético a su alrededor

(como se muestra en la figura 1.3).

FIGURA 1.2. ESQUEMA DEL EXPERIMENTO DE FARADAY CON QUE DESCUBRIÓ

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA.

Este efecto magnético cruza la bobina B, y si el magnetismo produce electricidad,

entonces por la bobina B debería empezar a circular una corriente eléctrica que debería

poder detectarse por medio del galvanómetro. Sus experimentos demostraron que la

aguja del galvanómetro no se movía, lo cual indicaba que por la bobina B no pasaba

ninguna corriente eléctrica.

FIGURA 1.3. CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DEL CONDUCTOR

Sin embargo, Faraday se dio cuenta de que en el instante en que conectaba la batería

ocurría una pequeña desviación de la aguja de galvanómetro. También se percató de

que en el momento en que desconectaba la batería, la aguja del galvanómetro se

desviaba ligeramente otra vez, ahora en sentido opuesto. Por lo tanto, concluyó que en

un intervalo de tiempo muy pequeño, mientras se conecta y se desconecta la batería, si

hay corriente en la bobina B.

LINEAS DE FUERZA

MAGNETICA

CONDUCTOR

CORRIENTE

Page 13: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

11

Siguiendo esta idea, Faraday descubrió que efectivamente se producen corrientes

eléctricas sólo cuando el efecto magnético cambia, si éste es constante no hay ninguna

producción de electricidad por magnetismo. Al conectar el interruptor en el circuito de

la bobina A de la figura 1.2, el valor de la corriente eléctrica que circula por él cambia

de cero a un valor distinto de cero. Por tanto, el efecto magnético que produce esta

corriente a su alrededor también cambia de cero a un valor distinto de cero. De la

misma manera, cuando se desconecta la batería la corriente en el circuito cambia de un

valor no nulo a cero, con el consecuente cambio del efecto magnético.

Por otro lado, cuanto está circulando una corriente con el mismo valor todo el tiempo,

hecho que ocurre cuando la batería está ya conectada, el efecto magnético que produce

la bobina también es constante y no cambia con el tiempo. Recordemos que la

intensidad del efecto magnético producido por una corriente eléctrica depende del valor

de la corriente: mientras mayor sea este valor mayor será la intensidad del efecto

magnético producido. Faraday realizó diferentes experimentos en los cuales el efecto

magnético que producía y atravesaba una bobina daba lugar a que se produjera una

corriente eléctrica en esta bobina.

En el segundo grupo de experiencias Faraday utilizó un imán recto y una bobina

conectada a un galvanómetro. Al introducir bruscamente el imán en la bobina observó

una desviación en la aguja, desviación que desaparecía si el imán permanecía inmóvil

en el interior de la bobina. Cuando el imán era retirado, la aguja del galvanómetro se

desplazaba de nuevo, pero esta vez en sentido contrario. Cuando repetía todo el proceso

completo, la aguja oscilaba de un lado a otro y su desplazamiento era mayor cuanto era

más rápido el movimiento del imán al entrar y salir en el interior de la bobina. Lo

mismo sucedía cuando mantenía quieto el imán y movía la bobina sobre él.

La representación del campo magnético en forma de líneas de fuerza permitió a

Faraday encontrar una explicación intuitiva para este tipo de fenómenos. Para que se

produjera una corriente inducida en la bobina, era necesario que las líneas de fuerza

producidas por el imán fueran cortadas por el hilo conductor de la bobina como

consecuencia del movimiento de uno u otro cuerpo. En el primer grupo de experiencias,

las líneas de fuerza, al aparecer y desaparecer junto con la corriente debida a la pila,

producían el mismo tipo de efectos. La inducción electromagnética constituye una

pieza destacada en el sistema de relaciones mutuas entre electricidad y magnetismo que

se conoce con el nombre de electromagnetismo.

Como se observa en la figura 1.3, el electromagnetismo se refiere a que todos los

conductores eléctricos que llevan una corriente, están rodeados por un campo

magnético, que está a 90° del conductor. Cuando la corriente que fluye en el conductor

se incrementa, el número de líneas de flujo se incrementa proporcionalmente. Así la

fuerza del campo magnético se incrementa cuando el flujo de corriente se incrementa.

El campo magnético se distribuye a lo largo del conductor.

Page 14: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

12

1.1.4 FLUJO MAGNETICO

La representación de la influencia magnética de un imán o de una corriente eléctrica en

el espacio que les rodea mediante líneas de fuerza fue ideada también por Faraday y

aplicada en la interpretación de la mayor parte de sus experimentos sobre

electromagnetismo.

Dado que la intensidad del campo magnético B disminuye con la distancia a los polos,

parece razonable relacionar ambos hechos y establecer por convenio una

proporcionalidad directa entre la intensidad del campo B y la cantidad de líneas de

fuerza que atraviesan una superficie. Ver figura 1.4. Cuanto más apretadas están las

líneas en una región, más intenso es el campo en dicha región. El número de líneas de

fuerza del campo B que atraviesa una superficie depende de cómo esté orientada tal

superficie con respectó a la dirección de dichas líneas. Así, para un conjunto de líneas

de fuerza dado, el número de puntos de intersección o de corte con la superficie será

máximo para una orientación perpendicular y nulo para una orientación paralela. El

número de líneas de fuerza del campo B que atraviesa perpendicularmente una

superficie constituye entonces una forma de expresar el valor de la intensidad de dicho

campo.

Se define el flujo (Φ) del campo magnético B a través de una superficie S como el

número total de líneas de fuerza que atraviesan tal superficie. En términos matemáticos,

para un campo magnético constante y una superficie plana de área S, el flujo magnético

se expresa como:

)1.1(cosBS

Siendo φ el ángulo que forman las líneas de fuerza (vector B) con la perpendicular a la

superficie. Dicha ecuación recoge, mediante el cos φ, el hecho de que el flujo varíe con

la orientación de la superficie respecto del campo B y también que su valor dependa del

área S de la superficie atravesada.

Para φ=0° (intersección perpendicular):

BS

Para φ=90° (intersección paralela):

0

FIGURA 1.4 A TRAVÉS DE UNA SUPERFICIE (S) HAY UN FLUJO MAGNÉTICO

B

S

Page 15: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

13

La idea de flujo se corresponde entonces con la cantidad de campo magnético que

atraviesa una superficie determinada. En el Sistema Internacional se expresa en wéber

(Wb). Un wéber es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira

produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 volt si se anula dicho flujo en 1

segundo por crecimiento uniforme.

1.1.5 LEY DE FARADAY – HENRY

Independientemente de Faraday, Joseph Henry, había observado que un campo

magnético variable produce en un circuito próximo una corriente eléctrica. Los

resultados concordantes de las experiencias de ambos físicos pueden resumirse en un

enunciado que se conoce como ley de Faraday-Henry: “La fuerza electromotriz

inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo magnético

que lo atraviesa”. En forma matemática:

)2.1(t

Siendo ε la fuerza electromotriz inducida y ΔΦ la variación de flujo magnético que se

produce en el intervalo de tiempo Δt. De acuerdo con esta ecuación, la magnitud de la

FEM inducida coincide con lo que varía el flujo magnético por unidad de tiempo. La

presencia de la fuerza electromotriz ε en la ley de Faraday-Henry en lugar de la

intensidad de corriente, resalta una característica de la inducción a saber, su capacidad

para sustituir a un generador, es decir, para producir los mismos efectos que éste en un

circuito eléctrico.

Por su parte, el signo negativo recoge el hecho, observado experimentalmente por

Faraday y Henry, de que aumentos (ΔΦ>0) y disminuciones (ΔΦ<0) de flujo magnético

producen corrientes inducidas de sentidos opuestos.

Cuando la ley de Faraday-Henry se aplica a una bobina formada por N espiras iguales

toma la forma:

)3.1(t

N

Siendo ΔΦ/Δt la variación del flujo magnético por unidad de tiempo para una sola

espira en la bobina.

Page 16: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

14

1.1.6 EL SENTIDO DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS

Aunque la ley de Faraday-Henry, a través de su signo negativo, establece una

diferencia entre las corrientes inducidas por un aumento del flujo magnético y las que

resultan de una disminución de dicha magnitud, no explica este fenómeno. Lenz, un

físico alemán que investigó el electromagnetismo en Rusia al mismo tiempo que

Faraday y Henry, propuso la siguiente explicación del sentido de circulación de las

corrientes inducidas que se conoce como ley de Lenz: Las corrientes que se inducen en

un circuito se producen en un sentido tal que con sus efectos magnéticos tienden a

oponerse a la causa que las originó. Así, cuando el polo norte de un imán se aproxima a

una espira, la corriente inducida circulará en un sentido tal que la cara enfrentada al

polo norte del imán sea también norte, con lo que ejercerá una acción magnética

repulsiva sobre el imán, la cual es preciso vencer para que se siga manteniendo el

fenómeno de la inducción. Inversamente, si el polo norte del imán se aleja de la espira,

la corriente inducida ha de ser tal que genere un polo sur que se oponga a la separación

de ambos.

Sólo manteniendo el movimiento relativo entre espira e imán persistirán las corrientes

inducidas (I), de modo que si se detiene el proceso de acercamiento o de separación

cesarían aquéllas y, por tanto, la fuerza magnética entre el imán y la espira

desaparecería (figura 1.5).

FIGURA 1.5. GENERACIÓN DE FLUJO MAGNÉTICO Y GENERACIÓN DE F.E.M.

La ley de Lenz, que explica el sentido de las corrientes inducidas, puede ser a su vez

explicada por un principio más general, el principio de la conservación de la energía. El

cual establece que la producción de una corriente eléctrica requiere un consumo de

energía y la acción de una fuerza desplazando su punto de aplicación supone la

realización de un trabajo.

En los fenómenos de inducción electromagnética es el trabajo realizado en contra de las

fuerzas magnéticas que aparecen entre espira e imán el que suministra la energía

necesaria para mantener la corriente inducida. Si no hay desplazamiento, el trabajo es

nulo, no se transfiere energía al sistema y las corrientes inducidas no pueden aparecer.

Análogamente, si éstas no se opusieran a la acción magnética del imán, no habría

trabajo exterior, ni energía generada.

CAMPO

MAGNETICO

BOBINA

LAMPARA IMAN

FEM

Page 17: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

15

1.1.7 CORRIENTES INDUCIDAS

La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el

tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus

polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa muchas veces por

segundo. La ley de Faraday-Henry establece que se induce una fuerza electromotriz ε

(FEM) en un circuito eléctrico siempre que varíe el flujo magnético Φ que lo atraviesa

(figura 1.5). Pero de acuerdo con la definición de flujo magnético (ecuación 1.1), éste

puede variar porque varíe el área S limitada por el conductor, porque varíe la intensidad

del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada por el ángulo φ.

En las primeras experiencias de Faraday las corrientes inducidas se conseguían

variando el campo magnético B; no obstante, es posible provocar el fenómeno de la

inducción sin desplazar el imán ni modificar la corriente que pasa por la bobina,

haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo magnético debido a un imán. En

tal caso, el flujo magnético varía porque varía el ángulo φ. Utilizando el tipo de

razonamiento de Faraday, podría decirse que la bobina al rotar, corta las líneas de

fuerza del campo magnético del imán y ello da lugar a la corriente inducida.

En una bobina de una sola espira, la fuerza electromotriz que se induce durante un

cuarto de vuelta al girar la bobina desde la posición paralela (φ=90°) a la posición

perpendicular (φ=0°) puede calcularse a partir de la ley de Faraday-Henry.

Combinando las ecuaciones 1.1 y 1.2:

)4.1(t

BS

t

Si se hace rotar la espira uniformemente alrededor del eje LL (figura 1.6), ese

movimiento de rotación periódico da lugar a una variación también periódica del flujo

magnético, o en otros términos, la cantidad de líneas de fuerza que es cortada por la

espira en cada segundo toma valores iguales a intervalos iguales de tiempo. La FEM

inducida en la espira varía entonces periódicamente con la orientación y con el tiempo,

pasando de ser positiva a ser negativa, y viceversa, de una forma alternativa. Se ha

generado una FEM alterna cuya representación gráfica, en función del tiempo, tiene la

forma de una línea sinusoidal.

FIGURA 1.6. SE PUEDE LOGRAR QUE EL FLUJO A TRAVÉS DE LA SUPERFICIE

CAMBIE CON EL TIEMPO, HACIÉNDOLA GIRAR ALREDEDOR DEL EJE LL.

Page 18: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

16

1.1.8 LA FUERZA ELECTROMOTRIZ SINUSOIDAL

La ley de Faraday expresada en la forma de ε = - ΔΦ/Δt representa, en sentido estricto,

la FEM media que se induce en el intervalo t. Si dicho intervalo se reduce a un instante,

la expresión anterior se convierte en:

)5.1(dt

d

Si la espira gira con una velocidad angular ω constante, el ángulo φ variará con t en la

forma φ=ωt, como en un movimiento circular uniforme. La expresión del flujo en

función del tiempo (formula 1.1) puede escribirse entonces como:

)6.1(coscos tBSBS

Y el cálculo de la FEM instantánea, se reduce entonces a un ejercicio de derivación de

la función coseno, pues BS es una cantidad constante:

)7.1()(cos)cos(

dt

tdBS

dt

tBSd

Teniendo en cuenta que la derivada: tsendt

td

cos

Resulta finalmente:

)8.1()( 0 tsentsenBStsenBS

Siendo ε 0 = wBS el valor máximo de la FEM sinusoidal inducida en la espira. Si se

tratara de una bobina con N espiras se obtendría para ε 0, siguiendo un procedimiento

análogo, el valor ε 0 = N B S ω.

La fuerza electromotriz inducida varía con el tiempo, tomando valores positivos y

negativos de un modo alternativo, como lo hace la función seno. Su valor máximo

depende de la intensidad del campo magnético del imán, de la superficie de las espiras,

del número de ellas y de la velocidad con la que rote la bobina dentro del campo

magnético. Al aplicarla a un circuito eléctrico daría lugar a una corriente alterna.

Posteriormente se pudo determinar el sentido de movimiento del campo magnético con

la ayuda de brújulas o de la regla de la mano derecha.

Page 19: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

17

1.2 POTENCIA

La potencia eléctrica (P) es la tasa de producción o consumo de energía, como la

potencia de un generador o la potencia disipada en una lámpara. La energía se expresa

en joules (J) y la potencia se mide en watts (W), con frecuencia en kilowatts (kW).

1.2.1 TIPOS DE POTENCIA

Del mayor o menor retraso o adelanto que provoque un equipo eléctrico cualquiera en la

corriente que fluye por un circuito, en relación con el voltaje, así será el factor de

potencia que tenga dicho equipo.

En un circuito eléctrico de corriente alterna se pueden llegar a encontrar tres tipos de

potencia eléctrica diferentes:

Potencia activa

Potencia reactiva

Potencia aparente

1.2.1.1 POTENCIA ACTIVA O RESISTIVA (P)

Cuando conectamos una resistencia (R) o carga resistiva en un circuito de corriente

alterna, el trabajo útil que genera dicha carga determinará la potencia activa que tendrá

que proporcionar la fuente de fuerza electromotriz (FEM). La potencia activa se

representa por medio de la letra (P) y su unidad de medida es el watt (W).

La fórmula matemática para hallar la potencia activa que consume un equipo eléctrico

cualquiera cuando se encuentra conectado a un circuito monofásico de corriente alterna

es la siguiente:

)9.1(CosIVP

De donde:

P = Potencia de consumo eléctrico, expresada en watt (W).

V = Tensión que se le aplica al circuito en volts (V).

I = Intensidad de la corriente que fluye por el circuito, en amperes (A).

Cos φ= Valor del factor de potencia.

La representación matemática de la potencia activa en un sistema trifásico equilibrado

está dada por la ecuación:

)10.1(3 CosIVP

Lo único que cambia es el factor: 3 que es el factor de un sistema trifásico.

En los dispositivos que poseen solamente carga resistiva, el factor de potencia es

siempre igual a 1, mientras que en los que poseen carga inductiva ese valor será siempre

menor a 1.

Page 20: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

18

1.2.1.2 POTENCIA REACTIVA O INDUCTIVA (Q)

Esta potencia la consumen los circuitos de corriente alterna que tienen conectadas

cargas reactivas, como pueden ser motores, transformadores de voltaje y cualquier otro

dispositivo similar que posea bobinas o embobinados. Esos dispositivos no sólo

consumen la potencia activa que suministra la fuente de FEM, sino también potencia

reactiva.

La potencia reactiva o inductiva no proporciona ningún tipo de trabajo útil, pero los

dispositivos que poseen embobinados de alambre de cobre, requieren ese tipo de

potencia para poder producir el campo magnético con el cual funcionan. La unidad de

medida de la potencia reactiva es el volt-ampere reactivo (VAR).

La fórmula matemática para hallar la potencia reactiva de un circuito eléctrico es la

siguiente:

)11.1(22 PSQ

De donde:

Q = Valor de la carga reactiva o inductiva, en volt-ampere reactivo (VAR).

S = Valor de la potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).

P = Valor de la potencia activa o resistiva, expresada en watt (W).

1.2.1.3 POTENCIA APARENTE O TOTAL (S)

La potencia aparente (S), llamada también potencia total, es el resultado de la suma

geométrica de las potencias activa y reactiva. Esta potencia es la que realmente

suministra una planta eléctrica cuando se encuentra funcionando al vacío, es decir, sin

ningún tipo de carga conectada, mientras que la potencia que consumen las cargas

conectadas al circuito eléctrico es potencia activa (P). La potencia aparente se

representa con la letra S y su unidad de medida es el volt-ampere (VA). La fórmula

matemática para hallar el valor de este tipo de potencia es la siguiente:

)12.1(IVS

De donde:

S = Potencia aparente o total, expresada en volt-ampere (VA).

V = Voltaje de la corriente, expresado en volt (V).

I = Intensidad de la corriente eléctrica, expresada en amperes (A).

La potencia activa, por ejemplo, es la que proporciona realmente el eje de un motor

eléctrico cuando le está transmitiendo su fuerza a otro dispositivo mecánico para hacerlo

funcionar.

Page 21: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

19

1.3 FACTOR DE POTENCIA

El llamado triángulo de potencia es la mejor forma de ver y comprender de forma

gráfica qué es el factor de potencia y su estrecha relación con los tipos de potencia

presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna.

FIGURA 1.7. TRIANGULO DE POTENCIA

Como se podrá observar en el triángulo de la figura 1.7, el factor de potencia representa

el valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y la

potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la

potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico

de corriente alterna. Esta relación se puede representar también, de forma matemática,

por medio de la siguiente fórmula:

)13.1(S

PCospotenciadefactor

El resultado de esta operación será 1 o un número fraccionario menor que 1 en

dependencia del factor de potencia que le corresponde a cada equipo o dispositivo en

específico. Ese número responde al valor de la función trigonométrica coseno,

equivalente a los grados del ángulo que se forma entre las potencias (P) y (S).

Si el número que se obtiene como resultado de la operación matemática es un decimal

menor que 1, dicho número representará el factor de potencia correspondiente al

desfasamiento en grados existente entre la intensidad de la corriente eléctrica y el

voltaje en el circuito de corriente alterna. Lo ideal sería que el resultado fuera siempre

igual a 1, pues así habría una mejor optimización y aprovechamiento del consumo de

energía eléctrica, o sea, habría menos pérdida de energía no aprovechada y una mayor

eficiencia de trabajo en los generadores que producen esa energía.

En los circuitos de resistencia activa, el factor de potencia siempre es 1, porque en ese

caso no existe desfasamiento entre la intensidad de la corriente y el voltaje. Pero en los

circuitos inductivos, como ocurre con los motores, transformadores de voltaje y la

mayoría de los dispositivos o aparatos que trabajan con algún tipo de embobinado o

bobina, el valor del factor de potencia se muestra con una fracción decimal menor que

1, lo que indica el retraso o desfasamiento que produce la carga inductiva en la

sinusoidal correspondiente a la intensidad de la corriente con respecto a la sinusoidal del

voltaje.

POTENCIA ACTIVA

P (KW)

POTENCIA APARENTE

S (KVA)

POTENCIA REACTIVA

Q (KVAR) COS φ

Page 22: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

20

Por tanto, un motor de corriente alterna con un factor de potencia o Cos φ=0.95, por

ejemplo, será mucho más eficiente que otro que posea un Cos φ=0.85. El dato del factor

de potencia de cada generador es un valor fijo, que aparece generalmente indicado en

una placa metálica pegada a su cuerpo o carcasa, donde se muestran también otros datos

de interés, como su voltaje de trabajo en volt (V), intensidad de la corriente de trabajo

en ampere (A) y su capacidad de energía eléctrica en watt (W) o kilowatt (kW).

Ya vimos anteriormente que la potencia de un generador eléctrico o de cualquier otro

dispositivo que contenga bobinas o embobinados se puede calcular empleando la

fórmula matemática (1.9).

Por otra parte, como el valor de (P) viene dado en watt, sustituyendo (P) en la fórmula

(1.12) podemos decir también que:

WP

Por tanto:

)14.1(CosIVW

De donde:

W = Potencia de consumo del dispositivo o equipo en watt y Cos φ= Factor de potencia

que aparece señalado en la placa del dispositivo o equipo.

Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo o equipo, su voltaje de trabajo y su

factor de potencia, y quisiéramos hallar cuántos amperes (A) de corriente fluyen por el

circuito (por ejemplo, en un generador), despejando (I) en la fórmula (1.16) tendremos:

)15.1(CosV

WI

Cuando en la red de suministro eléctrico de una industria existen muchos generadores,

motores y transformadores funcionando, y se quiere mejorar el factor de potencia, se

emplean bancos de capacitores dentro de la propia industria, conectados directamente a

la red principal. En algunas empresas grandes se pueden encontrar también motores de

corriente alterna del tipo sincrónicos funcionando al vacío, es decir, sin carga, para

mejorar también el factor de potencia. De esa forma los capacitores, al actuar sobre la

sinusoidal de la corriente, produce el efecto contrario al de la inductancia, impidiendo

que la corriente se atrase mucho en relación con el voltaje. Así se tratará de que las

sinusoidales se pongan en fase y que el valor del factor de potencia se aproxime lo más

posible a 1.

Page 23: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

21

1.4 PLANTA DE EMERGENCIA DE CA

Una planta de emergencia de CA es un equipo generador de corriente alterna, mejor

conocido como maquina rotatoria sincrona. Dicho equipo consta principalmente de un

acoplamiento motor-generador, en el cual la flecha de un motor de combustión interna

se conecta al rotor del generador a través de unos discos flexibles. La planta de

emergencia nos entregara un voltaje que depende de la conexión del estator del

generador. Operara a una cierta frecuencia que depende del número de polos que consta

el rotor del generador y de la velocidad que gira el motor.

El equipo opera en base a la ley de Faraday. Incrementando la fuerza del campo

magnético, el voltaje se aumenta, sin alterar físicamente el generador o la frecuencia.

Un regulador de voltaje será el componente responsable de variar dicho campo, el cual

se alimentara a través de una excitación. Para la generación de energía, las plantas de

emergencia requieren principalmente de un campo magnético, un conductor y un

movimiento relativo.

El campo magnético es el rotor del generador. El conductor es el estator del generador y

el movimiento relativo es el motor que hace girar el rotor. El campo de excitación es la

alimentación al regulador de voltaje. El regulador de voltaje regula la salida del

generador, variando el voltaje de corriente directa aplicado al rotor, logrando así, variar

el campo magnético. Las plantas cuentan con su sistema de control. En la figura 1.8 se

muestra el diagrama de operación de una planta de CA.

