GRUPOS ELECTRÓGENOS 1

Introducción Un grupo electrógeno es un conjunto de máquinas rotativas, eléctricas y de combustión, acopladas mediante un eje mecánico, capaces de transformar la energía térmica procedente del combustible en energía mecánica en forma de giro del eje, y a su vez esta energía eléctrica en forma de corriente alterna. Los grupos electrógenos, básicamente, cuentan con un motor de tipo térmico acoplado a un generador de corriente eléctrica (alternador). De este modo la energía química disponible en el combustible es convertida en energía mecánica de rotación en el motor térmico y esta es aprovechada por el generador para obtener energía eléctrica. Estos equipos no utilizan una fuente renovable de energía, pero puede generar electricidad en cualquier momento, en cualquier lugar donde se necesite y con una gama de potencias muy amplia. Es el sistema idóneo para funcionar como sistema auxiliar para momentos de déficit de una instalación, o bien para cubrir determinados consumos que se prefiere que no pasen a través de la misma. Los grupos electrógenos permiten disponer de energía eléctrica cuándo y dónde se necesite. Cuentan con una amplia gama de modelos con soluciones flexibles para cualquier aplicación. Los grupos electrógenos son imprescindibles en lugares donde la suspensión del suministro de energía eléctrica puede ocasionar trastornos graves en la producción o en la integridad de las personas, por ejemplo centros comerciales, instituciones sociales