FIGURA 1.8. DIAGRAMA DE OPERACIÓN DE UNA PLANTA DE CA

Cabe mencionar que en el diagrama se muestra un estator con dos embobinados de

potencia, lo que nos dice que el generador es bifásico (2 líneas y un neutro). Para un

sistema trifásico, se requiere de un estator con tres embobinados de potencia (3 líneas y

un neutro).

Bobina de

excitación de

estator

ROTOR MOTOR

Bobina de

potencia de

estator

Bobina de

potencia de

estator

REGULADOR

DE

VOLTAJE

SENSADO

Señal del circuito de

arranque de campo que

proviene del control

Para la tarjeta del

circuito de control

CAMPO

MAGNETICO

CAMPO

MAGNETICO

BE

BP

BE=BREAKER DE EXCITACION

BP=BREAKER PRINCIPAL

CARGA

Page 24: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

22

Las plantas de CA cuentan con un panel de control, regulador de voltaje automático, un

gobernador, protecciones para el motor, protecciones para el generador y un tablero de

transferencia para su funcionamiento automatizado. Todos los dispositivos se detallaran

mas adelante.

Se necesita considerar la carga de transición, el arranque del motor y la respuesta de

falla de un generador para un buen diseño del equipo. Además tener el conocimiento de

las normas que debe cumplir el equipo, que son la NFPA y UL.

Me enfocare solo a las plantas de emergencia a gas LP, que es la versión más reciente e

innovadora en el mercado y de la cual tratara esta tesis.

1.4.1 CARACTERISTICAS PRIMORDIALES DE LAS PLANTAS DE

EMERGENCIA

1.4.1.1 CARGA DE TRANSICIÓN

Una planta de emergencia de CA es una fuente limitada de potencia en términos de

potencia del motor (kW) y volts-amperes de generador (kVA), sin importar el sistema

de excitación. Debido a esto, los cambios de carga causarán excursiones de transición

en el voltaje y la frecuencia. La magnitud y duración de estas excursiones son afectadas

principalmente por las características de la carga y el tamaño del generador relativo a la

carga. Un generador es una fuente relativamente alta de impedancia cuando se

compara con un transformador de red pública.

Un perfil típico de voltaje en una aplicación y remoción de carga se muestra en la

figura 1.9. El voltaje estable sin carga se regula al 100 % del voltaje de rango. Cuando

se aplica una carga el voltaje cae inmediatamente.

El regulador de voltaje siente la caída de voltaje y responde incrementando el campo

de corriente para recuperar el voltaje de rango. El tiempo de recuperación de voltaje es

la duración entre la aplicación de la carga y el regreso del voltaje al rango de

regulación (mostrado como +/-2 %). Típicamente la caída inicial de voltaje va desde 15

a 45 % del voltaje nominal cuando 100 % de la carga de rango de la planta de

emergencia (0.8 de factor de potencia) se conecta en un paso. La recuperación a nivel

de voltaje nominal sucederá en 1-10 segundos dependiendo de la naturaleza de la carga

y el diseño de la planta.

La diferencia más significativa entre una planta de emergencia de CA y una red

pública, es que cuando una carga se aplica repentinamente a la red típicamente no hay

variación de frecuencia. Cuando las cargas se aplican a una planta de CA, las RPM del

motor (frecuencia) caen. La máquina debe sentir el cambio de velocidad y reajustar su

rango de combustible para su nuevo nivel de carga. Hasta que un nuevo rango de carga y

combustible se igualen, la frecuencia será diferente a la nominal.

Típicamente, la caída de frecuencia va de 5 a 15 % de la frecuencia nominal cuando

una carga de 100 % se agrega en un paso. La recuperación podría tomar algunos

segundos.

Page 25: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

23

FIGURA 1.9. PERFIL TIPICO DE VOLTAJE EN APLICACIÓN Y REMOCION DE CARGA

Cabe mencionar que no todas las plantas de emergencia de CA pueden aceptar una

carga en bloque de 100 % en un paso. El desempeño varía entre plantas debido a

diferencias en las características de regulador de voltaje, respuesta del gobernador,

diseño del sistema de combustible, aspiración del motor y a cómo están acoplados el

motor y generador. Una meta importante en el diseño de las plantas de luz es limitar la

excursión de voltaje y frecuencia a niveles aceptables.

1.4.1.2 RESPUESTA DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN

La corriente de campo no se puede cambiar instantáneamente en respuesta al cambio

de carga. El regulador, el campo excitador y el campo principal tienen constantes de

tiempo que tienen que sumarse.

El regulador de voltaje tiene una respuesta relativamente rápida mientras que el campo

principal tiene una respuesta significativamente más lenta que el campo excitador

porque es muchas veces más grande. Debe hacerse notar que la respuesta de un

sistema auto-excitado será aproximadamente la misma que aquella de un sistema

excitado separadamente, porque las constantes de tiempo para los campos principales y

de excitación son los factores significativos en este aspecto, y son comunes a los dos

sistemas.

El forzamiento de campo está diseñado en consideración de todos los componentes de

sistemas de excitación para optimizar el tiempo de recuperación. Y debe ser suficiente

para minimizar el tiempo de recuperación, pero no tanto para llevar a la inestabilidad o

para sobre pasar al motor (el cual es una fuente limitada de potencia). Ver Figura 1.10.

Caída de voltaje de transición

Voltaje estable

sin carga

Voltaje mínimo de

Pico a Pico Voltaje estable con carga

Aplicación de carga

Onda sinusoidal de

voltaje

Disparo de voltaje de

transición

Rango de regulación de

voltaje ±2%

Remoción de carga

Tiempo

Tiempo de recuperación

de voltaje

(Carga aplicada)

Tiempo de recuperación

de voltaje

(Carga removida)

Page 26: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

24

FIGURA 1.10. CARACTERISTICAS DE RESPUESTA DE LOS SISTEMAS DE EXCITACION

1.4.1.3 RESPUESTA DE ARRANQUE DE MOTOR

Cuando se arrancan motores, ocurre una caída de voltaje de arranque que consiste

principalmente de una caída instantánea de voltaje, más una caída de voltaje como

resultado de la respuesta del sistema de excitación. La figura 1.11 ilustra estos dos

componentes que juntos representan la caída de voltaje de transición. La caída

instantánea de voltaje es simplemente el producto de corriente de rotor bloqueado de

motor y la reactancia sub-transición del generador. Esto ocurre antes de que el sistema

de excitación pueda responder incrementando la corriente de campo y por lo tanto no es

afectado por el tipo de sistema de excitación. Esta caída de voltaje inicial puede ser

seguida de mayor caída causada por la función de “acoplamiento de torque” del

regulador de voltaje, la cual reduce el voltaje para descargar al motor si siente una

desaceleración significativa en el motor. Una planta de emergencia debe estar

diseñada para optimizar el tiempo de recuperación y al mismo tiempo evitar la

inestabilidad del motor.

FIGURA 1.11. CAIDA DE VOLTAJE DE TRANSICION

Corriente de

campo sin carga

Corriente de

campo carga

completa

Respuesta característica con forzado de

campo amortiguado (tiempo de

recuperación T1)

Respuesta característica

con forzado de campo

Respuesta característica

con forzado de campo

amortiguado (tiempo de

recuperación T2) T1

T2

Tiempo

Corriente de

campo

Caída de voltaje de

arranque Caída instantánea de voltaje

(IMSxX”d)

TIEMPO (SEGUNDOS) Reducción de voltaje causada por la función

de acoplamiento de torque del regulador Voltaje si KVA de motor se mantiene y la

excitación no cambia

% DEL

VOLTAJE DE

RANGO DE

GENERADOR

REACTANCIAS DEL SISTEMA AL ARRANCAR UN MOTOR

IMS - corriente de arranque instantáneo EAC – voltaje del

generador

X”d - reactancia de

subtransicion de generador

XMS - reactancia del motor

con rotor bloqueado

Page 27: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

25

1.4.1.4 KVA DE ROTOR BLOQUEADO

La corriente de arranque de motor (rotor bloqueado) es aproximadamente 6 veces la

corriente de rango y no disminuye significativamente hasta que el motor casi alcanza su

velocidad de rango como se muestra en la figura 1.12. Esta gran corriente de entrada

causa caída en el voltaje del generador. Así mismo, la potencia requerida para arrancar

el motor puede llegar hasta 3 veces la potencia de rango del motor cuando el motor

alcanza aproximadamente el 80 % de la velocidad de rango. Si el motor no tiene 3

veces la potencia de rango del motor, el regulador de voltaje reducirá la carga del

generador para descargar al motor a un nivel en que la pueda llevar. Mientras que el

torque del motor sea siempre más grande que el torque de carga durante la aceleración,

el motor podrá acelerar la carga a velocidad total. Una recuperación de 90 % del

voltaje de rango de torque del motor es generalmente aceptable porque resulta

solamente en un pequeño incremento en el tiempo de aceleración del motor.

FIGURA 1.12. CARACTERISTICAS TIPICAS DE ARRANQUE DE MOTOR CON TODA LA

LINEA (ASUME 100 % DE VOLTAJE NOMINAL EN LAS TERMINALES DEL MOTOR)

1.4.1.5 CAÍDA SOSTENIDA DE VOLTAJE

Después de la relativamente corta pero existente caída de voltaje de transición

(típicamente menos de 10 ciclos pero de hasta algunos segundos), sigue un periodo de

recuperación de voltaje como se muestra en la figura 1.13. Los máximos KVA de

arranque del motor en la hoja de especificaciones de la planta de emergencia son los

máximos KVA que puede sostener y aún recuperarse hasta el 90 % del voltaje de rango

como se muestra en la figura. Debe notarse que este es solamente el desempeño

combinado del alternador, excitador y AVR (regulador de voltaje). El desempeño de

arranque de motor de una planta de CA en particular depende del motor, gobernador y

regulador de voltaje, así como del generador.

Corriente de

motor

FP

El torque del motor debe ser más grande

que el torque de carga para acelerar la

carga a velocidad total

Torque de

motor

Torque de

carga

Reserva de

torque

Potencia

Velocidad rotatoria del motor por unidad

Corriente

Potencia

Torque por unidad

Factor de potencia

(arrastre)

Page 28: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

26

FIGURA 1.13. CAIDA DE VOLTAJE SOSTENIDA

1.4.1.6 RESPUESTA DE FALLA

La respuesta de falla de generadores auto-excitados y excitados separadamente es

diferente. Un generador auto excitado es conocido como de “campo colapsante” porque

el campo se colapsa cuando las terminales de salida del generador se ponen en corto

(corto trifásico o corto L-L a través de las fases sensibles). Un generador excitado

separadamente puede sostener el campo de generador en un corto circuito porque la

excitación es suministrada por un generador de magneto permanente separado. La

figura 1.14 muestra la típica respuesta al corto circuito simétrico trifásico de

generadores auto-excitados y excitados separadamente.

FIGURA 1.14. RESPUESTA DE CORTO CIRCUITO TRIFASICO SIMETRICO

La corriente corto circuito inicial es nominalmente de 8 a 10 veces la corriente de

rango del generador y es una función de la reactancia sub-transición reciproca del

generador (1/X”). Para los primeros ciclos (A), prácticamente no hay diferencia en

respuesta entre los generadores auto-excitados y los separadamente excitados porque

siguen la misma curva de decremento de corriente corto circuito al disiparse la energía

de campo. Después de los primeros ciclos (B), un generador auto-excitado continuará

siguiendo la curva de decremento de corto circuito a prácticamente cero corriente. Un

generador excitado separadamente, puesto que la corriente de campo es derivada

separadamente, puede sostener 2.5 a 3 veces la corriente de rango con una falla trifásica

aplicada. Este nivel de corriente se puede mantener por aproximadamente 10 segundos

sin daño al alternador.

Caída típicas de voltaje

de transición

Caída de voltaje

sostenida 90% del

voltaje recuperado

Voltaje RMS

Inicio de corto

circuito simétrico

Generador autoexcitado

Generador excitado separadamente

3 a 4 veces el rango

de corriente

8 a 10 veces el

rango de corriente

A B

Page 29: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

27

La figura 1.15 es otro medio de visualizar la diferencia de respuesta a una falla

trifásica. Si el generador es auto-excitado, el voltaje y la corriente se “colapsarán” a cero

cuando la corriente se incremente más allá de la rodilla de la curva. Un generador

excitado separadamente puede sostener un corto directo porque no depende del voltaje

de salida del generador para la potencia de excitación.

FIGURA 1.15. CAPACIDAD DE CORTO CIRCUITO

1.4.1.7 TEMPERATURAS DE LOS DEVANADOS DE CORTO CIRCUITO

El problema a considerar en sostener una corriente de corto circuito es que el

generador se podría dañar antes de que un breaker se dispare para liberar la falla. Las

corrientes de corto circuito pueden calentar rápidamente los devanados del estator del

generador. Por ejemplo, un corto desbalanceado L-N en un generador excitado

separadamente diseñado para sostener 3 veces la corriente de rango, resulta en una

corriente de aproximadamente 7.5 veces la corriente de rango. A ese nivel de corriente,

asumiendo una temperatura inicial de devanados de 155 °C, puede tomar menos de 5

segundos para que los devanados alcancen 300 °C, la temperatura aproximada a la cual

ocurren daños inmediatos y permanentes a los devanados. Un corto L-L toma unos

segundos mas para elevar la temperatura hasta 300 °C, y un corto trifásico balanceado

toma un poco más de tiempo. Vea la Figura 1.16.

FIGURA 1.16. TEMPERATURAS APROXIMADAS DE DEVANADOS EN CORTO CIRCUITO

Generador excitado

separadamente Generador autoexcitado

Múltiplo de corriente rango de generador

% de

voltaje de

rango

TIEMPO

TEMPERATURA

DEL ESTATOR

L-N L-L L-L-L

Page 30: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

28

1.5 TIPOS DE PLANTAS DE EMERGENCIA

Las plantas de emergencia se dividen principalmente de acuerdo al voltaje generado:

Bifásica

Trifásica

De acuerdo al motor que utilizan se pueden clasificar: Con respecto a su alimentación

de combustible:

Gasolina

Diesel

Gas Natural y gas LP

De acuerdo al sistema de enfriamiento que utilizan:

Enfriadas por aire

Enfriadas por liquido (figura 1.17)

Por lo regular las plantas de emergencia enfriadas por aire son bifásicas y las enfriadas

por líquido son trifásicas, aunque pueden existir de los dos tipos.

FIGURA 1.17. PLANTA DE EMERGENCIA DE CA TRIFASICA, ENFRIADA POR LIQUIDO A

GAS LP

También se pueden clasificar de acuerdo a su capacidad en KW, lo que nos lleva a tres

categorías con respecto a su aplicación:

Residencial (8-20 KW).- Llamadas plantas en espera (STAND-BY). Utilizadas

para casas, residencias, departamentos, negocios pequeños.

Comercial (22-60 KW).- Utilizadas para plazas comerciales, tiendas

departamentales, estacionamientos, escuelas, hospitales, clínicas.

Industrial (80-250 KW).- Utilizadas para cualquier tipo de industria.

Alternador

Page 31: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

29

1.6 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR

Partimos de la base de que si un conductor eléctrico corta las líneas de fuerza de un

campo magnético, se origina en dicho conductor una corriente eléctrica (ley de

Faraday). La generación de corriente trifásica tiene lugar en los generadores, en relación

con un movimiento giratorio. Según este principio, existen tres embobinados iguales

independientes entre sí, dispuestos de modo que se encuentran desplazados entre sí

120°. Según el principio de la inducción, al dar vueltas el motor se genera en los

embobinados, tensiones alternas sinusoidales y respectivamente corrientes alternas,

desfasadas también 120° entre sí, por lo cual quedan desfasadas igualmente en cuanto a

tiempo. De esa forma tiene lugar un ciclo que se repite constantemente, produciendo la

corriente alterna trifásica. En la figura 1.18 se muestra un generador trifásico con

inductor móvil e inducido fijo.

La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión

de cada fase. Cuando una de las fases alcanza su máximo, la corriente en las otras dos

está circulando en sentido opuesto y a la mitad de tensión. Dado que la duración de la

corriente en cada embobinado es un tercio de la de un ciclo aislado, el campo magnético

dará una vuelta completa por ciclo. Aunque las tres corrientes son de igual frecuencia e

intensidad, la suma de los valores instantáneos de las fuerzas electromotrices de las tres

fases, es en cada momento igual a cero, lo mismo que la suma de los valores

instantáneos de cada una de las fases, en cada instante.

FIGURA 1.18. SALIDA DEL GENERADOR (CORRIENTE TRIFASICA)

En la figura anterior se muestran las tres fases, ya desfasadas sobre un mismo eje a 120º.

La línea negra del grafico representa la corriente de distinta polaridad, es decir, en este

caso el negativo de la fase 1, corriente opuesta a las fases 2 y 3 que son por su

naturaleza de polaridad positiva.

La principal aplicación para los circuitos trifásicos se encuentra en la distribución de la

energía eléctrica por parte de la compañía de luz a la población, y en nuestro caso, por

parte de una planta de emergencia de CA cuando la compañía de luz falle. Nikola Tesla

probó que la mejor manera de producir, transmitir y consumir energía eléctrica era

usando circuitos trifásicos.

120 °

120 ° 120 ° -

+ +

I t1 t2 t3

I t1 t2 t3

t 0

Uu Uv Uw

w U

Page 32: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

30

SISTEMA DE TENSIONES INDUCIDAS

Dominio temporal

3

4cos2)(

)16.1(3

2cos2)(

cos2)(

3

2

1

wtEte

wtEte

wtEte

Plano complejo

3

2

3

4

)17.1(3

2

0

3

2

1

EEE

EE

EE

SECUENCIA DE FASES

En la figura 1.19 se muestra la secuencia de fases de la generación del sistema trifásico

equilibrado. Es importante ya que esta secuencia determina el grupo de conexión de los

transformadores, los métodos de medida de potencia y el sentido de giro de los motores

de inducción.

120

)18.1(120

0

UU

UU

UU

T

S

R

120

)19.1(120

0

UU

UU

UU

T

S

R

Secuencia directa Secuencia inversa

FIGURA 1.19. DIAGRAMAS FASORIALES DE LA SECUENCIA DE FASES

120 °

120 °

120 °

120 °

120 °

120 °

Page 33: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

31

CONEXIONES BASICAS

Existen 2 principales tipos de conexiones para los sistemas trifásicos: Conexión en delta

y conexión en estrella. Solo me enfocare en la conexión en estrella, ya que tanto nuestra

fuente, que es el generador, como las cargas se encuentran en dicha conexión.

FIGURA 1.20. FUENTES EN CONEXIÓN ESTRELLA

Condiciones para que la fuente trifásica sea equilibrada

0

)20.1(

TSR

TSR

gTgSgR

UUU

UUU

ZZZ

FIGURA 1.21. CARGAS EN CONEXIÓN ESTRELLA

La tensión simple o de fase es la diferencia potencial que existe en cada una de las

ramas monofásicas de un sistema trifásico.

La tensión de línea o compuesta es la diferencia de potencial que existe entre dos

conductores de línea o entre dos terminales de fase.

Intensidad de fase es la que circula por cada una de las ramas monofásicas de un sistema

trifásico.

Intensidad de línea es la que circula por cada uno de los conductores de línea.

La intensidad de fase y de línea coinciden en un sistema conectado en estrella.

Punto

neutro

de la

fuente

Page 34: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

32

Condiciones para que la carga trifásica sea equilibrada:

)21.1(321 ZZZ

CORRIENTES DE LINEA Y DE FASE

Como mencione anteriormente, las corrientes de fase y de línea coinciden,

independientemente de la secuencia de fases del sistema.

)22.1(TSR III

TENSIONES DE FASES

De la formula 1.20 obtenemos las tensiones de fases:

TNSNRN UUU ,,

120

)23.1(120

0

UU

UU

UU

TN

SN

RN

TENSIONES DE LÍNEA

TRSTRS UUU ,,

)25.1(3

3030120

)24.1(303120120

3031200

EU

UEEUUU

UEEUUU

UEEUUU

L

TNRNTNTR

SNTNSNST

RNSNRNRS

La tensión de línea adelanta 30 ° respecto a la de fase.

Page 35: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

33

1.7. MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Nikolaus August Otto fue el primero en inventar un motor de combustión interna. Otto

desarrolló esta máquina, que después llevaría su nombre (motor cíclico Otto), en

versiones de cuatro y dos tiempos.

Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica

directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de

una cámara de combustión, la parte principal de un motor.

Se emplean motores de combustión interna de 2 tipos principalmente:

El motor de explosión ciclo Otto (2 Y 4 tiempos). Los cuales funcionan con gas

y gasolina. Y se dice que son encendidos a chispa.

El motor diesel, inventado por Francia Rudolf Diesel, funciona con un principio

diferente y suele consumir gasóleo. Se dice que son encendidos a compresión.

El ciclo Otto es el ciclo termodinámico ideal que se aplica en los motores de

combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante.

Una característica clave de los motores de combustión interna es que en cada ciclo se

aspira aire fresco, luego se adiciona el combustible y se quema en el interior del motor.

Luego los gases quemados son expulsados del sistema y se debe aspirar nueva mezcla o

aire. Por lo tanto se trata de un ciclo abierto.

FIGURA 1.22. CICLO OTTO

En la figura 1.22 vemos un ciclo genérico de un motor de combustión interna. Existe

una presión mínima en el sistema equivalente a Pa. Desde 1 hasta 2 se realiza una

compresión, en teoría adiabática sin roce. Entre 2 y 3 se realiza la combustión, con un

aporte de calor Qabs. Entre 3 y 4 se realiza la expansión de los gases calientes.

Normalmente es en esta etapa donde se entrega la mayor parte del trabajo. Esta

expansión es también, en teoría, adiabática y sin roce. En 4 se arrojan los gases

quemados a la atmósfera. El ciclo es realmente abierto, pero (para efectos de análisis) se

supone que se cierra entre 4 y 1, volviéndose el estado inicial. Se introduce, por lo tanto,

el concepto de Ciclo de aire equivalente. Esto significa que suponemos que el ciclo lo

describe solo aire, al cual lo hacemos pasar por una sucesión de estados tal que se

reproduce el ciclo real. Esto implica las siguientes suposiciones y simplificaciones:

Page 36: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

34

Las propiedades del aire se suponen constantes para todo el ciclo (no varían ni

presión ni volumen, aunque en el caso real sí lo hacen por variación de

temperatura y porque en parte del ciclo se trabaja con gases quemados).

Se supone un sistema cerrado. Es decir, el aire está cerrado dentro del sistema y

se somete a las evoluciones equivalentes.

Entre 2 y 3 se supone que se aporta calor externamente para lograr la evolución

equivalente.

En forma análoga, entre 4 y 1 se supone que se enfría el aire en forma

equivalente.

Una evolución clave en este ciclo genérico es la compresión de base 1-2. En efecto, ella

es característica de cada ciclo y es (relativamente) constante. En cambio en la operación

real, la cantidad de calor Qabs puede variar en forma importante, por lo tanto también

varía la evolución 3-4. Pero la compresión de base es relativamente estable.

1.7.1 RENDIMIENTO DEL CICLO TEÓRICO

Calculemos a continuación el rendimiento de este ciclo teórico. Para ello usaremos

el concepto de ciclo de aire equivalente. Con ello queremos decir que supondremos que

el fluido de trabajo es un gas perfecto (aire) que se hace seguir el ciclo y cuyas

propiedades termodinámicas se mantienen constantes a lo largo de él. Esta es una

simplificación, pues en realidad las propiedades termodinámicas de la mezcla y gases de

combustión son diferentes. Sin embargo la simplificación permite sistematizar mejor el

estudio del ciclo.

El ciclo teórico tiene las siguientes particularidades:

Evoluciones:

La evolución (0-1) (admisión) y (1-0) (expulsión de gases) son teóricamente

ambas a presión atmosférica. Como se recorren en sentidos opuestos, se anulan.

La combustión (2-3) y la apertura válvula de escape (4-1) se suponen ambas

como evoluciones a volumen constante.

La compresión (1-2) y la expansión o carrera de trabajo (3-4) se suponen

adiabáticas sin roce. Es decir ΔQ12 = 0 y ΔQ34 =0.

Rendimiento:

)26.1(1Qabs

Qcedotto

Con los signos explícitos:

)27.1()14()23( TTCvQcedTTCvQabs

De donde:

)28.1()23(

)14(1

TT

TTotto

Page 37: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

35

Sacando factor común T1/T2 para referir a compresión de base:

)12/3(

)11/4(

2

11

TT

TT

T

Totto

Considerando que (1-2) y (3-4) son adiabáticas sin roce:

)31.1(1

22

1

11

VV TT

)29.1(1

33

1

44

VV TT

Dividiendo (1.32) / (1.31):

1

2

1

3

2

3

1

1

1

4

1

4

V

V

V

VT

T

T

T

Como V4 = V1 = Vmax y V2 = V3 = Vmin, se tiene que:

2

3

1

4

T

T

T

T

De donde:

1

2

1

1

1

2

1

1 111

2

11

VVV

Vottootto

ottoT

T

Llamando V1/V2 = a, la razón de compresión, se tiene que:

)30.1(1

11

a

otto

Por lo tanto, para aumentar el rendimiento del ciclo conviene, en lo posible, aumentar lo

más que se pueda la compresión de base. Los límites a esta compresión pueden venir de

dos fuentes:

En el caso de que solo se comprima aire (motores Diesel, turbina a gas), la

compresión máxima queda fijada solo por razones tecnológicas.

En el caso que se comprima una mezcla aire-combustible (motor Otto), la

compresión máxima queda fijada por los límites de detonación o

autoinflamación.

Page 38: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

36

1.7.2 DESCRIPCIÓN GENÉRICA DEL CICLO OTTO:

Consideramos la siguiente grafica del ciclo Otto teórico para poder describir mejor los

tiempos del motor que se llevan a cabo en el proceso de la combustión.

FIGURA 1.23. CICLO OTTO TEORICO

Admisión: evolución 0-1. El pistón se desplaza desde el PMS (punto muerto superior) al

PMI (punto muerto inferior). La válvula de admisión se encuentra abierta. El pistón

realiza una carrera completa. El cilindro se llena con mezcla aire/combustible. Al final

de la admisión (en el PMI) se cierra la válvula de admisión. El llenado del cilindro

requiere un trabajo negativo.

Compresión: evolución 1-2. Con las dos válvulas cerradas (V de admisión y válvula de

escape), el pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una carrera completa. Se

comprime la mezcla aire/combustible. En principio esta compresión es adiabática. La

compresión requiere trabajo negativo.

Encendido: en teoría este es un instante (evolución 2-3). Cuando el pistón llega al PMS,

se enciende la chispa en la bujía y se quema la mezcla en la cámara de combustión,

aumentando la presión de 2 a 3.

Trabajo: evolución 3-4. Con las dos válvulas cerradas el pistón se desplaza desde el

PMS al PMI. Se realiza una carrera completa. En principio esta evolución es adiabática.

La evolución genera trabajo positivo. De hecho es la única evolución del total del ciclo

en que se genera trabajo positivo al exterior.

Válvula de Escape: evolución 4-1. En teoría esta caída de presión de 4 a 1 es instantánea

y ocurre cuando se abre la válvula de escape.

Escape: evolución 1-0. El pistón se desplaza desde el PMI al PMS. Se realiza una

carrera completa (la válvula de escape está abierta y la válvula de admisión se encuentra

cerrada). En principio la presión dentro del cilindro es igual a la atmosférica, por lo cual

el trabajo requerido es cero.

Cada carrera completa corresponde a media vuelta del cigüeñal. Por lo tanto para

realizar el ciclo completo se requieren dos revoluciones completas en el motor de cuatro

tiempos.

Vmin Vmax

Page 39: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

37

“PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA”

Page 40: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

38

Se solicita por parte del Colegio Simón Bolivar implementar un sistema que suministre

corriente alterna para alimentar y soportar sus cargas resistivas, inductivas y capacitivas.

Debido a los constantes cortes de energía que se les ha presentado últimamente. Dicho

sistema se utilizara solo para emergencia. Que sea capaz de manejarse manual y

automáticamente. Dicho sistema quedaría en el estacionamiento de sus instalaciones. El

sistema deberá soportar todas las cargas de sus instalaciones de la escuela primaria,

además de tener un bajo nivel de ruido, menor contaminación y ser más económico.

Se realiza un levantamiento técnico en sitio, para saber lo que se tiene y así poder darle

una solución a dicho problema.

2.1 LEVANTAMIENTO

2.1.1 SELECCIÓN DEL EQUIPO

Se revisa con que tipo de alimentación y cargas cuentan. El colegio cuenta con una

alimentación trifásica y cargas trifásicas, a 220 VCA y una frecuencia de 60 Hz; por lo

que la planta de emergencia será trifásica. Existe suficiente espacio en el

estacionamiento de sus instalaciones, cuenta con suficiente ventilación. Se le

recomienda al cliente que sea a gas LP, debido a que requieren del menor ruido posible,

menor contaminación, además de que consuma menor combustible y que sea fácil de

abastecer.

Se procede a verificar cargas que se respaldaran con la planta de emergencia, con el fin

de dimensionar la planta de emergencia indicada para su aplicación. Se realizaran las

mediciones de cargas del colegio, con la ayuda de un amperímetro de gancho. Se

medirán las cargas en cada línea, primero las cargas sin motores y posteriormente con

motores (KW de arranque). Se sumaran y se obtendrá el valor de la planta de

emergencia. Cabe mencionar que se cuentan con cargas resistivas (luminarias),

inductivas (motores para bombas) y capacitivas (UPS).

A continuación se mencionan los equipos con los que cuenta el colegio y los cuales se

respaldaran:

20 Ventiladores

5 Televisión

10 Computadoras

1 Calentador eléctrico para alberca

1 Refrigerador

1 Horno de microondas

1 Sistema de seguridad (CCTV)

5 Acondicionador de aire

2 Bombas de presión para agua de 1 HP

2 Bombas de presión de 3 HP

1 UPS de 10 KVA

Iluminación total

Page 41: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

39

Por otra parte, cuando se tienen las plantas de emergencia trabajando bajo condiciones

de operación diferentes a las especificadas en las placas de datos del mismo, como es el

factor de potencia, altura de operación sobre el nivel del mar, temperatura ambiente, se

tiene que realizar algunas correcciones en los cálculos de la potencia ya que esta se ve

afectada por los factores antes descritos, para no incurrir en errores y por lo mismo no

afectar la vida útil del equipo.

Se debe tener especial atención en la combinación de cargas con las que cuenta la

instalación ya que esto modifica el factor de potencia de operación de la carga y se

modifica automáticamente la corriente a suministrar por el equipo. Tanto la eficiencia

del equipo, factor de potencia y altura de operación sobre el nivel del mar se encuentran

en la hoja de especificaciones de la planta de emergencia (Anexo 2).

En la actualidad nos encontramos cada vez mas con cargas mas complejas, como son

los UPS’s, variadores de velocidad, cargadores de baterías, o cualquier equipo que este

compuesto por SCR’s o tiristores, estos dispositivos debido al disparo de los mismos,

generan picos transitorios de voltaje en el generador y generan así mismo un alto

contenido de armónicas en el sistema con el consiguiente daño a los componentes

electrónicos del generador, fatigas de los aislamientos del generador y de conductores,

calentamientos excesivos del conductor neutro y daños a la carga.

En caso de que a una planta se le tenga que aplicar una carga compuesta por este tipo de

equipos, se debe considerar:

Distorsión total armónica de la carga (UPS).

Impedancia del sistema (carga).

Capacidad real en KW y KVA del UPS o de las cargas no lineales.

Capacidad de crecimiento a futuro (%).

Capacidad real de los equipos de aire acondicionado o climas de precisión.

Capacidad real de los motores (bombas de agua, hidroneumáticos. calentadores).

Máxima desviación de frecuencia permitida por la carga al ser alimentada por la planta

eléctrica.

Máxima desviación de voltaje permitido por la carga al ser alimentada por la planta

eléctrica.

En caso de exceder la corriente máxima o el valor de sobrecarga permisible del equipo

se puede incurrir en daños como son:

Reducción considerable de la vida útil del motor y generador.

Reducción de la velocidad del motor provocando baja frecuencia del voltaje generado y

posible daño al generador, regulador de voltaje y la carga.

Sobrecalentamiento del generador y del motor.

Mala operación del equipo.

En la figura 2.1 se muestra la subestación y el transformador que alimentan el tablero

general, el cual se respaldara.

Page 42: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

40

FIGURA 2.1. SUBESTACION Y TRANSFORMADOR

El transformador esta en conexión estrella a 220 VCA. El tablero general viene

integrado con un interruptor termomagnético general trifásico de 300 Amperes, que se

conecta a unas barras de cobre, las cuales alimentan a 10 interruptores termomagneticos

de distintas capacidades para alimentar sus cargas; es decir, este tablero general tiene su

distribución de cargas integrado. Ver figura 2.2.

FIGURA 2.2. TABLERO GENERAL CON DISTRIBUCION DE CARGAS

Page 43: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

41

La apropiada instalación de la planta de emergencia será crucial para el buen

funcionamiento y rendimiento de la misma. Se deben de cumplir con todas las normas,

códigos y reglas de toda instalación de equipos generadores de luz. A continuación

mencionare algunas y las más importantes en este sistema:

NFPA (Asociación de Protección Nacional contra Incendios)

110 Standard para sistemas de potencia de emergencia

70 NEC (Código Nacional Eléctrico)

Generadores

Sistemas de emergencia

Conexión de Fuentes de potencia

Sistema de tierra

37 Instalación y uso de motores estacionarios

58 Código de gas LP

54 Código nacional de suministro de gas

UL (Laboratorios Aseguradores)

2200 Motor-Generador estacionario

1008 Tableros de transferencia automáticos

142 Almacenamiento de gas liquido

Todas deben cumplirse al 100 % para mayor seguridad y eficiencia del equipo. Los

factores más importantes para la instalación de la planta de emergencia de CA son:

Ubicación del equipo, sistema de combustible (instalación de gas) y conexión eléctrica

del equipo (instalación eléctrica).

2.1.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO

La planta fue diseñada para instalarse a la intemperie; viene integrada con una caseta

semiacustica, que aparte de que atenúa el sonido que genera la planta, también la

protege contra el medio ambiente.

La planta de emergencia deberá colocarse en un lugar con buena ventilación,

permitiendo la entrada de aire fresco y la salida de aire caliente. Por lo tanto es

primordial que la instalación de la planta este bien diseñada para el correcto desalojo de

aire caliente producto del enfriamiento de la maquina, el aire caliente deberá ser

desalojado del cuarto, aprovechando el trabajo que efectúa el motor al pasar el aire a

través del radiador y ser expulsado fuera del cuarto, ya que una falla en la descarga del

aire caliente puede provocar una recirculación dentro del mismo, ocasionando un

incremento paulatino en la temperatura ambiente con lo cual se originaria un

sobrecalentamiento y posible daño a la maquina. Se deberá proveer una entrada de aire

frío lo suficientemente grande para suministrar el aire que se requiera para el

enfriamiento de la planta, del generador y de la correcta combustión del motor. El aire

fresco para el enfriamiento no deberá ser tomado cerca de la salida de aire caliente de

enfriamiento para evitar recirculación, así como tampoco estar cerca de la salida de los

gases de escape del motor.

Page 44: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

42

En nuestro caso, como mencione anteriormente, se instalara en interior, así que es

necesario cumplir con ciertas especificaciones, tales como, se debe considerar un área

considerable alrededor del equipo para efectuar los servicios de mantenimiento y para

efectos de flujo de aire; ya sea instalar un ducto o un sistema de escape para la salida de

los gases al exterior en caso necesario. Los gases de escape del motor contienen

monóxido de carbono, un gas que puede ser mortal. Este peligroso gas, si se respira en

suficiente concentración puede causar la pérdida de conocimiento o hasta la muerte. El

sistema de escape debe instalarse correctamente, en estricto cumplimiento con los

códigos y normas aplicables, en nuestro caso no es necesario, pues existe suficiente

ventilación en el estacionamiento, ya que es un lugar muy amplio y abierto.

La planta debe colocarse sobre una buena superficie plana metálica o de concreto

perfectamente nivelada y diseñada de acuerdo al peso y tamaño del equipo, así mismo,

del tipo de terreno del que se trate. La importancia de tener una base de cimentación

robusta y bien fabricada es soportar el peso del equipo y evitar que exista vibración

innecesaria en la planta. La profundidad de la base deberá estar en función del tipo de

subsuelo de que se trate, en este caso no hay ningún problema, ya que existe concreto.

La vibración de la maquina se puede reducir considerablemente, si en el montaje se

emplean elementos antivibradores o amortiguadores de vibración entre base de

cimentación y base de la planta. Los amortiguadores son normalmente empleados para

reducir la transmisión de vibración originada por el movimiento relativo entra la planta

y la rigidez de la base.

Por último es muy recomendable instalar el generador tan cerca como sea posible del

suministro de combustible, para reducir la longitud de las tuberías y así el costo sea

menor. Al igual que la planta quede tan cerca como sea posible del tablero de

transferencia para reducir costos. Los tableros si se encuentran cerca. Las instalaciones

no cuentan con tanque de gas, así que se instalara uno, el problema será que quedara

hasta la azotea de las instalaciones, en donde el costo de la instalación se incrementara,

pero será necesaria y obligatoria por norma.

2.1.3 INSTALACION DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE

La planta de emergencia de estudio, se alimenta gas LP. El Gas Licuado de Petróleo

mas comúnmente conocido como gas LP es un compuesto de hidrógeno y carbón,

comúnmente conocidos como hidrocarburos. El gas LP se obtiene del gas natural o

como el resultado del refinamiento del petróleo crudo de las refinerías. Para facilitar su

transporte y almacenamiento, el gas LP se puede licuar comprimiéndolo y enfriándolo,

esto reduce su volumen, ya que aproximadamente 270 galones de vapor pueden ser

comprimidos al equivalente de un galón de líquido. Esta presión mantiene al gas LP en

forma líquida, razón por la cual se necesitan recipientes cuyo diseño y construcción

satisfagan las necesidades requeridas. El gas LP no tiene olor, ni color, por eso antes de

transportarlo se le añade un odorante que lo identifica y que permite rápidamente

detectar la presencia de fugas o escapes. Debido a sus propiedades físico-químicas, los

equipos y accesorios utilizados en el uso, manejo y traslado del gas LP, deben ser los

adecuados. Más adelante se detallan las ventajas de utilizar este tipo de combustible.

Page 45: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

43

En toda instalación de gas LP es necesario que tenga un regulador, con el fin de

mantener una presión constante, al igual que la medición del suministro y contenido del

gas LP. Las normas para instalación de aprovechamiento de gas LP y demás instructivos

en vigor, establecen que toda instalación de aprovechamiento debe contar

necesariamente con un regulador de presión. La función de los reguladores de presión es

la de proporcionar el gas en estado de vapor a las tuberías de servicio al valor de presión

requerida y con un mínimo de fluctuaciones. Los reguladores se clasifican de acuerdo a

la relación de las presiones que reciben y entregan, a su posición en la instalación y

también en cuanto a sus capacidades expresadas en m3/hr de vapor. La falta de

capacidad de los reguladores implica necesariamente una notable caída de presión. Los

principios básicos de construcción y funcionamiento de los reguladores de presión son

similares, no así los modelos, tipos, formas y capacidades, que difieren considerando

que se fabrican para resolver tantas y tan diversas necesidades. La presión del gas en

estado de vapor a la entrada de los reguladores es muy variable, de acuerdo al tipo de

servicio, los factores de demanda y principalmente a las diferentes estaciones del año.

Comercialmente se dispone de dos tipos de reguladores, de acuerdo estrictamente al

vapor de sus presiones de entrada y salida:

1. Reguladores de alta presión

2. Reguladores de baja presión

La mejor solución para controlar con un máximo de eficiencia el valor constante de la

presión en las tuberías de servicio, es haciendo la regulación en dos etapas. Toda la

instalación será nueva, ya que las instalaciones no cuentan con tanque estacionario de

gas ni con ninguna instalación de gas.

2.1.4 INSTALACION ELECTRICA

Para el buen funcionamiento y seguridad de la planta, también se requiere de una buena

instalación eléctrica, cumpliendo con las normas, códigos y reglas estándares

mencionadas anteriormente. La instalación es muy sencilla, se requiere que cuente con

un tablero general, en el cual llega la acometida de CFE, y un tablero de distribución, el

cual será la alimentación de carga protegida por la planta de emergencia; en caso de no

contar con alguno de los dos, es necesario instalarlos forzosamente

Uno de los puntos más importantes y críticos de una instalación eléctrica, es el correcto

aterrizaje del sistema o la correcta interconexión entre los neutros de la red comercial

(transformador de la subestación), planta de emergencia y sistema de cargas. Una

correcta instalación del sistema de tierras, protege el equipo contra descargas

atmosféricas, cargas estáticas generadas en la planta por efecto del rozamiento y así

mismo protege el sistema cuando las cargas se encuentran desbalanceadas y las

corrientes en el neutro pueden ocasionar problemas en el generador y la carga, y por las

corrientes parasitas generadas en los laminados del generador.

El sistema de tierra física comúnmente empleado es una varilla de cobre enterrada en un

lugar en donde se ha preparado con soluciones salinas para una correcta conducción de

la corriente hacia la tierra. El conductor utilizado por lo regular es un cable desnudo, se

utiliza dos calibres menores al calibre utilizado para el cable de fuerza. En nuestro caso,

la tierra física ya existe, solo es cuestión de conectarnos a ella.

Page 46: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

44

2.2. SOLUCION AL PROBLEMA

Ya que sabemos con lo que se cuenta, daremos la solución al problema. A continuación

explicare todas las partes que conforman el sistema de emergencia propuesto y el

funcionamiento del mismo, el cual es la solución que se le dio al cliente para resolver

su problema de energía.

2.2.1. PARTES PRINCIPALES DE LA PLANTA DE EMERGENCIA

IMPLEMENTADA

En la figura 2.3 se muestran las partes principales que conforman la planta de

emergencia, las cuales se explican brevemente a continuación. Es de vital importancia

el conocimiento de dicho sistema para entender perfectamente su funcionamiento. Las

partes primordiales son: motor, generador, sistema de arranque, regulador de voltaje,

regulador de gas, gobernador, panel de control, protecciones, batería, cargador de

batería, conexiones de CA, tablero de transferencia. Y el sistema de alimentación que

se detallara más adelante.

FIGURA 2.3. ESTRUCTURA DE LA PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW

2.2.1.1 GENERADOR

Como ya se explico en el capitulo anterior, el generador, es una maquina rotatoria

sincrónica, que se basa en la producción de una fuerza electromotriz alterna mediante el

fenómeno de inducción electromagnética, esto es, transforma la energía mecánica en

energía eléctrica.

La bobina que genera el campo magnético se denomina campo, que en este caso es el

inductor o rotor, el cual es giratorio y la bobina en la que se induce la fuerza

electromotriz recibe el nombre de armadura, que en este caso es el inducido o estator.

El generador requiere de un regulador de voltaje, el cual será el encargado de variar la

intensidad del campo magnético, y de una excitación, que será la fuente de

alimentación de dicho regulador de voltaje.

Page 47: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

45

ROTOR

El rotor está relacionado con la velocidad del generador, la cual es directamente

proporcional a la frecuencia. La potencia máxima que un generador puede manejar

depende del volumen del rotor. Para una potencia de salida dada, podrá elegir entre un

gran generador de baja velocidad, o un generador más pequeño de alta velocidad,

dependiendo también de los polos que contenga dicho rotor. El generador cuenta con un

rotor de 2 polos (figura 2.5)

FIGURA 2.5. GENERADOR CON ROTOR DE 2 POLOS

Las plantas de emergencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona del

generador de corriente alterna está determinada por la frecuencia de CA suministrada y

el número de polos en el rotor, de acuerdo con la relación de la siguiente ecuación:

)1.2(120

))(.( RPMPolosNof

Podemos determinar la velocidad a la cual deberá girar el motor de combustión interna

para entregar una frecuencia de 60 Hz. Por lo tanto conociendo la frecuencia, la cual

deberá ser constante y el número de polos del rotor, se despeja RPM de la ecuación 2.1,

obteniéndose:

2..60 polosdeNoHzf

)2.2(.

))(120(

PolosNo

fRPM

36002

)60)(120(RPM

ESTATOR

El estator esta diseñado con salidas individuales de los devanados separados de las

fases que pueden reconectarse a configuraciones Y o Delta. A este se le conoce a

menudo como estator reconectable de 6 puntas, tiene 6 devanados separados (12

terminales). Estos son fabricados principalmente por flexibilidad y eficiencia de

manufactura. Figura 2.7.

Page 48: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

46

Los 3 tipos de configuraciones reconectables con los que cuenta el generador son:

Alta “Y” estrella (3 fases)

Baja “Y” estrella (3 fases)

Delta (1 o 3 fases)

ALTA Y (277/480 VAC) BAJA Y (120/208 VAC) DELTA (120/240 VAC)

FIGURA 2.7. CONFIGURACIONES DEL ESTATOR

Nuestro equipo cuenta con la conexión Baja Y estrella trifásica, como se muestra en la

figura 2.8.

FIGURA 2.8. CONEXIÓN DEL ESTATOR

0321

321

LLL

LLL

VVV

III

Sistema balanceado

Las características del generador son:

Generador del tipo síncrono, con aislamiento del rotor y estator del tipo H, con una

distorsión total armónica menor al 5 %, trifásico (3 fases y 1 neutro), con conexión en

estrella (Y) configurable, autoexcitado. El generador se acopla al motor a través de

discos flexibles y tiene una capacidad de 80 KW. Figura 2.8.

Page 49: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

47

FIGURA 2.9. GENERADOR DE PLANTA DE 80 KW

En la figura 2.10 se despliega la estructura del generador, que es el estator, rotor,

excitación y acoplamiento.

FIGURA 2.10. ESTRUCTURA DEL GENERADOR

Generador

Autoexcitación Conexión Y

configurable

Acoplamiento

Estator

Rotor

Armadura de

excitación

Campo

excitador

Disco

flexible

Soporte

giratorio

Volante

Adaptador

del motor

Anillo

Terminales Autoexcitacion

Page 50: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

48

2.2.1.2. EXCITACION

Los generadores están equipados con un sistema de excitación, el cual es la

alimentación para el regulador de voltaje automático. Existen 3 principales: excitación

directa (con escobillas), autoexcitación (sin escobillas) y excitación con imán

permanente (excitación separada).

AUTOEXCITACIÓN (SIN ESCOBILLAS)

El sistema de excitación de un generador autoexcitado energiza al regulador de voltaje

automático, derivando potencia de la salida del generador (DPE), dicho embobinado se

encuentra 90° desfasado y se encuentra dentro del estator. El voltaje del regulador

detecta el voltaje y la frecuencia de salida, la compara con los valores de referencia y

entonces suministra una salida de CD a los devanados del campo del excitador. El

campo del excitador induce una salida de CA en el rotor del excitador el cual está en el

eje giratorio del generador impulsado por el motor. La salida del excitador es

rectificada por unos diodos rotatorios, que también están en el eje del generador, para

suministrar CD al rotor principal (campo de generador).

En la figura 2.10 se muestra el diagrama de dicha excitación:

FIGURA 2.10 DIAGRAMA DE UNA GENERADOR AUTOEXCITADO

Típicamente este sistema de excitación es el más económico disponible de un

fabricante. Da buen servicio a todas las condiciones de operación cuando el generador

es del tamaño apropiado para la aplicación. En la figura 2.11 se muestra dicha

excitación (esquemática y físicamente).

Page 51: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

49

FIGURA 2.11 AUTOEXCITACION

Las desventajas de un sistema autoexcitado son:

Podría ser necesario seleccionar un generador más grande para proveer

desempeño de arranque de motor aceptable.

Las maquinas autoexcitables dependen del magnetismo residual o remanente

para energizar el campo. Si este no es suficiente será necesario flashear el campo

con una fuente de potencia de CD.

Podría no sostener fallas de corriente lo suficiente para disparar interruptores de

circuito más adelante en el circuito.

La ventaja de un sistema autoexcitado sobre un sistema excitado con imán permanente

es que el primero esta inherentemente autoprotegido bajo condiciones de corto circuito

simétricas porque el campo se colapsa. Debido a esto, no se considera necesario un

interruptor de circuito en línea para proteger al generador y a los conductores al primer

nivel de distribución, reduciendo así el costo del sistema instalado.

CAMPO EXCITADOR

ARMADURA DE EXCITACION

PUENTE DE DIODOS (diodos rotatorios)

Page 52: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

50

ECUACIONES DEL GENERADOR

El generador consta de dos circuitos: circuito de campo y circuito de armadura. En la

figura 2.12 se muestran:

Circuito de armadura circuito de campo

FIGURA 2.12. GENERADOR SIN CARGA

Donde:

flujo

velocidad

campodecorrienteic

campodeBobinaLc

campodesistenciaRc

campodevoltajeVc

Re

GENERADOR SIN CARGA

Ecuaciones en el dominio del tiempo:

)4.2(

)3.2(

Egdt

diaLaRaiaVa

dt

dicLcRcicVc

Debido a que no existe carga, no circula ninguna corriente, así que ic=0, por lo tanto:

)5.2(EgVa

La fem inducida es proporcional a la velocidad y al flujo magnético.

)6.2( KgEgfem

inducidovoltajeEg

armaduradecorrienteia

armaduradeBobinaLa

armaduradesistenciaRa

armaduradevoltajeVa

Re

Page 53: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

51

Donde:

flujo

velocidad

generadordelcteKg

.

corrienteladefuncionenestai

cteessiKgEg

cteessiKgEg

)(

.

.

Ecuaciones en el dominio de la frecuencia

Para el dominio de la frecuencia tenemos que 2.3 y 2.4 por la Transformada de Laplace:

)8.2()(

)7.2()()()(

EgSVa

SLcSIcSRcIcSVc

Para obtener la función de transferencia )(

)(

SVc

SVa se tiene que:

)9.2()(

)(LcSRc

SVcSIc

Consideramos que KgIcEg

)11.2()(

)(

)10.2(1

1)(

)(

2

1

S

K

SLc

RcLc

Kg

LcSRc

Kg

SVc

SVa

S

K

SRc

LcRc

Kg

LcSRc

Kg

SVc

SVa

Donde:

1

.

2

1

Lc

Rc

tiempodecteRc

Lc

Lc

KgK

Rc

KgK

Page 54: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

52

GENERADOR CON CARGA

FIGURA 2.13. GENERADOR CON CARGA

Ecuaciones en el dominio del tiempo:

)13.2(

)12.2(

EgiaZdt

diaLaRaiaVa

dt

dicLcRcicVc

L

Para el dominio de la frecuencia tenemos que 2.9 y 2.10 por la Transformada de

Laplace:

)15.2()()()()(

)14.2()()()(

EgSIaZSLaSIaSRaIaSVa

SLcSIcSRcIcSVc

L

Para obtener la función de transferencia )(

)(

SVc

SVa se tiene que:

)16.2(

)1)(1(

)(

))(()(

)( argarg

) SR

LS

Rc

Lc

SLRKg

ZLaSRaLcSRc

KgZ

SVc

SVa

eq

eq

acacL

Donde:

aceq

aceq

acacL

LLaL

RRaR

SLRZ

arg

arg

argarg

Page 55: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

53

2.2.1.3 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO (AVR)

Los reguladores de voltaje, también llamados AVR (por sus siglas en ingles Automatic

Voltage Regulator) varían de acuerdo a la salida de potencia que manejan. Todos ellos

monitorean el voltaje de salida del generador y ajustan su nivel de salida de excitación

para mantener el voltaje del generador deseado. La figura 2.14 muestra la función de un

simple control automático, en este caso, se refiere al regulador de voltaje automático.

Este se basa en un amplificador operacional, el cual tiene dos entradas (una positiva y

otra negativa) y una salida. Este amplificador operacional es usado como un

comparador de dos señales.

FIGURA 2.14 REGULADOR DE VOLTAJE AUTOMATICO

En el regulador de voltaje, la comparación es hecha entre la señal del voltaje del

generador medido o sensado y un voltaje de referencia (VREF), el cual es establecido por

el AVR para representar en nivel de voltaje nominal o deseado. El resistor variable, es

un resistor para ajustar el voltaje que permite cambiar el nivel de voltaje deseado o

nominal requerido para operar el generador. Si un voltaje positivo es aplicado a la

entrada positiva del amplificador, la salida del amplificador entonces será positiva. Si el

voltaje positivo es aplicado a la entrada negativa del amplificador, el amplificador

invierte la polaridad a su salida.

En operación, el voltaje del generador y el voltaje de referencia son aplicados a las

entradas del amplificador como se muestra en la figura anterior, y el amplificador

operacional ajusta la excitación para el generador hasta que las entradas sean iguales. Si

el voltaje de referencia es más grande que el voltaje del generador, la salida del

amplificador incrementara, incrementando la excitación, hasta que el voltaje del

generador sea igual al voltaje de referencia. Si el voltaje del generador excede el voltaje

de referencia, el amplificador disminuirá la salida, reduciendo la excitación hasta que el

voltaje del generador sea igual al VREF.

Page 56: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

54

Refiriéndonos nuevamente a la figura 2.14, la señal de error del amplificador es

conectada al bloque de control de potencia. La función de este bloque es similar al

regulador de voltaje en la figura 2.16. El voltaje del generador de CA usado para la

potencia de excitación es aplicado a la etapa de control de potencia para el campo

excitador. La etapa de control de potencia ideal es capaz de apagar el voltaje de campo

completamente o aplicar todo el voltaje disponible al campo. La etapa de control de

potencia deberá ser capaz de apagar o prender rápidamente, típicamente en uno o dos

ciclos eléctricos.

El rendimiento del regulador de voltaje esta ilustrado en la figura 2.15. La línea superior

representa los cambios de voltaje del generador con el tiempo, cuando una carga es

aplicada a dicho generador. La segunda línea es la señal de control del amplificador

operacional. La línea inferior es el voltaje de campo. El regulador de voltaje en este

ejemplo es lento a la respuesta y su regulación es de 5%, desde cero carga a plena carga:

)17.2(100arg

argsinargRe% x

acplenaaVoltaje

acVoltajeacplenaaVoltajegulacion

Estas características serán modificadas para mejorar el rendimiento del regulador de

voltaje.

FIGURA 2.16 RENDIMIENTO DEL GENERADOR CON REGULADOR DE VOLTAJE

AUTOMATICO

En la figura anterior se muestra como el generador, al estar sin carga, se encuentra en su

velocidad nominal (se asume que la velocidad nunca cambia durante el ejemplo), y el

voltaje en el nivel deseado (100%). El primer evento que ocurre es cuando se le aplica

la carga, causando que disminuya el voltaje del generador al 80% (esto por la reactancia

subtransciente del generador), entonces disminuye aun mas al 70%. El regulador de

voltaje responde a través de su censado incrementando la señal de control del AMP OP.

El control de potencia toma un pequeño tiempo para responder al comando de control,

entonces incrementa el voltaje de campo al máximo disponible. Hay que notar que el

máximo voltaje disponible en ese momento es del 70%, debido a que la alimentación es

tomada del voltaje de salida del generador, el cual ha disminuido al 70% del nominal.

Page 57: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

55

El voltaje de campo causa que la corriente del campo excitador incremente

gradualmente por la inductancia del campo, incrementando el voltaje de salida del

excitador, en este caso, autoexcitable, y gradualmente incrementando la corriente del

campo del generador. Así el voltaje del generador comienza a incrementarse al valor

nominal. El amplificador operacional censa la restauración del voltaje y disminuye su

señal de control a medida que el voltaje va aumentando. La reducción de la señal de

error ocurre cuando el voltaje de excitador disponible esta incrementándose. La señal de

control de potencia regresa a su valor nominal de excitación. Para reducir el voltaje de

campo cuando la señal de error disminuye, el voltaje del campo excitador deberá ser

reducido al nivel requerido para mantener un voltaje constante en condición de plena

carga.

Por que el voltaje regresa al 95% en lugar del 100%? Si el amplificador operacional

pudiera detectar cualquier error entre el censado y la referencia, sin importar que tan

pequeño sea este, el voltaje siempre regresaría al 100% del voltaje nominal. Con

tecnología moderna, existe la posibilidad. La recuperación del voltaje nominal debería

ser más rápido para entregar el mejor rendimiento del generador. En la figura 2.16 se

muestra el diagrama de un regulador de voltaje con la ajuste de estabilidad, en cual nos

permite un control mas preciso y confiable. Este es similar al mostrado en la figura 2.14,

solo que ahora se le agrega el bloque de estabilidad. Sin este bloque, el voltaje del

generador oscilara por la ganancia del regulador de voltaje. Por lo tanto es necesario un

circuito de estabilidad para corregir la oscilación. Este bloque toma una señal negativa

de la retroalimentación que viene del campo hacia el punto de suma del regulador de

voltaje. Esta señal de retroalimentación forma la respuesta del sistema y suplementa la

señal de corrección desde el circuito detector de error.

FIGURA 2.16 DIAGRAMA A BLOQUES DE UN REGULADOR TIPICO DE VOLTAJE

Page 58: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

56

El circuito de retroalimentación es un circuito de red sensible a la frecuencia, que

consiste de capacitancia y resistencia. En la figura 2.17 se muestra un circuito sencillo

conectado al campo para entregar una señal al punto de suma del regulador de voltaje.

FIGURA 2.17 CIRCUITO SIMPLE DE ESTABILIDAD PARA ADELANTO Y ATRASO DE LA

SEÑAL DEL CAMPO EXCITADOR

Hay tres factores que afectan la estabilidad del voltaje del sistema del generador. Las

cuales son la ganancia, la red de estabilidad y la constante de tiempo.

El modelo para la estabilidad nos ayuda a obtener la función de transferencia del

regulador de voltaje automático y combinado este con la función de transferencia del

excitador y generador. Las funciones de transferencia son ecuaciones matemáticas que

representan el comportamiento de cada elemento del sistema. Estas permiten sobretodo

una evaluación del cambio de fase y ganancia en un sistema de lazo cerrado sobre cierto

rango de frecuencia. Cada sistema de excitación de un generador tiene funciones de

transferencia con sus variables de entrada que contienen la ganancia y las constantes de

tiempo del generador y regulador de voltaje. La norma IEEE 421.5 ofrece una guía para

varios modelos de los diferentes tipos de sistemas excitación. El tipo seleccionado

depende de que si el sistema excitador es del tipo estático o rotatorio.

En la figura 2.18 se muestra un modelo matemático IEEE de un sistema de excitación

rotatorio con rectificador, que es con el que viene equipado nuestro equipo de

emergencia. En la tabla 2.1 se muestra la nomenclatura utilizada.

FIGURA 2.18. MODELOS MATEMATICO DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN DE UN

GENERADOR

Page 59: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

57

TABLA 2.1

La regulación digital es muy similar a los reguladores de voltaje análogo. La principal

diferencia entre los dos es que el sistema de excitación digital reemplaza algunos de los

bloques análogos con un microprocesador. En la siguiente figura se muestra un

diagrama a bloques de un sistema de excitación digital.

FIGURA 2.19. DIAGRAMA A BLOQUES DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN DIGITAL

El regulador de voltaje censa el voltaje de salida del generador. Cuando el voltaje de

salida va por debajo del punto de ajuste del voltaje del regulador al colocar la carga, éste

incrementa la excitación de CD al rotor, aumentando así el campo magnético del rotor,

volviendo el voltaje a su nivel de ajuste. Cuando el voltaje va por arriba del punto de

ajuste del voltaje del regulador al retirar la carga, éste decrece la excitación de CD al

rotor, volviendo el voltaje a su nivel de ajuste. El regulador es alimentado por una

fuente externa y aislada de CA, que es la excitación.

Existe una gran variedad de reguladores de voltaje para las plantas de emergencia, pero

la función de cada uno es la misma. Tiene entrada de alimentación, que es la

excitación, entrada de voltaje para el censado y salida de voltaje para el rotor. Algunos

cuentan solo con ajuste para variar el voltaje, otros para ajustar voltaje, frecuencia y

ganancia, que son los que nos dan una mayor estabilidad al equipo.

BLOQUE 1 BLOQUE 2

Vc Voltaje de salida del generador K2 Ganancia del excitador

Vref Voltaje de referencia K3 Ganancia del generador

KA Ganancia del regulador de voltaje TBS Constante de tiempo del campo del

excitador

TAS Constante de tiempo del amplificador

de error en segundos

TCS Constante de tiempo del campo del

generador

KFS Ganancia del circuito de estabilidad

del regulador

TFS Constante de tiempo del circuito de

estabilidad del regulador en segundos

Page 60: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

58

El regulador de voltaje con el que cuenta el equipo es totalmente digital, con censado

trifásico, compatible con el controlador H-100 que se explica mas adelante. Cuenta con

ajuste de voltaje, frecuencia, ganancia y estabilidad a través del Genlink (Anexo 3).

Figura 2.20.

FIGURA 2.20. REGULADOR DE VOLTAJE

2.2.1.4 CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE

El circuito de campo de arranque es un circuito de excitación utilizado solo para el

arranque. Este consiste de una resistencia de potencia (R1) y un diodo de la velocidad

(D1). A la resistencia de potencia le llega un voltaje que proviene de una tarjeta

controladora (12 VCD). El resistor alimenta al diodo. Cuando la unidad arranca por

primera vez, un voltaje es dirigido hacia la resistencia de potencia la cual reduce el

voltaje (figura 2.21). Posteriormente dicho voltaje pasa hacia el diodo y la salida

alimenta al rotor, con la ayuda del campo excitador, esto excita al rotor y la unidad

produce un voltaje de salida reducido menor al 50% en el embobinado de excitación

(DPE) y en el embobinado de potencia. Este voltaje es suficiente para encender el

regulador de voltaje. El regulador de voltaje entonces empieza a excitar al rotor. Cuando

el voltaje de excitación del regulador excede el voltaje que proviene del circuito de

arranque de campo, el diodo se polariza inversamente, se abre el circuito y el regulador

ahora controla el voltaje de CD que va hacia el rotor.

El circuito de campo de arranque viene incluido dentro del panel de control y cuenta

con un circuito de protección.

FIGURA 2.21. CIRCUITO DE CAMPO DE ARRANQUE

Diodo

Resistencia

Al rotor

Al regulador de voltaje

Señal de arranque

Breaker DPE

Page 61: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

59

2.2.1.5 MOTOR

El equipo cuenta con un motor marca FORD, tipo en V, de 8 cilindros, con un

desplazamiento de 4.6 L, compresión 9.4:1 y naturalmente aspirado. Figura 2.22.

FIGURA 2.22. MOTOR DE PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW

En la figura 2.23 se muestra la estructura del motor, y se muestra sus filtros de aire y

aceite, llenado de aceite, varilla para la medición del aceite, carter, bobinas de ignición y

bujías.

FIGURA 2.23. MANTENIMIENTO DEL MOTOR

2.2.5.1 SISTEMAS PRINCIPALES DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA

SISTEMA DE ALIMENTACIÓN

Consta de dos reguladores de gas (figura 2..24a) accionados por solenoides para

suministrar la presión necesaria de gas LP hacia el carburador al momento del arranque

(figura 2.24b), el cual a su vez, inyecta directamente a la cámara de combustión.

Llenado de

aceite

Varilla de

medición de

aceite

Filtro de

aceite

Carter

Filtro de

aire

Bobinas de

ignición y

bujías

Page 62: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

60

FIGURA 2.24. SISTEMA DE COMBUSTIBLE

Estos reguladores se encuentran internamente en la planta de emergencia. A través de

estos mecanismos de regulación de combustible, se realiza el arranque y paro de la

planta. Para el arranque, la tarjeta de control envía una señal a los 2 solenoides de

combustible y el solenoide auxiliar, abriéndolas y permitiendo el paso de combustible,

quedándose abierta durante la operación. Para apagar, la tarjeta de control deja de

enviar la señal y desenergiza los solenoides, cerrando su válvula e impidiendo el paso

de combustible. También cuenta con un interruptor de presión para mantener el equipo

funcionando a la presión requerida.

Solenoide

auxiliar

Al arnés del

motor

Mangueras

Carburador

Regulador

Regulador

b) a)

a)

Solenoide de combustible

Regulador de gas

Señales provenientes de

tarjeta de control

Regulador

b)

A

B C

Al filtro de

aire

Carburador

Gobernador

electrónico

C

A B

Gobernador

electrónico

A la entrada

del múltiple

Sensor de presión

Interruptor de

presión

Solenoide

auxiliar

Solenoide de

combustible

Page 63: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

61

Cabe mencionar que estos reguladores son configurables, es decir, pueden ser usados

para operar a gas natural o a gas LP, dependiendo de la aplicación que uno requiera;

solo es necesario hacer un cambio de configuración en los reguladores.

El sistema de alimentación de combustible de un motor de combustión interna a gas

consta de un depósito, un gobernador y un dispositivo que vaporiza o atomiza el

combustible líquido, para poder ser quemado, el cual es llamado carburador. Ver figura

2.25

FIGURA 2.25 SISTEMA DE ALIMENTACION (CARBURADOR)

En los motores de varios cilindros el combustible vaporizado se conduce a los cilindros

a través de un tubo ramificado llamado colector de admisión. Los motores cuentan con

un colector de escape o de expulsión, que transporta los gases producidos en la

combustión.

CARBURADOR

El carburador es el dispositivo que hace la mezcla de aire-combustible en los motores a

gas. A fin de que el motor funcione más económicamente y obtenga la mayor potencia

de salida, es importante que el combustible utilizado esté mezclado con el aire en las

proporciones óptimas.

El carburador posee una división donde el combustible y el aire son mezclados y otra

porción donde el combustible es almacenado. Estas partes están divididas pero están

conectadas por la tobera principal. La relación de aire-combustible es determinante

para el funcionamiento del motor. La clave es que el aire debe ser frío para que este

rendimiento se haga. En la carrera de admisión del motor, el pistón baja dentro del

cilindro y la presión interior del cilindro disminuye, aspirando aire desde el purificador

(filtro), carburador y colector de admisión, fluyendo hasta el cilindro. Cuando este aire

pasa a través de la porción angosta del carburador, la velocidad se eleva, y aspira el

combustible desde la tobera principal. Este combustible aspirado es soplado y

esparcido por el flujo de aire y es mezclado con el aire.

Esta mezcla aire-combustible es luego aspirada dentro del cilindro. La cantidad de aire

es controlada por la flecha de un gobernador, determinándose así la cantidad de mezcla

aire-combustible aspirado.

Page 64: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

62

ACCESORIOS DEL CARBURADOR

AHOGADOR

El ahogador, también conocido como válvula de aire, cebador o arrancador, es un

dispositivo que por diversos mecanismos incrementa la riqueza de la mezcla para que el

motor arranque correctamente y tenga un funcionamiento suave mientras no haya

alcanzado la temperatura de trabajo. El dispositivo consiste en una mariposa o guillotina

que cubre de forma total o parcial la boca del carburador. Sin embargo, reciben distintos

nombres en función de la naturaleza del mecanismo que activa el dispositivo. Existen

tres tipos de ahogadores: manual, térmico y eléctrico.

AHOGADOR ELÉCTRICO.- Es el sistema más avanzado que usan los carburadores.

Consiste en un sensor eléctrico de temperatura que permite consultar la temperatura del

refrigerante. En lugar del bombo tenemos un electroimán que mantiene cerrado el

ahogador mientras el sensor no alcance la temperatura indicada (las plantas de

emergencia cuentan con este tipo de ahogador, el cual es controlado por solenoides).

GOBERNADOR

Es el encargado de mantener una frecuencia constante al variar la carga aplicada al

motor; esto lo logra por medio de un dispositivo mecánico o electrónico conectado al

solenoide (ahogador) del carburador, controlando la posición de dicho ahogador para

mantener la frecuencia. El gobernador puede ser mecánico o electrónico.

GOBERNADOR ELECTRÓNICO.- Los gobernadores electrónicos se usan en

aplicaciones donde se especifica equipo de sincronización y paralelismo activos. Las

RPM del motor son generalmente detectadas por un sensor electromagnético y la

alimentación del motor se controla por solenoides impulsados por circuitos

electrónicos. Estos circuitos, ya sea auto-contenidos o como parte de un control de

generador por microprocesador, utilizan sofisticados algoritmos para mantener el

control de la velocidad precisa, y por lo tanto la frecuencia.

Los gobernadores electrónicos permiten que los motores-generadores se recuperen

más rápidamente de los pasos de carga transición que los gobernadores mecánicos. Los

gobernadores electrónicos se deben usar siempre que las cargas incluyan equipos

UPS. En la figura 2.26 se muestra el despiece del gobernador electrónico de nuestro

equipo.

FIGURA 2.26. GOBERNADOR ELECTRONICO

Page 65: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

63

Los motores modernos solo están disponibles con sistemas de gobernación electrónica.

La demanda o los requerimientos de la ley para lograr más alta eficiencia de

combustible, bajas emisiones y otras ventajas requieren el control preciso ofrecido por

estos sistemas. Nuestra planta de emergencia cuenta con este sistema de gobernación.

El equipo tiene un gobernador electrónico (figura 2.27). Sus funciones son

preestablecidas en fábrica, aunque se pueden realizar algunos ajustes a través del

Genlink (Anexo 3). Su función es mantener la frecuencia de 60 Hz. La tarjeta de control

H-100 envía las señales a la tarjeta controladora de gobernador, y esta amplifica dichas

señales para enviarlas al gobernador, el cual es un motor a pasos, para mantener la

regulación del paso del combustible al carburador al sufrir cambios en la carga y así

mantener la frecuencia constante. Esto se logra con un solenoide que se encuentra

dentro del carburador.

FIGURA 2.27. GOBERNADOR ELECTRONICO

SISTEMA DE IGNICION (ENCENDIDO)

El sistema de ignición es muy importante para el buen funcionamiento del motor ya que

afecta de manera directa su consumo de combustible y por lo tanto su rendimiento. Este

sistema proporciona impulsos de alto voltaje (de 20,000 a 40,000 volts) entre los

electrodos de las bujías en el cilindro del motor. Estos impulsos producen arcos

eléctricos en el espacio comprendido entre los electrodos de la bujía, chispas que

inflaman la mezcla comprimida en la cámara de combustión.

Cada arco eléctrico se sincroniza de manera que salte cuando el pistón se aproxima al

punto muerto superior en la carrera de compresión. Es por ello importante conocer sus

componentes y la forma en la cual funciona. Este sistema puede afectar la potencia de

su motor, el arranque y su sistema de control.

El sistema de ignición tiene varios objetivos:

Suministrar el voltaje necesario para producir la chispa en las bujías y generar la

combustión en los cilindros.

Generar la chispa en cada bujía en el momento preciso (cuando el pistón se

encuentra en la parte superior del cilindro y la mezcla aire combustible esté

comprimida).

Distribuir el alto voltaje a cada uno de los cilindros.

Modificar el momento en el cual se debe generar la chispa en cada cilindro (tiempo

de encendido), el cual debe ir sincronizado con el árbol de levas.

Tarjeta controladora de

gobernador Gobernador

Page 66: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

64

En la figura 2.28 se muestra un diagrama de bloques de los componentes del sistema de

encendido. Resulta imprescindible una fuente de suministro de energía eléctrica para

abastecer al sistema, este puede ser una batería o un pequeño generador. Luego será

necesario un elemento que sea capaz de subir el bajo voltaje de la batería, a un valor

elevado para el salto de la chispa (miles de voltios). Este generador de alto voltaje

tendrá en cuenta las señales recibidas de los sensores de posición del cilindro (árbol de

levas) y de la velocidad de rotación del motor (posición del cigueñal) para determinar el

momento exacto de la elevación de voltaje. Para la elevación del voltaje se usa un

transformador relevador de altísima relación entre los embobinados, que se le llama

bobina de encendido y un generador de pulsos que lo alimenta (el cual puede ser

mecánico o electrónico). Será necesario también un dispositivo que distribuya el alto

voltaje (distribuidor) a los diferentes cables de cada uno de los productores de la chispa

dentro de los cilindros (bujías) en concordancia con las posiciones respectivas de sus

pistones.

FIGURA 2.28. SISTEMA DE ENCENDIDO

ENCENDIDO ELECTRONICO INTEGRAL

Al quedar suprimidos los dispositivos mecánicos de los sistemas de corrección de

avance del encendido por la aplicación de componentes electrónicos, se obtiene mayor

precisión en las curvas de avance, que pueden adaptarse cualquiera que sea su ley,

cumpliendo perfectamente con la normativa de anticontaminación. El mantenimiento de

estos sistemas de encendido es prácticamente nulo.

El distribuidor evoluciona a la vez que se perfecciona el sistema de encendido. El

distribuidor en este tipo de encendido se limita a distribuir, como su propio nombre

indica, la alta tensión procedente de la bobina a cada una de las bujías.

SUMINISTRO DE

VOLTAJE

GENERADOR DE

ALTO VOLTAJE

SENSOR DE

VELOCIDAD

SENSOR DE

POSICION

DISTRIBUIDOR

ELEMENTOS

PRODUCTORES DE

CHISPA

Page 67: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

65

El tipo de sistema de encendido al que nos referimos ahora se le denomina: "encendido

electrónico integral" y tiene ciertas particularidades con respecto a los anteriores

sistemas de encendido. En la figura 2.29 se muestra este sistema.

FIGURA 2.29. ESQUEMA DE UN SISTEMA DE ENCENDIDO ELECTRONICO

GENERADOR DE IMPULSOS DE TIPO INDUCTIVO

Para saber el número de RPM del motor y la posición del cigüeñal se utiliza un

generador de impulsos inductivo. Esta constituido por una corona dentada que va

acoplada al volante de inercia del motor y un sensor magnético frente a ella. El sensor

esta formado por un imán permanente, alrededor esta enrollada una bobina donde se

induce una tensión cada vez que pasa un diente de la corona dentada frente a el. Como

resultado se detecta la velocidad de rotación del motor. La corona dentada dispone de

un diente y su correspondiente hueco más ancho que los demás situado 90º antes de

cada posición PMS. Cuando pasa este diente frente al sensor la tensión que se induce es

mayor, lo que indica a la centralita electrónica que el pistón llegara al PMS 90º de giro

después. Observar figura 2.30.

1. Bobina de encendido

2. Distribuidor

3. Bujía

4. Unidad de control

5. Sensor de temperatura del

motor

6. Sensor de posición de la

mariposa

7. Sensor de revoluciones y PMS

8. Disco dentado

9. Llave de contacto

10. Sistema de alimentación

(Puede ser bomba de inyección

o carburador, dependiendo del

tipo de combustible que utilice el

motor)

10

Page 68: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

66

FIGURA 2.30. SITUACION DEL SENSOR DE RPM Y SEÑAL ELECTRICA QUE GENERA

UNIDAD DE CONTROL

La unidad de control del "encendido electrónico integral" es el cerebro del sistema,

recibe señales del generador de impulsos para saber el número de RPM del motor y la

posición que ocupa con respecto al PMS. Además de recibir estas señales tiene en

cuenta la temperatura del motor mediante un sensor que mide la temperatura del

refrigerante (agua del motor) y un sensor que mide la temperatura del aire de admisión.

Con todos estos datos la unidad de control calcula el avance al punto de encendido. El

elemento principal de la unidad de control para encendido electrónico es un

microprocesador. Este contiene todos los datos. Como sabemos, los sensores

suministran señales eléctricas analógicas, y estas señales deben ser convertidas a

digitales a través de un convertidor analógico-digital para ser procesadas por el

microprocesador. En la figura 2.31 se muestra el diagrama de dicho control.

FIGURA 2.31. ESQUEMA A BLOQUES DE UNA UNIDAD DE CONTROL DE ENCENDIDO

Ya habiendo entendido bien los sistemas de encendido existentes, es mucho mas fácil

entender el funcionamiento del encendido de nuestra planta de emergencia el cual es

totalmente electrónico.

Tiempo

Tensión

Sensor

inductivo

de RPM

Corona

dentada

Señales de entrada Señales de salida Unidad de control de encendido

Bobina de

encendido

1. Microprocesador

2. Convertidor analógico-digital

3. Etapa de potencia de encendido

4. Sensor de RPM y posición PMS

5. Señales de conexión (mariposa)

6. CANbus

7. Presión en el colector de admisión

8. Temperatura del motor

9. Temperatura del aire aspirado

10. Tensión de batería

Page 69: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

67

Aquí, el distribuidor es una tarjeta electrónica de ignición (figura 2.32a), que es la

encargada de distribuir los voltajes a las bujías (distribuidor electrónico) y lograrse así

el encendido del motor. Esta tarjeta envía una señal de voltaje a las bobinas de ignición

(figura 2.32b) de las bujías para crear la chispa y se produzca la combustión dentro de la

cámara de combustión del motor. Esta tarjeta recibe las señales de dos sensores

magnéticos instalados en el motor, que le indican la posición del árbol de levas y del

cigüeñal (RPM) para sincronizar el momento justo en que debe enviar las señales a las

bobinas de ignición.

FIGURA 2.32. SISTEMA DE IGNICION

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

La temperatura es un parámetro que afecta de manera importante el funcionamiento de

los motores de combustión interna. En algunas partes del motor se tienen temperaturas

mayores de 1000 °C (cámara de combustión), en algunos casos los gases de escape

salen a 550 °C. En un motor más de la tercera parte de energía que se le suministra a

través del combustible se pierde en forma de calor. El sistema de enfriamiento es el que

se encarga de que los diferentes componentes del motor se mantengan en temperaturas

seguras y así evitar que el motor sufra desgastes prematuros o daños importantes y

lograr con ello su máximo rendimiento. Algunas partes del motor que se deben enfriar

constantemente son:

Cámara de combustión

Parte alta del cilindro

Cabeza del pistón

Válvulas de escape y de admisión

Cilindro

Los sistemas de enfriamiento modernos están diseñados para mantener una temperatura

homogénea entre 82 y 113 °C. Un sistema que no cumpla los requisitos que se exigen

puede producir: un desgaste prematuro de partes por sobrecalentamiento, en especial en

el pistón con la pared del cilindro; preignición y detonación; daño a componentes del

motor o accesorios (radiador, bomba de agua, cabeza del motor, monobloque, bielas,

cilindros); corrosión de partes internas del motor, entrada de refrigerante a las cámaras

de combustión; fugas de refrigerante contaminando el aceite lubricante; evaporación del

lubricante; formación de películas indeseables sobre elementos que transfieren calor

como los ductos del radiador; sobreconsumo de combustible y formación de lodos por

baja o alta temperatura en el aceite lubricante.

Page 70: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

68

Es por todo esto importante conocer cómo trabaja el sistema de enfriamiento, las

características que debe tener un buen refrigerante o “anticongelante” y las acciones

que pueden afectar de manera negativa al enfriamiento del motor.

Los objetivos principales del sistema de enfriamiento es: reducir la temperatura dentro

de rangos seguros de operación para los diferentes componentes, tanto exteriores como

interiores del motor; disminuir el desgaste de las partes; reducir el calentamiento de los

elementos de la máquina que se mueven unos con respecto a otros y mantener una

temperatura óptima para obtener el mejor desempeño del motor. Para cumplir con estos

objetivos el sistema cuenta con un refrigerante, que es la sustancia encargada de

transferir el calor hacia el aire del medio ambiente.

Los sistemas de enfriamiento se clasifican generalmente de acuerdo al tipo de elemento

utilizado para enfriar el motor. En algunos casos es un líquido y en otros es aire. Ambos

elementos presentan características muy particulares. En sistemas que manejan aire

como elemento refrigerante, se requieren grandes cantidades de este elemento para

enfriar al motor, por lo cual su uso está restringido a motores pequeños o en condiciones

muy específicas. Generalmente el aire es llevado al exterior del cilindro el cual cuenta

con una serie de aletas para mejorar la transferencia de calor, en otras ocasiones el aire

es utilizado además para enfriar un radiador por el cual circula el aceite lubricante y es

éste el que realmente enfría al motor.

Estos sistemas son muy confiables ya que no presentan fugas de la sustancia

refrigerante pero no son tan eficientes como los que utilizan una sustancia líquida,

además de que proporcionan un mejor control de la temperatura en los cilindros y la

cámara de combustión.

SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO

Una banda acoplada a la polea del cigüeñal mueve la polea de la bomba de agua, ésta

provoca el movimiento del líquido refrigerante del motor hacia el radiador, en él se hace

pasar una corriente de aire movida por el ventilador hacia el líquido refrigerante, lo que

le permite bajar su temperatura y, a través de unas mangueras, este líquido retorna hacia

el motor para volver a iniciar el ciclo. El líquido que entra al motor transfiere parte del

calor generado en la cámara de combustión removiéndolo de la parte superior del

cilindro, de las válvulas de admisión y de escape, y del mismo cilindro a través de las

camisas que lo envuelven y que forman parte del monobloque. Este líquido caliente es

impulsado por la bomba de agua y enviado hacia el radiador pasando por el termostato

concluyendo así el ciclo.

Cuando el motor está por debajo de la temperatura de operación, el termostato bloquea

el flujo de agua hacia el radiador, circulando éste solamente por las camisas de agua

para elevar la temperatura de manera homogénea hasta un nivel óptimo. En días fríos, el

termostato permite apenas la circulación de refrigerante suficiente a través del radiador

para eliminar el exceso de calor y mantener una temperatura adecuada en el motor.

Page 71: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

69

PARTES DEL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO

1. Radiador

2. Tapón de radiador

3. Mangueras

4. Termostato

5. Ventilador

6. Tolva

7. Bomba de agua

8. Poleas y bandas

9. Depósito recuperador (tanque de expansión)

10. Camisas de agua

11. Intercambiador de calor

12. Bulbo de temperatura

En la siguiente figura se muestra el sistema claramente con sus partes identificadas:

FIGURA 2.33. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LIQUIDO

El motor de nuestro equipo cuenta con su sistema de enfriado por líquido (figura 2.34).

FIGURA 2.34. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO POR LÍQUIDO PARA EL MOTOR

Page 72: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

70

SISTEMA DE ARRANQUE

Los motores de combustión interna no producen un par de fuerzas cuando arrancan, lo

que implica que debe provocarse el movimiento del cigüeñal para que se pueda iniciar

el ciclo. Los motores de las plantas de emergencia utilizan un motor eléctrico, llamado

también motor de arranque, conectado al cigüeñal por un embrague automático que se

desacopla en cuanto arranca el motor. El sistema de arranque tiene por finalidad dar

manivela al cigüeñal del motor para conseguir el primer impulso vivo o primer tiempo

de expansión o fuerza que inicie su funcionamiento. El arrancador consume gran

cantidad de corriente al transformarla en energía mecánica para dar movimiento al

cigüeñal y vencer la enorme resistencia que opone la mezcla al comprimirse en al

cámara de combustión.

Una batería completamente cargada puede quedar descargada en pocos minutos al

accionar por mucho tiempo el interruptor del sistema de arranque; se calcula que el

arrancador tiene un consumo de 400 a 500 amperes de corriente y entones nos

formamos una idea de que una batería puede quedar completamente descargada en poco

tiempo, por eso no es recomendable abusar en el accionamiento del interruptor de

arranque.

FUNCIONAMIENTO

El motor de arranque funciona como un motor eléctrico, con un piñón y un dispositivo

para guiar el piñón en la rueda dentada del volante. Exteriormente, la armadura, las

zapatas polares y el devanado de excitación son semejantes a los del generador. El

devanado de excitación se conecta en serie, funcionando como el motor; gracias a la

corriente principal se adapta bien a la marcha, debido a que, por su elevado par motor,

consigue desde el principio sobrepasar la resistencia impuesta por el motor.

La relación de transmisión entre el anillo y la cremallera es de aproximadamente 20:1.

En esta alta relación de transmisión el piñón no permanece engranado continuamente,

puesto que el motor de marcha alcanzaría una frecuencia de giro demasiada alta. Por tal

motivo, se necesita un dispositivo especial de desenganche, con el fin de que haya

separación entre el motor principal y el de marcha, cuando la frecuencia de giro del

motor sobrepase cierto valor.

ESTRUCTURA DEL MOTOR DE ARRANQUE

La constitución interna de un motor de arranque se muestra en la figura 2.35. El piñón

que lleva en el extremo de su eje, se monta de tal forma que engrane con la corona

dentada de la periferia del volante. De esta forma cuando gire el motor eléctrico,

obligará a girar también al motor de combustión interna y podrá arrancar. El tamaño del

piñón depende de la velocidad propia del arrancador eléctrico.

Page 73: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

71

FIGURA 2.35. PARTES DEL ARRANCADOR

El arrancador está compuesto básicamente de tres conjuntos:

Conjunto de Solenoide o mando magnético

Conjunto del Motor de Arranque propiamente

Conjunto del impulsor o Bendix

TIPOS DE MOTOR DE ARRANQUE

Hay dos tipos comunes de motor de arranque: los que llevan solenoide separado y los

que lo llevan incorporado.

ARRANCADOR CON SOLENOIDE INTEGRADO.- Cuando se activa la llave hacia

la posición de arranque, un cable lleva la corriente de 12 volts hacia el solenoide del

motor de arranque, el solenoide tiene un campo magnético, que al ser activado hace 2

cosas, primero, desliza un pequeño engrane llamado Bendix, hacia los dientes del

volante, y al mismo tiempo hace un puente de corriente positiva (+) entre el cable que

llega al motor de arranque desde la batería y el cable que suministra corriente a los

campos del motor de arranque, al suceder esto, el motor de arranque da vueltas rápidas

y con la suficiente fuerza para que el engrane pequeño de vueltas a la rueda volante del

motor.y así se da inicio al arranque del motor. Ver figura 2.36.

FIGURA 2.36. PARTE ELÉCTRICA DEL MOTOR DE ARRANQUE CON SOLENOIDE

INTEGRADO

Page 74: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

72

En la figura anterior se muestra, la parte resaltada en negro, las dos bobinas eléctricas

que forman el relevador de arranque. También se ve el bobinado inductor y las

escobillas, así como el circuito eléctrico exterior que siempre acompaña al motor de

arranque.

Nuestro equipo cuenta con un motor eléctrico con solenoide integrado para el sistema

de arranque, el cual fue explicado anteriormente. Aquí, la tarjeta de control de la planta

de emergencia envía una señal de voltaje directo a un contactor pequeño, el cual, al

recibir dicha señal de control, cierra sus platinos y envía el voltaje al solenoide

integrada del motor de arranque y así poder darle marcha al cigüeñal del motor de

combustión interna y logarse el encendido del equipo. Figura 2.37.

FIGURA 2.37. SISTEMA DE ARRANQUE DEL MOTOR

El motor de arranque se alimenta a 12 V. La batería utilizada debe tener suficiente

capacidad en Amperes de Arranque en Frío para suministrar al motor de arranque la

corriente necesaria para dar marcha al motor. En la figura 2.38 se muestra la batería

empleada en el sistema, la cual es de plomo-ácido, de 12 V y 525 AMP para arranque en

frío.

FIGURA 2.38. BATERIA DE 12 V 525 CCA

Page 75: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

73

También se requiere de un cargador de tipo flotante, energizado por la fuente de energía

normal para mantener la batería completamente cargada cuando el generador no este

funcionando. Se puede usar la siguiente regla general para definir el tamaño de los

cargadores auxiliares de batería:

)2.2(arg

2.1arg

acderequeridashoras

bateriadehoraamperexbateriasdeacdeamperes

La planta de emergencia de 80 KW tiene un alternador (12 V 30 AMP) para cargar la

batería cuando la planta esta operando (figura 2.39a) y un cargador estático electrónico

(12 V 2 AMP) para cargar la batería cuando el equipo esta apagado (figura 2.39b).

a b

FIGURA 2.39. CARGADORES DE BATERIA

2.2.1.6 PANEL DE CONTROL H-100

La función principal del panel o tarjeta de control H-100 es enviar y recibir las señales

de mando para los distintos dispositivos que conforman la planta de emergencia. Se

encarga de realizar el arranque de la planta cuando esta en automático, enviando la

señal al contactor de arranque; envía señal al solenoide del regulador de gas para

permitir e impedir el paso de combustible; recibe señales de los sensores (protecciones

del motor y generador) gestionando el equipo; envía señales a la tarjeta de ignición para

lograr la sincronía e ignición de la mezcla en la cámara de combustión. También realiza

la comunicación al tablero de transferencia para realizar la transferencia de carga, esto

lo logra sensando el voltaje de CFE con la ayuda de unas tarjetas anexas que vienen

integradas en el tablero de transferencia que se explicaran mas adelante.

Las principales partes que conforman el panel de control son: la tarjeta de control

(controlador H-100), llave de encendido (manual y automático), paro de emergencia,

alarma audible, circuito de arranque de campo y breaker del circuito de excitación.

Todos estos dispositivos vienen conectados en el panel de control para el

funcionamiento en conjunto de la planta de emergencia. Dentro del panel se encuentra

el regulador de voltaje y la tarjeta controladora de gobernador

Page 76: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

74

En la figura 2.40 se muestra el controlador H-100, que cuenta con 2 displays de 4 líneas

para lecturas de:

Voltaje (220 o 440 V) Corriente (0-200 AMP)

Factor de potencia (1.0) KW (0-80 KW)

KVAR (1) Estado del interruptor de transferencia

Velocidad del motor (3600 RPM) Horas de operación (33)

Recordatorio de servicios de mantenimiento Hora y fecha

Historial de alarmas Velocidad en ejercitador semanal (1800 RPM)

Selección del tablero de transferencia Presión de aceite

Baja presión de combustible Paro por baja presión de aceite

Paro por alta temperatura de anticongelante Bajo nivel de anticongelante

Sobrevoltaje Sobrevelocidad

Funciones internas como:

Función para proteger generador contra corto

circuito

Comunicación con tablero de transferencia

HTS

Paro de emergencia Puerto RS232 para control de Genlink

Función de auto arranque programable Puerto RS485 para comunicación remota

Arranque remoto a 2 hilos Canbus direccionable

Ejercitador semanal Controlador de gobernador y regulador de

voltaje compatibles con la tarjeta de control

maestra

Velocidad de motor ajustable para ejercitador

FIGURA 2.40. CONTROLADOR H-100

En el anexo 4 se detallan las características y funciones de este controlador.

La tarjeta de control cuenta con su fusible de protección de 15 AMP localizado dentro

del panel y de 10 AMP para distintas funcionalidades (figura 2.41).

FIGURA 2.41. FUSIBLES DE PROTECCION PARA EL CONTROL

También todas las tarjetas electrónicas (de gobernador, de ignición, cargador de batería)

tienen sus fusibles de protección, pero estos vienen conectados en el arnés del cableado

en un portafusible.

J1

J2

Page 77: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

75

2.2.1.7 PROTECCIONES PARA EL MOTOR Y GENERADOR

El motor cuenta con ciertas protecciones que pueden bloquear o parar la planta para

Asegurar el buen funcionamiento del equipo. Estas protecciones se realizan con

sensores que envían señales a la tarjeta de control cuando ocurre algún evento de falla y

esta actúa con el paro, reestableciéndose dicha alarma no solo corrigiendo la falla si no

que también hay que desbloquear dicha alarma. El sistema de emergencia de 80 KW

viene equipado con las siguientes protecciones: sensor de presión (baja presión de

aceite), sensor de temperatura (alta temperatura de anticongelante), sensor de nivel (bajo

nivel de anticongelante), sensor magnético (bajas revoluciones por minuto y

sobrevelocidad) y con la tarjeta de control (sobremarcha). Ver figura 2.43. Además de

las alarmas de bloqueo y paro, el equipo cuenta con alarmas que no bloquean la planta,

las cuales se reestablecen automáticamente al corregirse la falla, que son batería baja y

baja presión de combustible, entre otras. Todas las alarmas pueden ser registradas y

gestionadas con la ayuda del Genlink (Anexo 3). Cabe mencionar que cada sensor

requiere de un acondicionador de señal para ser procesado por la tarjeta de control, al

igual que la tarjeta de ignición y la tarjeta del gobernador. En la figura 2.42 se muestra

el diagrama de dicho acondicionador.

FIGURA 2.42. ACONDICIONADOR DE SEÑAL

FIGURA 2.43. PROTECCIONES PARA PLANTA DE EMERGENECIA DE 80 KW

Page 78: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

76

2.2.1.8 CONEXIONES DE AC

La planta de emergencia cuenta con su gabinete de CA, en cual se encuentra la salida

de los embobinados del estator, es decir, el voltaje de salida trifásico generado por la

planta. La salida lleva un breaker de protección para la planta, esto es, un interruptor

termomagnético de la capacidad de la planta de emergencia que es de 300 AMP. Este

se calcula de acuerdo a la máxima corriente que nos entrega el equipo (el calculo se

encuentra en la memoria técnica).

También en este gabinete se encuentra la conexión del control de la planta, es decir, el

enlace entre tablero de transferencia y planta de emergencia, para que la planta

funcione automáticamente.

Para la lectura de voltaje de las fases, se utilizan unos transformadores de control,

llamados de interfase (figura 2.44), los cuales envían las señales analógicas de voltaje a

la tarjeta de control y esta interpreta los valores, desplegándolos digitalmente en el

display.

FIGURA 2.44. TRANSFORMADORES DE CONTROL PARA LECTURA DE VOLTAJE

2.2.1.9 TABLERO DE TRANSFERENCIA

El tablero de emergencia es un mecanismo magnético que tiene por objeto establecer o

interrumpir el paso de corriente. Es muy utilizado para automatizar equipos, en este

caso una planta de emergencia Este mecanismo consta principalmente de un contactor

de dos polos dos tiros (bifásicos) y tres polos dos tiros (trifásicos), además cuenta con

ciertos dispositivos para que el mecanismo sea autómata (relevadores, monitores de

fase, timers, relays, switches, tarjetas de monitoreo de fase). En la figura 2.45 se

muestra la principal aplicación del mecanismo de transferencia, el cual es alimentar

una carga (KW), ya sea del lado de Normal (CFE) o del lado de Emergencia (planta de

emergencia de CA).

FIGURA 2.45. SISTEMA DE TRANSFERENCIA

Page 79: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

77

El contactor de dos tiros consta de dos bobinas (conectadas en serie), el cual permite

solo el paso de la corriente de un lado, ya sea de lado de Normal (CFE) o Emergencia

(generador). Las principales partes que componen el contactor son:

CARCAZA.- Soporte fabricado en material no conductor, con un alto grado de rigidez y

rigidez al calor, sobre el cual se fijan todos los componentes conductores del contactor.

ELECTROIMAN.- Es el elemento motor del mecanismo. Está compuesto por una serie

de elementos cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo,

generando un campo magnético muy intenso, el cual a su vez producirá un movimiento

mecánico.

BOBINA.- Es un arrollamiento de alambre de cobre muy delgado y un gran numero de

espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético. El flujo magnético

produce un electromagnético, superior al par resistente de los muelles (resortes) que

separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse

estrechamente. Cuando una bobina se energía con CA, la intensidad absorbida por esta,

denominada corriente de llamada, es relativamente elevada, debido a que en el circuito

prácticamente solo se tiene la resistencia del conductor. Esta corriente elevada genera

un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede atraer a la armadura, a

pesar del gran entrehierro y la resistencia mecánica del resorte o muelle que los

mantiene separados en estado de reposo.

Una vez que se cierra el circuito magnético, al juntarse el núcleo con la armadura,

aumenta la impedancia de la bobina, de tal manera que la corriente de llamada se reduce

considerablemente, obteniendo de esta manera una corriente de mantenimiento o trabajo

mucho más baja.

NUCLEO.- Es una parte metálica, de material ferromagnético que va fijo en la carcaza.

Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada

en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura.

ARMADURA.- Elemento móvil, cuya construcción se parece a la del núcleo, pero sin

espiras de sombra, Su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la

bobina, ya que en este estado de reposo debe estar separado del núcleo, por acción de un

muelle. Este espacio de separación se denomina entre hierro. Las características del

muelle permiten que, tanto el cierre como la apertura del circuito magnético, se realicen

en forma muy rápida (solo unos 10 milisegundos). Cuando el par resistente del muelle

es mayor que el par electromagnético, el núcleo no lograra atraer la armadura o lo hará

con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es demasiado débil,

la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria.

Como mencione anteriormente, algunos tableros de transferencia cuentan con sus

relevadores para activar las bobinas del contactor, timers, monitores de fase. Centa con

un control de interfase que se comunica con el control de la planta de emergencia a

través de un protocolo de comunicación MODBUS (más adelante se explica a detalle)

El tablero de transferencia HTS fue diseñado para trabajar con el controlador H-100, usa

comunicación por dos hilos. Es un tablero de transición abierta. Tiene retroalimentación

con el controlador del generador, todos los ajustes de voltaje y tiempos del sistema son

programados en el software del controlador del generador (Genlink). Figura 2.46.

Page 80: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

78

FIGURA 2.46. TABLERO DE TRANSFERENCIA HTS

El funcionamiento de la tarjeta de display de interfase se detalla en el anexo 5.

En las siguientes figuras (2.47, 2.48, 2.49 y 2.50) se muestra la planta de emergencia de

80 KW, la cual he descrito anteriormente.

Interruptor para

mantenimiento

Tarjeta de display

de Interfase

Contactor

Barra de

neutros

Conexión del

control

Tarjeta de control de interfase

Tarjeta fuente

Relevadores de

transferencia y

retardo

Page 81: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

79

FIGURA 2.47. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW (PARTE FRONTAL)

FIGURA 2.48. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW (PARTE TRASERA)

Controlador H100

Conexión CA

Motor

Salida de

Aire caliente

Entrada de

Aire fresco

Entrada de

Aire fresco Salida de

Aire caliente Generador

Page 82: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

80

FIGURA 2.49. PANEL DE CONTROL

FIGURA 2.50. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW

Tarjeta de

gobernador

Circuito de campo

de arranque

Cargador

de batería

Tarjeta

de

control

Regulador de

voltaje

Tarjeta de

relevadores

Radiador Filtro de aire

Bobinas de

ignición y

bujías

Tarjeta de

ignición

Medidor de

aceite

Deposito de

reserva de

anticongelante

Motor de

arranque

Escape Escape

Filtro de

aceite

Page 83: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

81

2.3. OPERACIÓN DE LA PLANTA DE EMERGENCIA

La planta de emergencia puede funcionar tanto en automático como en manual. Tiene

un interruptor tipo llave (SW1) para accionar dicha función. Este interruptor es el que

da el arranque inmediatamente (manual) y manda señal de espera a la señal de control

para el arranque (automático).

Explicare el funcionamiento en automático, que es la función en la cual se encontrara

operando siempre el equipo.

Fallo de red comercial (CFE).- Cuando la planta de emergencia se encuentra en auto,

esta lista para el funcionamiento, carga suministrada por la alimentación de la red.

Cuando la red falla (ya sea que caiga por debajo del 65 % del valor nominal, se pierda

una sola fase o se tenga un alto voltaje), se inicia un tiempo de demora de interrupción

de la línea de 10 segundos (opcionalmente programable a través del Genlink (Anexo

3)). Si aún no hay suministro de la red una vez finalizado el tiempo del cronómetro, la

planta se arrancará y pondrá en marcha. Una vez en funcionamiento, se iniciará un

cronómetro de calentamiento del motor de 5 segundos programable (opcionalmente

programable a través del Genlink (Anexo 3)). Cuando caduca el cronómetro de

calentamiento, el control transferirá la carga a la planta de emergencia.

Si la alimentación de la red se restablece (por arriba del 75 % del valor nominal) en

cualquier momento a partir del inicio del arranque del motor hasta que el generador

está listo para aceptar una carga (no ha transcurrido el tiempo de calentamiento de 5

segundos), el controlador completará el ciclo de arranque y hará funcionar el

generador a través de su ciclo normal de enfriamiento; sin embargo, la carga

permanecerá en la alimentación de la red (no habrá transferencia de carga)

Restablecimiento de red comercial.- El generador está suministrando alimentación a la

carga del cliente. Cuando regresa el servicio de la red (por arriba del 75 % del valor

nominal), se iniciará un cronómetro de 15 segundos de retorno a la red. Al completarse

el periodo indicado por este cronómetro, si la alimentación de la red aún está presente y

resulta aceptable, el control transferirá la carga nuevamente a la red y hará funcionar el

motor a lo largo de un periodo de enfriamiento de un 1 minuto (opcionalmente

programable a través del Genlink (Anexo 3)) y luego se apagará.

Si la red falla durante tres 3 segundos durante este periodo de enfriamiento, el control

transferirá la carga nuevamente al generador y continuará en funcionamiento mientras

monitoriza el regreso del servicio de la red.

Page 84: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

82

La planta también cuenta con un programador semanal de ejercicio, el cual se programa

a través del controlador H-100 o a través del Genlink (anexo 3). La planta arrancara por

15 minutos una vez por semana el día y a la hora programada, esto es con el fin de que

el motor se mantenga lubricado, se mantenga cargada la batería y se eliminen problemas

de arranque previos. Cabe mencionar que dicho programador puede ser programado

para que funcione a menores revoluciones y para que no realice transferencia de carga.

En la figura 2.51 se muestra el diagrama de conexión de los dispositivos de arranque de

la planta de emergencia. La batería alimenta al motor de arranque, alternador, contactor

de arranque, cargador de batería y controlador. Cuando se arranca la planta, la tarjeta de

control envía una señal al contactor de control, el cual cierra sus contactos y alimenta al

motor de arranque a través de la batería, dicho motor de arranque impulsa al cigüeñal

del motor para que este inicie su movimiento.

Al mismo tiempo se envía una señal al solenoide de combustible, para permitir el paso

del gas hacia el carburador, y con la ayuda del gobernador, se controlara dicho paso de

combustible (figura 2.51 y 2.52).

En la figura 2.52 se muestra la conexión de los dispositivos del motor (sensores). La

tarjeta de ignición, recibe las señales del sensor de posición del árbol de levas y del

cigüeñal para así enviar las señales de voltaje a cada una de las bobinas de ignición en el

momento preciso, para que éstas a su vez eleven el voltaje que les llega a las bujías que

van en cada cilindro y así se produzca la chispa dentro de la cámara de combustión y se

produzca el movimiento del motor, que a su vez al estar acoplado al generador, se

generará la Corriente Alterna.

En otras palabras, al haber ya combustible y al actuar el árbol de levas del motor, se

realiza la mezcla de aire-combustible, y con la chispa de las bujías, se realiza la

combustión interna del motor, lográndose un movimiento mecánico del volante del

motor y éste, acoplado con la ayuda de unos discos flexibles, se conecta directamente al

rotor del generador (figura 2.55), el cual con su sistema de excitación y regulación de

voltaje (regulador de voltaje) mostrado en la figura 2.53, se genera energía eléctrica de

corriente alterna.

Con la ayuda de un controlador se puede monitorear el voltaje, corriente (figura 2.54),

frecuencia, etc. Dicho controlador es el cerebro del equipo, ya que se encarga de enviar,

recibir y gestionar todas las señales del motor, lográndose la generación de energía lo

más limpia posible.

La automatización del equipo se realiza con la ayuda de un tablero de transferencia

(mostrado en la figura 2.57), el cual consta de unos transformadores de sensado, que

vienen en una tarjeta llamada fuente, para detectar la pérdida de voltaje de normal

(CFE) y también sirvan como fuente de voltaje para alimentar la tarjeta de control de

interfase. Dicho sensado se envía a la tarjeta de control H-100 a través de una

comunicación de 2 hilos (puerto RS485); esto se logra con la ayuda de un circuito de

control (figura 2.56). La tarjeta de control H-100 interpreta que no hay voltaje en

normal y envía una señal al tablero de transferencia para que se lleve a cabo la

transferencia de carga, claro con sus respectivos tiempos de retardo para proteger el

equipo.

Page 85: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

83

En las siguientes figuras se muestran los diagramas electrónicos de la planta de

emergencia y tablero de emergencia.

FIGURA 2.51. DIAGRAMA DEL SISTEMA DE ARRANQUE DE LA PLANTA

Batería

12 V

Tierra

Contactor de arranque

Localizado atrás del panel

de control

Motor de

arranque

Cargador de batería

Localizado atrás del panel

de control

Alternador

Solenoide de

combustible 2

Solenoide de

combustible 1

Sensor de

baja presión

Page 86: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

84

FIGURA 2.52. DIAGRAMA DEL SISTEMA DEL MOTOR

Modulo de ignición

Mono Bloque del motor

Bobinas de ignición

Sensor para

posición del

cigueñal

Sensor para

posición del

árbol de levas

Sensor de

temperatura de

aceite

Tarjeta de

gobernador

Acondicionador

de señal

Sensor de

temperatura de

anticongelante Sensor de

nivel de

anticongelante

Sensor de presión de

aceite

Sensor

magnético para

RPM

Cilindro

Gobernador

Page 87: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

85

FIGURA 2.53. DIAGRAMA DE LA CONEXIÓN DEL REGULADOR DE VOLTAJE, SWITCH DE

ARRANQUE Y DE PARO

Circuito de

arranque de

campo

Regulador de

voltaje

Switch de

encendido

Paro de

emergencia

Tarjeta de

relevadores

Page 88: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

86

FIGURA 2.54. DIAGRAMA DE MEDICION DE VOLTAJE Y CORRIENTE DEL SISTEMA

FIGURA 2.55. DIAGRAMA DEL GENERADOR

Transformadores para la

medición de la corriente y

voltaje de la planta

Autoexcitación

Estator

Rotor Breaker

principal de

salida

Breaker

principal de

salida

Page 89: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

87

FIGURA 2.56. DIAGRAMA DEL CONTROL DEL TABLERO DE TRANSFERENCIA

Tarjeta

fuente

Tarjeta de

control de

interfase

Tarjeta de

display de

interfase

Relevadores de

transferencia y

retardo

Page 90: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

88

FIGURA 2.57. DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL TABLERO DE TRANSFERENCIA

Interruptor

para

mantenimiento

Transformadores de

sensado de la tarjeta

fuente

Contactor

Relevador

de retardo

Relevador de

transferencia

Relevador de

transferencia

Contactor

Transformador

de sensado

Transformador

de sensado

Page 91: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

89

“MEMORIA TECNICA DE LA PLANTA

DE EMERGENCIA”

Page 92: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

90

En la memoria técnica de la planta de emergencia, se encuentran todos los datos

técnicos de la instalación del equipo, como son todos los cálculos para determinar la

capacidad de la planta de emergencia, breaker de protección, cálculos para los

materiales de la instalación del equipo (ubicación, instalación eléctrica y de

alimentación de combustible) de acuerdo a las normas que la rigen.

3.1 DIMENSIONAMIENTO DEL EQUIPO

Las plantas de emergencia se calculan para operar una carga con un factor de potencia

de 0.8, cuando el usuario opera una carga con un factor de potencia diferente, se deberá

realizar la corrección en los cálculos de la corriente según la fórmula 3.1:

)1.3(3 FPIVP

La medición realizada con ayuda de un amperímetro de gancho fue de 150 AMP, ya con

la corriente de arranque de los motores existentes. El cliente nos pide considerar un 20%

de crecimiento.

AMPI 180%20150

Así que se calculan los KW de acuerdo a dicha corriente de acuerdo a la formula

anterior (3.1) de potencia eléctrica:

KWP 8.54)8.0()180)(220(3

El cálculo se comprueba por medio de los consumos de los equipos que se respaldaran,

dichos consumos se obtienen de la placa de cada equipo:

CANTIDAD EQUIPO CONSUMO

UNITARIO (W)

CONSUMO

TOTAL (W)

20 Ventiladores 200 400

5 Televisión 250 1250

2 Equipo de audio 100 200

8 Computadoras 350 2800

3 Impresoras 500 1500

1 Calentador eléctrico para alberca 1300 1300

1 Refrigerador 700 700

1 Horno de microondas 1000 1000

1 Sistema de seguridad (CCTV) 3000 3000

3 Acondicionador de aire 3200 9600

2 Bombas de presión para agua de 1 HP 2000 4000

2 Bombas de presión de 3 HP 3000 6000

1 UPS de 6 KVA 10000 10000

60 Iluminación total 300 18000

TOTAL 59750

Page 93: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

91

Considerando una planta de 80 KW, nos entrega una corriente total de 262 AMP.

Despejando I de la formula anterior:

)2.3(3 FPV

PI

AMPV

WI 262

8.02203

000,80

Que comparado con el dato en las hojas de especificaciones del equipo (anexo 2) es

similar, siendo de 278 AMP.

Los cálculos son correctos si la planta se encontrara al nivel del mar; pero para operar

en la ciudad de México y de acuerdo a las hojas de especificaciones del equipo:

Que es 1% por cada 100 m arriba de 183 m, estando la ciudad de México a una altura de

2200 metros sobre el nivel del mar. Tenemos una perdida del 20%, por lo tanto:

AMPII RNIVELDELMATOTAL 209%)20(

Cabe mencionar, que no se toma en cuenta la perdida de caída de tensión, ya que la

trayectoria del cableado es muy corta y la perdida por temperatura ya que por lo regular

en México no varia.

Por lo tanto, la planta de 80 KW, será capaz de respaldar la carga sin ningún problema

de sobrecarga, ya que nos entrega 209 AMP netos y se respaldara 180 AMP.

Para el cálculo de la protección del equipo, tenemos que el equipo nos entrega 209

AMPERES, este multiplicado por el factor de sobrecarga para un interruptor

termomagnético que es de 1.25, tenemos una protección de:

AMPxI

fxII

proteccion

scimaproteccion

25.26125.1209

)3.3(max

Así la protección será de 300 AMP, al igual que como lo indica las hojas de

especificaciones.

Para el análisis de la instalación de la planta, se realiza un dibujo isométrico de dicha

instalación, en donde se incluye la ubicación de la planta, tablero de transferencia,

tablero general y tanque de gas, así como la trayectoria eléctrica y de gas, con medidas

reales.

En la figura 3.1 se muestra el levantamiento de dicho proyecto. Se analiza el sistema y

se decide colocar un tablero externo para que sea el tablero general para la planta de

emergencia y tablero de transferencia; quedando el tablero existente como tablero de

distribución únicamente.

Page 94: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

92

FIGURA 3.1. ISOMETRICO DE INSTALACION DE PLANTA

Planta De

Emergencia

Tablero de Distribución

Tablero general

Tablero de

Transferencia

Tanque de gas

Regulador de alta

presión con su

manómetro

Regulador de baja

presión

Manómetro de

baja presión

3 m

2 m

10 m

15 m

10 m

2 m

1 m

3 m

5 m 2 m

1 m

1 m

3 m

1 m 6 m

1 m

Línea de

llenado

Page 95: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

93

3.2 UBICACIÓN DEL EQUIPO

La planta quedara instalada dentro del estacionamiento del colegio, el cual cuenta con

suficiente ventilación para la entrada de aire fresco y salida de aire caliente, sin la

necesidad de colocar un sistema de escape. El tablero de transferencia quedara a una

distancia de 10 metros de la planta de emergencia. El tablero general quedara a una

distancia de 1 metro (mas cuatro metros que se le agregaran para instalar el nuevo

tablero general para la planta del tablero existente). El tablero de distribución quedara a

una distancia de 8 metros del tablero de transferencia. Su sistema ya cuenta con tierra

física. El tanque de gas estacionario de LP quedara en la azotea del colegio (debido a

que debe de estar en exterior forzosamente por norma) a una distancia de 33 metros de

la planta de emergencia, además 12 metros para la línea de llenado.

Se le hará una base de concreto a la planta de emergencia y se le colocara tela ciclón

para delimitar área.

3.3 SISTEMA DE COMBUSTIBLE

Se utilizo principio de regulación a dos etapas. Inmediatamente después del tanque

estacionario, se instala un regulador de alta presión (regulador de primer etapa) para que

este reciba el gas directamente del tanque estacionario con las variaciones de presión

conocidas y le permita fluir hacia y por la tubería de servicio en alta presión regulada a

valores promedio de 0.70 a 1.50 Kg/cm2, según la época del año y temperatura

ambiente. Al final de la tubería de servicio de alta presión regulada, y a una distancia no

menor de 3 metros antes de la planta de emergencia se instala precedido de una válvula

de globo para gas en estado de vapor, un regulador de baja presión (regulador de

segunda etapa) para reducir la presión a un valor constante de 11 a 14 pulgadas de agua,

que es la presión de trabajo de la planta de emergencia a gas LP.

Con la regulación a dos etapas se evitan las variaciones notables en la presión recibida

por los reguladores de segunda etapa, obteniéndose una presión uniforme en las tuberías

de servicio, consecuentemente un óptimo funcionamiento del equipo. También se

reducen considerablemente los diámetros de las tuberías de servicio y con ello los

costos de materiales y de mano de obra. Los reguladores de alta y de baja necesitan

llevar forzosamente su manómetro de presión, para verificar la presión que se esta

manejando para la planta; además de colocar siempre a la llegada de la planta una

manguera flexible, para evitar vibraciones hacia la tubería y posibles fugas.

Para garantizar el volumen de presión que requiere la planta de emergencia, y no tenga

problemas de arranque y funcionamiento, a parte de los reguladores de gas, caemos a

dimensionar adecuadamente el diámetro de la tubería de gas y la capacidad del tanque

estacionario. La tabla 3.1 será la referencia principal para el cálculo del diámetro de la

tubería, en la que se toma en cuenta la distancia que se encuentra la planta de

emergencia al tanque de gas estacionario (en pies) y el consumo del equipo en ft3/hr .

Durante la planificación inicial de la instalación, también se deben ser considerados los

aparatos que puedan ser alimentados en el futuro y los que se alimentaran también al

mismo tiempo, esto con el fin de no tener problemas de arranque y de operación de la

planta de emergencia.

Page 96: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

94

Como se menciono anteriormente, con la regulación a dos etapas, se reducen costos. Ya

que se coloca por lo regular tubería de ½” o ¾” toda la trayectoria de alta presión (de la

salida del tanque y regulador de alta a la entrada del regulador de baja), y ya en la línea

de baja presión (salida de regulador de baja a la planta) se coloca el diámetro de tubería

que se obtiene de la tabla siguiente. TABLA 3.1

DIÁMETRO DE TUBERIA

DISTANCIA ½” ¾” 1” 1 ¼” 1 ½” 2”

15’ 76 172 345 750 1220 2480

30’ 52 120 241 535 850 1780

45’ 43 99 199 435 700 1475

60’ 38 86 173 380 610 1290

75’ 77 155 345 545 1120

90’ 70 141 310 490 1000

105’ 65 131 285 450 920

120’ 120 270 420 800

150’ 109 242 380 780

180’ 100 225 350 720

210’ 92 205 320 600

240’ 190 300 620

270’ 178 285 580

300’ 170 270 545

450’ 140 226 450

600’ 119 192 300

Para el cálculo del tanque estacionario, se tomara como referencia la siguiente figura

3.2, con base de la más baja temperatura esperada y a un 50 % lleno.

FIGURA 3.2. GRAFICA PARA DETERMINAR CAPACIDAD DE TANQUE DE GAS

ESTACIONARIO Al 50% LLENO

Tamaño del

tanque

(Litros)

Consumo

(ft3/h)

Page 97: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

95

El tanque debe ser dimensionado de acuerdo a su temperatura de vaporización del

combustible y no por el tiempo de combustible consumido. Para el buen funcionamiento

de la planta, se requiere que el tanque de gas cuente con un mínimo del 80% lleno, y no

llenarlo al 100% para que tenga un margen para la presion, aunque como mencione, el

cálculo para la capacidad del tanque se realiza considerando un tanque al 50%, para

considerar las diferentes temperaturas que se puedan tener dependiendo del tiempo,

como lo indica la grafica de la figura 3.2.

La instalación de gas se calculo de acuerdo a la capacidad de la planta (consumo de gas)

la cual es de 800 ft3/hr, según las hojas de especificaciones (apéndice 2) y su trayectoria

que es de de 110’, con la ayuda de la grafica de la figura 3.2. Así, la instalación de gas

de nuestro equipo se realizó a dos etapas, con su regulador y manómetro de alta presión

a la salida del tanque, su regulador y manómetro de baja presión a 5 metros de la planta

de emergencia, con un tanque de 1000 litros de capacidad, tubería de ¾” para la línea de

alta presión, tubería de 2” para la línea de baja presión, con sus respectivas válvulas de

esfera a la salida del tanque y a la llegada a la planta y su manguera flexible; además un

juego de línea de llenado con tubería de ¾”. En el anexo 1 se encuentran las

especificaciones de los reguladores de presión y los manómetros utilizados.

3.4 INSTALACION ELECTRICA

Se realiza el enlace eléctrico entre planta de emergencia y tablero de transferencia

(cables de control y cables de fuerza (del tipo THW)), en tubo galvanizado. Se realiza la

conexión entre tablero de transferencia y tableros existentes o instalados (general y de

distribución). Ver figura 3.3.

FIGURA 3.3. INSTALACION ELECTRICA DE PLANTA DE EMERGENCIA

El tablero de transferencia es el enlace entre planta de emergencia y tablero de

distribución (cargas protegidas). Maneja una comunicación vía MODEM, que utiliza un

cable blindado con 3 hilos (RS485 +, RS485 – y RS485 malla (tierra)) para comunicarse

con la planta de emergencia. También puede ser configurado para arranque remoto a 2

hilos (178 y 183).

Tablero de

transferencia

Tablero

principal

Tablero de

distribución

Carga

Cables de control

Cables de

fuerza

PLANTA DE

EMERGENCIA

Acometida

(CFE)

Medidor

Base

Page 98: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

96

Obedece tanto al arranque remoto como al de sensado por vía MODEM al mismo

tiempo. Es necesario que dentro del conducto de control, se deba incluir un hilo para

conectar el cargador de batería de la planta.

El cableado de control nunca deberá ser instalado junto con el cableado de fuerza, para

evitar inducción o interferencia electromagnética, que pudiera afectar la correcta

operación de las unidades de control y gobernadores electrónicos, así mismo para evitar

que el calentamiento generado en las mismas líneas de fuerza afecte el cableado de

control. Un factor importante a considerar, es la distancia que existe entre el tablero de

transferencia y la planta, para calcular el diámetro adecuado del conductor de fuerza y

control, evitando de esta manera que existan problemas por calentamiento y caídas de

voltaje por diámetros inadecuados o cálculos mal realizados. El cable de control

recomendado, se muestra en la tabla 3.2, el cual depende de la distancia entre

transferencia y planta.

TABLA 3.2

DISTANCIA (M) CALIBRE (AWG)

15 14 o 18 x 2 (blindado)

30 12 o 16 x 2 (blindado)

50 10 o 14 x 2 (blindado)

La instalación del cableado de fuerza se deberá calcular para que los conductores

seleccionados soporten la máxima corriente que entrega la planta de emergencia,

considerando una sobredimension por expansión futura, así mismo deberá soportar el

voltaje de operación del sistema. Con la ayuda de la tabla 3.3 podemos realizar el

cálculo. TABLA 3.3

CALIBRE (AWG) CORRIENTE ADMISIBLE (AMP)

14 20

12 25

10 35

8 50

6 65

4 85

2 115

1/0 150

2/0 175

3/0 200

4/0 230

250 255

300 285

Page 99: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

97

Se debe incrementar el calibre de cables al próximo superior en caso de que la distancia

sea mayor de 50 metros. Al igual que los conductores, los ductos también se

dimensionan de acuerdo al número de cables que llevara la instalación y al calibre de

dichos conductores, en nuestro caso será a través de tubos conduits galvanizados (tabla

3.4).

TABLA 3.4

DIAMETRO NOMINAL DEL TUBO mm (pulg)

CALIBRE

(AWG)

13

(1/2”)

19

(3/4”)

25

(1”)

32

(1¼“)

38

(1½“)

51

(2”)

63

(2½“)

76

(3")

14 8 14 22 39 54

12 6 11 17 30 41 68

10 4 8 13 23 32 52

8 2 4 7 13 17 28 40

6 1 2 4 7 10 16 23 36

4 1 1 3 5 7 12 17 27

2 1 1 2 4 5 9 13 20

1/0 1 1 2 3 5 8 12

2/0 1 1 1 3 5 7 10

3/0 1 1 1 2 4 6 9

4/0 1 1 1 3 5 7

250 1 1 1 2 4 6

300 1 1 2 3 5

Así, para la instalación eléctrica de nuestro equipo, se utilizó tubo conduit galvanizado

de 3” (fuerza) para facilitar el cableado y ½” (control), tubo flexible de 3” y ½” para las

conexiones a la planta y tableros, cable calibre 4/0 (fuerza), calibre 2/0 desnudo (tierra

física), calibre 14 (cargador de batería) y blindado 18 x 2 (comunicación).

Page 100: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

98

“INSTALACION Y PUESTA EN MARCHA

DE PLANTA DE EMERGENCIA”

Page 101: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

99

4.1 INSTALACION DE LA PLANTA DE EMERGENCIA

Ya con la memoria técnica del equipo, se procede a realizar la instalación propia de la

planta de emergencia. Lo primero es realizar su base de concreto, de acuerdo a las

medidas y peso de la planta. En la figura 4.1 se muestra dicha base.

FIGURA 4.1. BASE DE CONCRETO PARA PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW

Posteriormente se pasa a realizar la instalación eléctrica. Para esto se fijan antes, planta

de emergencia (figura 4.2), tablero de transferencia y tablero general (4.3).

FIGURA 4.2. PLANTA DE EMERGENCIA QT08024

FIGURA 4.3. TABLERO DE TRANSFERENCIA HTS Y TABLERO GENERAL

Page 102: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

100

Se realiza la instalación de la tubería de la planta de emergencia al tablero de

transferencia (figura 4.4), del tablero de transferencia al tablero general (figura 4.5) y de

estos a su tablero de distribución (figura 4.6).

FIGURA 4.4. INSTALACION ELECTRICA DE PLANTA A TRANSFERENCIA

FIGURA 4.5. INSTALACION ELECTRICA DE TRANSFERENCIA A TABLERO GENERAL

FIGURA 4.6. INSTALACION ELECTRICA DE TRANSFERENCIA Y TABLERO GENERAL AL

TABLERO DE DISTRIBUCION

Ducto De

fuerza

Ducto De

control

Ducto De fuerza

CFE

Tablero de

transferencia

Tablero

general

Ducto de

fuerza de

salida

(Carga)

Ducto de

fuerza de

entrada

(CFE)

Page 103: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

101

Posteriormente se realiza el cableado como se muestra en el diagrama de la figura 4.7.

FIGURA 4.7. CABLEADO DE FUERZA Y CONTROL ENTRE PLANTA DE EMERGENCIA Y

TABLERO DE TRANSFERENCIA.

En la figura 4.8 se muestra la conexión del cableado del tablero general (instalado por

nosotros) y de la planta de emergencia al tablero de transferencia.

Panel de control

H-100

Tablero de

transferencia

HTS

Utilidad

(CFE)

Salida

(Carga)

Generador

Cable de Fuerza

Cable para

alimentar cargador

de batería

Cable de control

(Comunicación)

Entrada

Cargador

Batería

Cable de control

(Comunicación)

Cable de Fuerza

Neutro

Neutro

Planta de

emergencia

Clema para

cables de

control

Page 104: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

102

FIGURA 4.8. CONEXIÓN DEL CABLEADO ELECTRICO AL TABLERO DE TRANSFERENCIA

Las tres protecciones (tablero general, tablero de transferencia y planta de emergencia)

son de la misma capacidad, es decir de 300 AMP.

Tablero de

transferencia

HTS

Tablero

General

Interruptor de salida

planta de emergencia

Salida al tablero de

distribución

Conexión del

Cable de

control

Conexión del

Cable de

control

Page 105: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

103

Para realizar la conexión al tablero general y tablero de distribución, fue necesario abrir

el circuito, ya que como se menciono al principio de la instalación, el tablero general y

de distribución era el mismo y estaban conectados a través de unas barras de cobre. Así

que se instalo el otro tablero general y se retiraron las barras que conectaban el

interruptor principal con las barras de distribución como se muestra en la figura 4.9.

FIGURA 4.9. CONEXIÓN DEL CABLEADO ELECTRICO AL TABLERO DE DISTRIBUCION

Barras de

cobre

retiradas

Carga

CFE

(Proveniente del

transformador)

Barra de

neutros

Barra de

tierra física

Page 106: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

104

Terminado lo eléctrico, lo siguiente es la instalación del combustible, suministro de gas

LP. En la figura 4.10 se observa el gas estacionario, línea de alta presión y línea de

llenado, con su regulador de alta.

FIGURA 4.10. INSTALACION DE GAS (ALTA PRESION)

En la figura 4.11 se muestra la línea de baja presión (llegada a la planta).

FIGURA 4.11. INSTALACION DE GAS (BAJA PRESION)

Tanque estacionario

1000 Litros

Regulador con

manómetro de alta

presión

de 1-3 Kg/m2

Línea de alta

presión

Línea de

llenado

Línea de alta

presión

Regulador de

baja presión

Línea de baja

presión

Manómetro de

baja presión

Manguera

flexible

Válvula de esfera

para mantenimiento

De 11 – 14 pulgadas de agua

Page 107: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

105

4.2 PUESTA EN MARCHA DE PLANTA DE EMERGENCIA

Ya que el equipo esta correctamente instalado, se lleva a cabo su puesta en marcha, en

el cual se arranca el equipo siguiendo un protocolo, lo cual consta de revisar sus

parámetros más importantes (presión de entrada de combustible, nivel de aceite, nivel

de anticongelante, voltaje de batería, cargador de batería). Se configuran algunos

parámetros como son: voltaje, frecuencia, ganancia, estabilidad (se ajustan solo en caso

de ser necesario), estos ajustes se realizan a través de la PC con la ayuda del software

Genlink (Anexo 3). La conexión se realiza por el puerto RS232, con un cable serial. Ver

figura 4.12.

FIGURA 4.12. CONEXIÓN A PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW

Todo el arranque se lleva cabo con la conexión a la PC. En el anexo 3 se muestra la

instalación, conexión y menú principal de configuración del software Genlink, en el

cual se pueden visualizar y modificar algunos parámetros del sistema y en el anexo 4

tenemos las características del controlador H-100 y sus principales menús para la

verificación de los principales parámetros de operación.

Antes de conectarnos al controlador con el Genlink, se procede a verificar las

conexiones del tablero de transferencia. Es necesario conectar un cable para que exista

la comunicación entre el tablero de transferencia y el controlador H-100 (figura 4.13),

que no es más que la alimentación hacia la tarjeta de interfase del tablero de

transferencia.

FIGURA 4.13. CONEXIÓN DE LA TARJETA DE INTERFASE DEL TABLERO DE

TRANSFERENCIA

Voltaje de respaldo

para alimentación de

tarjeta de interfase de

tablero de emergencia

Cable

desconectado

Cable

conectado

Conexión al

controlador

Puerto RS232

Cable de

comunicación serial

Controlador H-100

Page 108: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

106

Ya verificado todo lo anterior, nos conectamos al equipo a través del Genlink, y se

procede a enlazar la comunicación entre el controlador H-100 y el tablero de

transferencia. Se puede hacer directamente con el controlador H-100 (Anexo 4) o con el

Genlink (figura 4.14).

FIGURA 4.14. HABILITAR COMUNICACIÓN ENTRE CONTROLADOR H-100Y TABLERO DE

TRANSFERENCIA A TRAVES DEL GENLINK

Ya estando comunicados, se arranca el equipo en manual y se verifican valores en la PC

(figura 4.15). También se realizan mediciones con la ayuda de un multimetro para

verificar que las lecturas sean correctas.

FIGURA 4.15. SOFTWARE DE MONITOREO DE PLANTA DE EMERGENCIA

Page 109: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

107

Los valores mas importantes a verificar son el voltaje, la frecuencia, temperatura del

anticongelante, presión de aceite, voltaje de batería, velocidad del motor y la frecuencia.

También se pueden verificar estos parámetros con el controlador H-100 (Se detalla en el

anexo 4). Ver figura 4.16.

Menú principal medición de temperatura y presión

Medición de voltaje sin carga

FIGURA 4.16. MEDICION DE PARAMETROS CON EL CONTROLADOR H-100

Finalmente se procede a realizar las pruebas en automático, simulando perdida del

suministro normal de energía para realizar transferencia. Se vuelven a verificar

mediciones a través del controlador (figura 4.17).

FIGURA 4.17. MEDICION DE LA CARGA CON EL CONTROLADOR H-100

Se verifica la secuencia de las fases del generador, que coincidan con el sentido de las

fases del servicio normal, debido a que existen motores trifásicos. Esto se verifica con

el controlador H-100 y el Genlink, ya que cuenta con una alarma preventiva de falla de

secuencia de fases. En caso de que no coincida la secuencia, solo se intercambian unas

de las salidas de las fases del generador.

Ya verificando que todo esté en orden, se deja el equipo operando en automático. Se

deja funcionando en óptimas condiciones con lo que el cliente queda completamente

satisfecho. Quedando la planta de emergencia como se muestra en la figura 4.18.

FIGURA 4.18. PLANTA DE EMERGENCIA DE 80 KW A GAS LP TRIFASICA, IMPLEMENTADA

EN EL COLEGIO SIMON BOLIVAR

Page 110: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

108

“COSTO-BENEFICIO”

Page 111: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

109

En este capitulo, se explica brevemente los beneficios que nos proporciona nuestro

equipo de emergencia. El por que es una solución muy viable para cualquier cliente que

la requiera.

Como ya se menciono anteriormente, la función principal de una planta de emergencia

de CA es suministrar energía eléctrica a una carga en la cual la interrupción por parte de

la línea comercial puede ser critica o provocar pérdidas cuantiosas en una empresa por

detener el proceso, perdida de información en los equipos de computo respaldados por

sistemas NO-BREAKS o UPS’s, en los cuales el respaldo se limita a unos cuantos

minutos, o a la perdida de las comunicaciones como es en el caso de las estaciones

retransmisoras, estaciones de radio, televisión, telefonía celular.

Así, que la planta de emergencia en si, por su función principal, siempre será eficiente y

nos ahorrara perdidas en costos de operación. Además de que la planta implementada se

alimenta con gas LP (bajo consumo y menor contaminación), es trifásica, cuenta con

encendido totalmente electrónico y gobernador electrónico, caseta semi-acústica

(menor ruido), muy fácil de instalar y fácil de mantenimiento. A continuación explicare

cada uno de los beneficios que acabo de mencionar, los cuales se reflejan directamente

en los costos del equipo.

Al ser nuestro equipo trifásico, diré algunas de las razones por las que la energía

trifásica es superior a la monofásica: La potencia en KVA (Kilo Volts-Ampere) del

motor trifásico es aproximadamente 150 % mayor que la de un motor monofásico. En

un sistema trifásico balanceado los conductores necesitan ser el 75 % del tamaño que

necesitarían para un sistema monofásico con la misma potencia en VA, por lo que esto

ayuda a disminuir los costos y por lo tanto a justificar el tercer cable requerido. La

potencia proporcionada por un sistema monofásico cae tres veces por ciclo. La potencia

proporcionada por el sistema trifásico nunca cae a cero por lo que la potencia enviada a

la carga es siempre la misma, no existe tanta perdida de energía.

El principal beneficio de nuestro equipo es el combustible utilizado: gas LP. El gas LP

es actualmente el combustible alterno más práctico y uno de los menos contaminantes,

además de poseer en México un precio preferencial inferior al de la gasolina y el diesel.

Adicionalmente, su uso en motores, contribuye a disminuir las emisiones de partículas y

es actualmente la alternativa de solución más radical al problema de las emisiones

contaminantes.

Como ya sabemos, el gas LP esta compuesto de butano y propano de uso comercial. Es

incoloro e inodoro (se le agregan odorantes para detectarlo en caso de fugas); tiene la

propiedad de volverse líquido a temperaturas atmosféricas cuando es sujeto a una

compresión moderada, y regresa a su estado gaseoso cuando esta presión se reduce.

Gracias a esta propiedad, el gas LP se puede almacenar y transportar en estado líquido,

en cilindros o tanques. Así, puede ser manejado con la conveniencia de un líquido y

utilizado con el beneficio particular de los combustibles gaseosos. Se puede transportar

a cualquier lugar, ya sea en la ciudad o el campo, pues es posible almacenarlo en

recipientes; y tiene una combustión completa y limpia, por lo que en grandes ciudades

con problemas de contaminación vehicular, se utiliza como combustible de

automotores.

Page 112: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

110

A pesar de que el gas LP es más denso que el aire, el buen estado de la instalación

permite que el gas se disperse en caso de que exista alguna fuga.

El sistema debe interactuar con el control del microprocesador del motor (tarjeta de

control de la planta) y los sistemas de control de emisiones, esto con el fin de modular la

alimentación del gas LP dentro del motor para optimizar los niveles de potencia y

emisiones.

Otra gran ventaja que tiene el uso del gas LP como combustible, es que los motores no

requieren grandes modificaciones; el sistema de suministro está constituido por un

tanque de almacenamiento en los cuales se almacena el gas LP; de aquí, el gas es

conducido a través de una línea de alta presión a un regulador que provoca una caída en

la presión para, posteriormente pasar por una válvula solenoide la cual impide el paso

del gas al dejar de funcionar el motor, por medio de un carburador el gas es admitido en

la corriente de aire del puerto de admisión o del cuerpo de aceleración, mezclándose con

éste.

El sistema implementado, cuenta con un gobernador electrónico, lo cual incrementa la

eficiencia del equipo, se tiene un mejor control en el consumo de combustible, se

disminuyen los tiempos muertos de recarga de combustible, no existe evaporación del

combustible y se evita la extracción indebida de combustible.

Al contar con un sistema totalmente electrónico, reemplazando los dispositivos

mecánicos del sistema por la aplicación de componentes electrónicos, se obtiene mayor

precisión y mayor eficiencia. El mantenimiento de este sistema de encendido es

prácticamente nulo.

En cuanto a la operación y mantenimiento de las plantas de emergencia que consumen

gas LP, se puede afirmar que existe un gran ahorro por estos conceptos. El gas LP tiene

un octanaje de 130, característica que permite incrementar la potencia de los motores,

propiciando que trabajen con mayor eficiencia, evitando dejar residuos de la

combustión, y por lo tanto desgastando menos los motores, los costos de mantenimiento

se ven reducidos al poder espaciar los cambios de aceite, bujías y filtros.

Por todo lo mencionado anteriormente, decidimos llevar a cabo dicho proyecto además

de que al cliente le pareció muy atractivo y muy eficiente, se redujeron los costos de

operación e instalación considerablemente.

Page 113: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

111

“CONCLUSIONES”

Page 114: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

112

Las maquinas eléctricas rotatorias toman muchas formas y las conocemos por muchos

nombres: de cd, sincrónicas, de imán permanente, de inducción, de reluctancia variable,

de histéresis, etc. Aunque esas maquinas parezcan muy diferentes y necesiten de varias

técnicas analíticas, los principios físicos que gobiernan su comportamiento son bastante

semejantes, y de echo esas maquinas se pueden explicar con frecuencia con el mismo

cuadro físico.

Las plantas de emergencia se consideran maquinas rotatorias sincronías, este nombre se

deriva de que la frecuencia en ciclos por segundo con que opera la planta de emergencia

es la misma que la velocidad del rotor en revoluciones por segundo, es decir, la

frecuencia eléctrica esta sincronizada con la velocidad mecánica. En este tipo de equipo,

el devanado de armadura es el miembro estacionario o estator, mientras que el devanado

de campo es el miembro rotatorio o rotor, en este último se contienen las bobinas de

excitación o fuente de flujo magnético. Esta característica diferencia este tipo de

maquina de los demás tipos de maquinas rotatorias.

Cuando un generador sincrónico suministra energía eléctrica a una carga, la corriente de

la armadura crea una onda de flujo magnético en el entrehierro, que gira a velocidad

sincrónica. Este flujo reacciona con el flujo creado por la corriente del campo y se

provoca un par electromagnético de la tendencia a linearse que tienen estos dos campos

magnéticos. En un generador este par se opone al giro, y la maquina de impulsión debe

suministrar el par mecánico para sostener la rotación. Este par electromagnético es el

mecanismo mediante el cual el generador sincrónico convierte la energía mecánica en

energía eléctrica

En un motor, el par electromecánico esta en la dirección de giro y compensa al par de

reacción necesario para impulsar la carga mecánica. El flujo que producen las corrientes

en la armadura de un motor sincrónico gira adelante del que produce el campo, y así jala

sobre el campo y efectúa trabajo. Caso contrario al generador sincrónico, en el cual el

campo efectúa trabajo al jalar el campo de la armadura, que esta retrasado. Tanto en los

generadores como en los motores se produce el par electromagnético y un voltaje

rotacional. Estos son los fenómenos esenciales de la conversión de la energía

electromagnética, que fue nuestro principal objetivo. Esto se logro con un motor de

combustión interna y un generador sincrónico.

Cabe mencionar que el regulador de voltaje es el encargado de llevar a cabo el

funcionamiento de la maquina generadora sincrónica, y con el análisis matemático de

dicho dispositivo, se comprendió mucho mejor la operación del equipo y se llego

también a la conclusión de que al ser digital, se logra una mayor eficiencia y mayor

precisión del equipo.

Sabemos que aunque son esenciales las técnicas analíticas y los modelos matemáticos

para el análisis de maquinas eléctricas, la intuición física es una herramienta valiosa en

la ingeniería para el análisis y aplicación de estos dispositivos.

Page 115: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

113

La introducción al generador síncrono y al motor de combustión interna fue

fundamental en esta tesis, ya que gracias a eso, logramos entender mejor el

funcionamiento de la planta de emergencia. Otra parte primordial para entender el

funcionamiento del equipo fue el sistema de control (controlador H100), que es el

cerebro del equipo, el cual interactúa con los dispositivos principales, como son el

regulador de voltaje, gobernador electrónico, sensores para las protecciones, etc.

El proyecto se tomo desde el levantamiento, hasta la puesta en marcha del equipo; se

tomaron muchas decisiones, se hicieron requisiciones, cotizaciones, supervisión de

técnicos para la instalación y operación de la propia planta de emergencia. Con esto, se

cumplió con el objetivo principal y con los objetivos específicos en su totalidad.

En un futuro muy próximo, las plantas de emergencia a gas LP serán unas de las

aplicaciones más utilizadas en los próximos años y se introducirán aun más en el

mercado debido a la gran eficiencia que proporcionan. Además se requerirán más de

estos equipos debido a los continuos cortes de energía que se siguen presentado, que

han sido principalmente por el mal clima que vivimos, malas instalaciones subterráneas,

y por el problema que surgió con la compañía de LUZ y FUERZA.

Gracias a su fácil instalación y funcionamiento del equipo, los clientes han recurrido a

esta solución. El gas LP como combustible es mucho más barato que el diesel o la

gasolina, como ya se dijo, además de que estos últimos siguen subiendo de precio muy

rápidamente, en cambio el gas LP se mantiene más estable. También el bajo ruido es un

factor muy importante al igual que la disminución de la emisión de gases.

El trabajo realizado fue todo un éxito, ya que todo funciono correctamente a lo

estipulado y el cliente quedo completamente satisfecho, tanto que nos solicito una

póliza de mantenimiento anual para que nosotros la mantengamos vigilada al 100%.

Además nos han solicitado más de estas plantas a gas LP, claro de diferentes

capacidades, para diferentes instalaciones de sus colegios, ya que cuentan con muchos

de estos colegios en México, siendo todos muy reconocidos.

Por todo lo anterior, la instalación y puesta en marcha de la planta automática de

emergencia a gas LP dejo ganancias tanto a nuestra empresa como al cliente, con lo que

se puede deducir que fue todo un buen negocio en el que se implico la nueva tecnología

del diseño de nuestros equipos.

Page 116: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

114

Page 117: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

115

[1] Manual de usuario de planta de 80 KW

Generac

[2] Máquinas eléctricas

Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans

Mc Graw Hill

[3] Manual de aplicación

Generadores enfriados por líquido

Cummins power generation

[4] Manual técnico

Plantas generadores de energía eléctrica con sistema de control DALE 3100

Ottomotores

[5] Electromagnetismo y materia. Física Vol. II

Feynman, R. y Leighton

Addison-Wesley Iberoamericana

[6] Electricidad y Magnetismo. Física Universitaria vol. II

Sears, Francis W., Zemansky, Mark W., Young, Hugh D.

Editorial Pearson Educación.

[7] Electricidad Automotriz

F. Niess, R Kaerger B. Willenbuecher

Colecciones Tecnológicas Lima

[8] Sistema Eléctrico - Electromagnetismo

F. Nash.

[9] Comunicación eléctrica

Shrader.

Mac-Graw-Hill.

[10] Instalaciones eléctricas, Introducción a las instalaciones eléctricas

Bratu.

Alfa omega grupo editor, 2da. Edición, México D. F.

[11] Guía práctica para el cálculo de instalaciones eléctricas

Harper

Editorial Limusa.

[12] Manual de servicio para instalación de gas LP

ECII (Engineered controls International, Inc)

[13] www.automecanico.com

[14] www.monografias.com

[15] www.es.wikipedia.org

Page 118: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

116

Page 119: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

117

ANEXO 1

HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE REGULADORES DE GAS Y MANOMETROS

REGULADOR MODELO 10-1757 DE PRIMERA ETAPA (ALTA PRESION)

Adecuado para servicio en líquido y vapor. Su aplicación principal es como regulador

de primera etapa y en quemadores de alta presión, sopletes, calentadores y llenado de

aerosoles. Es aplicable en CO2, aire a presión, como regulador piloto en aire para

instrumentos, en herramientas y una amplia variedad de aplicaciones industriales. El

cuerpo del regulador tiene incorporada una salida roscada (1/4" NPTH) para montar un

manómetro y poder controlar la presión de salida hacia la línea de servicio. El producto

cumple con la norma norteamericana UL-144 , con la certificación NUM. 83GJ.

ESPECIFICACIONES:

CUERPO Y TAPA: Aluminio inyectado

DIAFRAGMA: Buna-N reforzada con Nylon

VASTAGO: Acero Inoxidable. SELLO: Buna-N

RESORTES: Acero al carbono

CONEXIONES: Entrada: 1/2 M NPTH (12.7 mm).

Salida: 1/2 M NPTH (12.7 mm).

CAPACIDAD EN PROPANO (1): 3,628,800 BTU/hr (40.8 m3/hr).

PRESION MAXIMA DE TRABAJO: 17.5 kg/cm2 (250 psig).

1) Basadas en una presión de entrada de 100 psig (70 kg/cm2)

2) Para otras aplicaciones consultar a la planta.

El manómetro de alta presión que utiliza este regulador es de 0 a 7 Kg/cm2.

Page 120: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

118

REGULADOR MODELO REGO DE SEGUNDA ETAPA (BAJA PRESION)

Los reguladores de segunda etapa se diseñan para reducir la presión que se recibe del

regulador de primera etapa a la presión de trabajo del los aparatos de consumo. También

es aplicable en el control de la presión de aire para instrumentos y en manejo de CO2.

Su utilización permite suministrar presión en rangos muy controlados y sin variaciones

a los aparatos de consumo, permitiendo un control muy preciso de la combustión en los

mismos, al mismo tiempo que ayuda a reducir la condensación de humedad en los

orificios de los reguladores garantizando un servicio continuo en la línea de

abastecimiento. La instalación se realiza sin herramientas especiales. La calibración a la

presión de servicio es simple y fácil. El producto cumple las especificaciones de la

Norma Oficial Mexicana NOM-018/4.

ESPECIFICACIONES:

CUERPO Y TAPA: Aluminio inyectado

DIAFRAGMA: Buna-N

VÁLVULA: Nylon con fibra de vidrio

SELLO: Buna-N

RSORTE: Acero al carbono

CONEXIONES: ENTRADA 1/2" (13mm), 3/4" (19mm) y 1" (25mm)

SALIDA 1" (25mm)

CALIBRACIÓN DE FÁBRICA: 11" C.A. (279 mm C.A.)

RANGO DE AJUSTE: 229-330 mm C.A. (9-13" C.A.)

PRESION MAXIMA DE

ENTRADA: 1.75 kg/cm2 (25 psig)

MANOMETRO DE BAJA PRESION

Código: 63200

Descripción:

Manómetro marca metron para bajas presiones, carátula de 2-1/2" de diámetro, conexión

inferior de 1/4" npt, bourdon y conexión en bronce. Escala dual en onza/pulg2 y cm H20.

Rangos: 0-20 oz/pulg2 0-30 oz/pulg2 0-40 oz/pulg2 0-60 oz/pulg2 0-80 oz/pulg2 0-100 oz/pulg2

Page 121: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

119

ANEXO 2

HOJA DE ESPECIFICACIONES DE PLANTA DE 80 KW

Capacidad en KW 80

Modelo de motor 4.6 L V8

Salida del generador 80 KW/60Hz (AMP)

120-240 V, 1 fase, 1.0 fp

120-208 V, 3 fases, 0.8 fp

277-480 V, 3 fases, 08 fp

Breaker de protección

333 400

278 300

120 150

KVA disponibles de rotor bloqueado del

generador

1 fase o 3 fases 208 V

3 fases 480 V

160

185

Consumo de combustible del motor

(gas natural) (gas LP)

Ciclo de ejercicio

25% de carga

50% de carga

75% de carga

100% de carga

Gas natural Gas LP

(ft3/hr) (gal/hr) (ft3/hr)

131 1.45 109

312 3.45 226

600 6.64 341

835 9.25 465

1154 12.78 800

Enfriamiento del motor

Flujo de aire (ft3/min)

Capacidad de anticongelante del sistema (gal)

Máxima temperatura de operación de aire en el

radiador (ºC)

Máxima temperatura ambiente (ºC)

5,300

4

60

50

Emisión de ruido en DBA

Ejercicio a 7 metros

Operación normal a 7 metros

64

74

Sistema de lubricación del motor

Tipo de lubricación de aceite

Capacidad del cárter (L)

Engranes

6

Emisión de sonido (dB)

Ciclo de ejercicio a 7 metros

Operación normal a 7 metros

64

74

Escape

Flujo de escape de gases a una salida fija de 60

Hz (m3/min)

Temperatura del escape en el mofle de salida

(ºF)

720

840

Parámetros del motor

RPM (60 Hz)

HP a KW fijos (60 Hz)

3600

126

Ajuste de potencia por las condiciones de

ambiente

Desviación de temperatura

3 % por cada 10 ºC arriba (ºC)

Desviación de altitud

1% por cada 100 m arriba (m)

25

183

Page 122: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

120

ANEXO 3

GENLINK H100

INSTALACION

El software utilizado para la interfase entre el controlador H-100 de la planta de

emergencia de 80 KW y una PC es el GENLINK, el cual es un programa muy amigable

para ser operado por cualquier usuario. Para la instalación se siguen los siguientes

pasos:

1)

2)

Page 123: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

121

3)

Page 124: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

122

CONEXIÓN

Ya que esta instalado el software de Genlink, se procede a instalar un controlador,

configurando un puerto de entrada USB de nuestra PC, ya que dicho controlador lo

tenemos en una memoria USB; éste servirá como código de acceso, el cual recibe el

nombre de Dongle. También se configura otro puerto USB de la PC para el cable de

comunicación, a través RS232.

Ya configurado lo anterior, se abre el programa Genlink:

Para verificar que existe comunicación entre PC y controlador H-100, se verifica con el

botón TEST (prueba):

Ya detectada la comunicación, nos conectamos. Debido a que se instalo el controlador

para el acceso, no necesita clave, solo se da OK y se conectara:

Page 125: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

123

GENLINK

Ya estando dentro de GENLINK, aparece la siguiente pantalla:

PANTALLA INICIAL DE GENLINK

MENU DE CONFIGURACION

Page 126: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

124

CANALES DE ENTRADAS ANALOGICAS

CANALES DE ENTRADAS DIGITALES

Page 127: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

125

CANALES DE SALIDAS DIGITALES

FUNCIONES DE SALIDAS DIGITALES

CONFIGURTACION DEL PUERTO DE COMUNICACION

Page 128: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

126

PARAMETROS DEL MOTOR

PARAMETROS DEL REGULADOR

Page 129: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

127

PARAMETROS DEL GOBERNADOR

PARAMETROS DEL GENERADOR

Page 130: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

128

CONFIGURACION DEL TABLERO DE TRANSFERENCIA

CONFIGURACION DEL EJERCITADOR SEMANAL

Page 131: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

129

ANEXO 4

CONTROLADOR H-100

CARACTERISTICAS DEL CONTROLADOR H-100

El controlador H-100 esta diseñado a base de un microcontrolador con las siguientes

características:

Procesador Motorota de 32 bits

Solución de control integrada

Realiza todas las funciones de control del equipo:

Protección y monitoreo del motor

Protección y monitoreo del generador

Control del combustible (gobernador electrónico)

Control del campo magnético (regulador de voltaje automático)

En el siguiente diagrama se muestran las principales entradas, salidas y opciones de

comunicación del controlador.

A continuación se describen las entradas analógicas y digitales, salidas digitales y las

funciones de las salidas digitales. También se describe el conector J1 y J2 del

controlador.

CONTROLADOR

H-100

Alimentación de batería 12 VCD

Entradas analógicas 4-20 mA (7)

Entrada sensor magnético (1)

Entradas digitales (11)

Entrada analógica 0-1 V (1)

Sensado de voltaje (3) 0-28.8 VRMS

Sensado de corriente 0-3 ARMS

(3)

Entrada analógica 0-10 V (1)

RS232 Genlink

RS 485 Monitoreo remoto

Can Bus

MODEM

Salidas digitales

12 colector abierto

2 PWM

C

o

m

u

n

i

c

a

c

i

ó

n

Page 132: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

130

ENTRADAS ANALOGICAS H-100

NUMERO NOMBRE DE SEÑAL TIPO CONECTOR

1 Temperatura de aceite 4-20 mA J1-9 +

JI-8 rtn

2 Temperatura de anticongelante 4-20 mA J1-15 +

JI-31 rtn

3 Presión de aceite 4-20 mA J1-20 +

JI-19 rtn

4 Nivel de anticongelante 4-20 mA J1-30 +

JI-29 rtn

5 Entrada analógica # 5 Configurable

Nivel de combustible

4-20 mA J1-7 +

JI-6 rtn

6 Entrada analógica # 6 Configurable

Presión de combustible

Temperatura del múltiple

4-20 mA J1-28 +

JI-27 rtn

7 Entrada analógica # 7 Configurable

Posición de la mariposa del gobernador

4-20 mA J1-18 +

JI-17 rtn

8 Entrada analógica # 8 Configurable

Sensado de emisiones

Nivel de aceite

0-1 V J1-5 +

JI-5 rtn

9 Entrada analógica # 9 Configurable

Corriente del cargador de batería

0-10 V J1-16 rtn

10 Voltaje de batería 0-30 V J1-35 +

JI-12 -

11 Corriente de fase A 0-3 ARMS J2-12 +

J2-11 -

12 Corriente de fase B 0-3 ARMS J2-35 +

J2-34 -

13 Corriente de fase C 0-3 ARMS J2-10 +

J2-9 -

15 Voltaje entre fases A-B 0-28.8 VRMS J2-6

16 Voltaje entre fases B-C 0-28.8 VRMS J2-29

17 Voltaje entre fases C-A 0-28.8 VRMS J2-17

22 RPM del motor (sensor magnético) Efecto Hall J1-24 +

JI-25 -

SALIDAS DIGITALES H-100

NUMERO DESCRIPCION DE LA SEÑAL CONECTOR

1 Relevador de arranque JI-23

2 Relevador de combustible JI-11

3 Falla de relevador JI-34

4 Relevador de gas J1-22

5 Auxiliar 1 J2-23

6 Auxiliar 2 J2-22

7 Auxiliar 3 J2-33

8 Auxiliar 4 J2-21

9 Modulo de ignición J2-32

10 Paro por sobrevelocidad J1-10

11 Control del combustible (gobernador electrónico) J1-33

13 Control del Campo (regulador de voltaje automático) J2-20

14 Control del Campo (regulador de voltaje automático) J2-8

Page 133: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

131

ENTRADAS DIGITALES H-100

NUMERO DESCRIPCION DE LA SEÑAL CONECTOR

1 Llave de encendido en AUTO J2-5

2 Llave de encendido en MANUAL J2-28

3 Estado del paro de emergencia J2-16

4 Arranque remoto J2-4

5 Entrada digital # 1 Configurable DI1

Falla del cargador de batería

J2-27

6 Entrada digital # 2 Configurable DI2

Baja presión de combustible

J2-15

7 Entrada digital # 3 Configurable DI3

Potencia de Normal

J2-3

8 Entrada digital # 4 Configurable DI4

Potencia de generador

J2-26

9 Modem (configurable) J1-14

10 Modem Habilitado J1-26

11 Detección de sobrevelocidad del generador INTERNO

FUNCIONES DE SALIDAS DIGITALES H-100

NUMERO NOMBRE DE LA FUNCION DESCRIPCION DE LA FUNCION

1 COMMON ALARM Alarma activa

2 COMMON WARNING Alerta activa

3 GEN RUNNING Operando generador

4 READY FOR LOAD Calentándose generador y listo para tomar carga

5 GEN READY TO RUN Generador listo para arrancar

6 GEN-STOPPED ALRM Generador apagado por alarma de paro

7 GEN STOPPED Generador apagado

8 GEN IN AUTO Generador en modo automático

9 GEN IN MANUAL Generador en modo manual

10 GEN IN OFF Generador en modo apagado

11 OVERCRANK ALARM Alarma de sobremarcha

12 OIL INHIBIT ALRM Generador apagado, presión de aceite muy alta

13 COOL TMP HI ALRM Alarma por alta temperatura de anticongelante

14 COOL TMP LO ALRM Alarma por baja temperatura de anticongelante

15 COOL TMP HI WARN Alerta por alta temperatura de anticongelante

16 COOL TMP LO WARN Alerta por baja temperatura de anticongelante

17 COOL TMP FAULT Falla del sensor de temperatura de anticongelante

18 OIL PRESS HI ALRM Alarma por alta presión de aceite

19 OIL PRESS LO ALRM Alarma por baja presión de aceite

20 OIL PRESS HI WARN Alerta por alta presión de aceite

21 OIL PRESS LO WARN Alerta por baja presión de aceite

22 OIL PRESS FAULT Falla del sensor de presión de aceite

23 COOL LVL HI ALARM Alarma por alto nivel de anticongelante

24 COOL LVL LO ALRM Alarma por bajo nivel de anticongelante

25 COOL LVL HI WARN Alerta por alto nivel de anticongelante

26 COOL LVL LO WARN Alerta por bajo nivel de anticongelante

27 COOL LVL FAULT Falla del sensor de nivel de anticongelante

28 FUEL PRS HI ALARM Alarma por alta presión de combustible

29 FUEL PRS LO ALRM Alarma por baja presión de combustible

30 FUEL PRS HI WARN Alerta por alta presión de combustible

31 FUEL PRS LO WARN Alerta por baja presión de combustible

32 FUEL PRS FAULT Falla del sensor presión de combustible

33 GOV POS HI ALARM Alarma de gobernación alta

Page 134: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

132

34 GOV POS LO ALRM Alarma de gobernación baja

35 GOV POS HI WARN Alerta de gobernación alta

36 GOV POS LO WARN Alerta de gobernación baja

37 GOV POS FAULT Falla de la mariposa del gobernador

38 CHG CURR HI ALARM Alarma por alta corriente del cargador

39 CHG CURR LO ALRM Alarma por baja corriente del cargador

40 CHG CURR HI WARN Alerta por alta corriente del cargador

41 CHG CURR LO WARN Alerta por baja corriente del cargador

42 CHG CURR FAULT Falla de corriente del cargador

43 BAT VOLT HI ALARM Alarma por alto voltaje de batería

44 BAT VOLT LO ALRM Alarma por bajo voltaje de batería

45 BAT VOLT HI WARN Alerta por alto voltaje de batería

46 BAT VOLT LO WARN Alerta por bajo voltaje de batería

47 AVG CURR HI ALARM Alarma por alta corriente

48 AVG CURR LO ALRM Alarma por baja corriente

49 AVG CURR HI WARN Alerta por alta corriente

50 AVG CURR LO WARN Alerta por baja corriente

51 AVG VOLT HI ALARM Alarma por alto voltaje

52 AVG VOLT LO ALRM Alarma por bajo voltaje

53 AVG VOLT HI WARN Alerta por alto voltaje

54 AVG VOLT LO WARN Alerta por bajo voltaje

55 TOT PWR HI ALARM Alarma por alta potencia real total

56 TOT PWR LO ALRM Alarma por baja potencia real total

57 TOT PWR HI WARN Alerta por alta potencia real total

58 TOT PWR LO WARN Alerta por baja potencia real total

59 GEN FREQ HI ALARM Alarma por alta frecuencia

60 GEN FREQ LO ALRM Alarma por baja frecuencia

61 GEN FREQ HI WARN Alerta por alta frecuencia

62 GEN FREQ LO WARN Alerta por baja frecuencia

63 GEN FREQ FAULT Falla de frecuencia del generador

64 ENG RPM HI ALARM Alarma por altas RPM del motor

65 ENG RPM LO ALRM Alarma por bajas RPM del motor

66 ENG RPM HI WARN Alerta por altas RPM del motor

67 ENG RPM LO WARN Alerta por bajas RPM del motor

68 ENG RPM FAULT Falla del sensor de RPM

69 SWITCH IN AUTO Llave de encendido en automático

70 SWITCH IN MANUAL Llave de encendido en manual

71 E-STOP ACTIVE Paro de emergencia activo

72 REMOTE START ACT Arranque remoto activo

73 BATT CHARGE FAIL Falla del cargador de batería

74 LOW FUEL PRS ACT Baja presión de combustible activa

75 LINE POWER ACT Potencia de Normal activa

76 GEN POWER ACT Potencia de generador activa

77 MODEM ACT Modem activo

78 MODEM ENAB ACT Modem habilitado

79 IN WARM UP Generador encendido, calentándose

80 IN COOL DOWN Generador encendido, enfriándose

81 CRANKING Arrancando generador

82 NEED SERVICE Dar mantenimiento

83 SHUTDOWN GENSET Alarma de paro activa

84 CHCK V PHS ROT Secuencia de fases incorrecta

86 FAULT RLY ACTIVE Alarma audible activa

87 INT EXERSICE ACT Ejercicio semanal activo

Page 135: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

133

DESCRIPCION DEL CONECTOR H-100

J1 CABLE SEÑAL DESCRIPCION J2 CABLE SEÑAL DESCRIPCION

1 CAN (rtn) CAN bus 1 391 RS485 (-) Conexión remota

2 CAN (+) CAN bus + 2 388 RS232 (tx) Genlink

3 810 GND Alimentación de Modem (-) 3 IN7 IN (DB) Potencia de normal

4 805 AN8 (rtn) Sensor de emisiones 4 183 IN (DB) Arranque remoto

5 804 AN8 (+) Sensor de emisiones 5 174 IN (DB) Llave de encendido en auto

6 575R AN5 (rtn) Nivel de combustible 6 224 V sense Voltaje entre fases AB

7 575V AN5 (+) Nivel de combustible 7 227 GND Negativo del sensado del

controlador

8 523R AN1 (rtn) Temperatura de aceite 8 409 OUT (OC) Disparo B del regulador de

voltaje

9 523V AN1 (+) Temperatura de aceite 9 399C CT3 (-) Corriente de fase C

10 R15B OUT (OC) Paro por sobrevelocidad 10 398C CT3 (+) Corriente de fase C

11 256 OUT (OC) Relevador de combustible 11 399A CT1 (-) Corriente de fase A

12 0 - BATT Alimentación del

controlador (-)

12 398A CT1 (+) Corriente de fase A

13 CAN (-) CAN bus (-) 13 390 RS485 (+) Conexión remota

14 811 IN (DB) Modem 14 387 RS232 (rx) Genlink

15 68V AN2 (+) Temperatura de

anticongelante

15 567/601 IN (DB) Presión de combustible baja

16 803 AN9 (+) Carga del cargador de

batería

16 R15 IN (DB) Paro de emergencia

17 766R AN7 (rtn) Posición del gobernador 17 226 V sense Voltaje entre fases CA

18 766V AN7 (+) Posición del gobernador 18 + 12V Voltaje de sensado para

controlador

19 69R AN3 (rtn) Presión de aceite 19 405 GND Negativo del regulador de

voltaje

20 69V AN3 (+) Presión de aceite 20 404 OUT (OC) Disparo A del regulador de

voltaje

21 221/808 OUT (OC) Solenoide de combustible 21 0C8 OUT (OC) Salida auxiliar 4

22 242 OUT (OC) Relevador para gas 22 0C6 OUT (OC) Salida auxiliar 2

23 56A OUT (OC) Relevador de arranque 23 0C5 OUT (OC) Salida auxiliar 1

24 0/SHLD RPM (+) RPM del motor 24 SHLD RS485

(shld)

Conexión remota

25 79 RPM (-) RPM del motor 25 389 RS232

(com)

Genlink

26 812 IN (DB) Modem Habilitado 26 IN8 IN (DB) Potencia del generador

27 806/754

R

AN6 (rtn) Ignición 27 505 IN (DB) Falla del cargador de batería

28 754V AN6 (+) Ignición 28 175 IN (DB) Llave de encendido en manual

29 573R AN4 (rtn) Nivel de anticongelante 29 225 V sense Voltaje entre fases BC

30 573V AN4 (+) Nivel de anticongelante 30 406 AVR zero

crossing

Cruce por cero del regulador de

voltaje

31 68R AN2 (rtn) Temperatura de

anticongelante

31 194 + 12V Alimentación del regulador de

voltaje

32 809 +12 V Alimentación de Modem

(+)

32 0C9/25 OUT (OC) Alimentación de tarjeta de

ignición

33 769 OUT (OC) Tarjeta de gobernador 33 OC7 OUT (OC) Salida auxiliar 3

34 445 OUT (OC) Falla de relevador 34 399B CT2 (-) Corriente de fase B

35 15B + BATT Alimentación del

controlador (+)

35 398B CT2 (+) Corriente de fase B

Page 136: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

134

FUNCIONES DEL CONTROLADOR H-100

MENU PRINCIPAL

DISPLAY IZQUIERDO (LEFT DISPLAY)

VOLTAJE (VOLTS) POTENCIA (POWER)

INTERRUPTOR (SWITCH) GRAFICA DE FRECUENCIA (GRAPH HZ)

HISTORIAL DE ALARMAS (ALARM LOG)

Page 137: JOSUE RUIZ FERNANDEZ

135

ALARMAS (ALARMS)

Muestra las alarmas activas tiene el equipo.

MOTOR (ENGINE)

Muestra los parámetros del motor, tales como presión de aceite, temperatura del

anticongelante, horas de operación del equipo, nivel de anticongelante, velocidad,

voltaje de batería, carga de batería y posición de la mariposa del gobernador.

ESTADO (STATUS)

Muestra el estado en que se encuentra la planta, ya sea si se encuentra apagada, en

manual o automático; al igual que si esta operando, transfiriendo, calentando, enfriando,

con alarmas, etc. También muestra la hora.

SERVICIO (SERVICE)

Se indica el porcentaje de uso para los servicios de mantenimiento, estos deben de

configurarse a través del Genlink, que por lo regular esta función no esta habilitada.

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GENERADOR (GENERATOR)

Se muestran parámetros del generador como voltaje, carga, frecuencia, potencia,

porcentaje de potencia utilizada y temperatura del generador para la protección térmica.

DIAGNOSTICO (DIAGNOSTIC)

Se muestran las entradas y salidas digitales del equipo, entradas analógicas, estado de

los puertos de comunicación RS232 y RS485.

EJERCICIO / HTS (EXERCISE / HTS)

En este menú se programa el ejercitador semanal, se habilita la comunicación entre el

tablero de transferencia y el controlador H-100, muestra el voltaje de la alimentación de

la tarjeta de interfase y el voltaje de la línea comercial.

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ANEXO 5

CONTROL DE HTS

Esta tarjeta es la interfase entre el tablero de transferencia HTS y el controlador H100,

cuyas funciones principales son:

SYSTEM READY (Sistema listo). El led estará encendido si la planta de emergencia se

encuentra en automático. Si hay una pérdida de comunicación entre tablero y planta, el

led parpadeara.

STANDBY OPERATING (Operando en emergencia) - UTILITY AVAILABLE (CFE

disponible). El led que esta encendido, indicara la alimentación de la carga en ese

momento.

SWITCH POSITION (Posición del contactor). El led encendido, indicara la posición

del contacto, ya sea en emergencia (Generator) o en normal (Utility)

TEST (Prueba). Realiza la transferencia inmediata de la carga manualmente). Este es

para probar que el contactor funcione correctamente.

FAST TEST (Prueba rápida). Realiza también la transferencia manualmente, pero a

diferencia al anterior, obedece los tiempos de retardo de arranque, calentamiento y

enfriamiento del motor.

RETURN TO NORMAL (Regreso a normal). Realiza la retransferencia inmediata, de

emergencia a normal.

RESET (Reseteo). Se utiliza para reiniciar el sistema en caso de que ocurran fallas en el

equipo y se queden algunas alarmas pegadas.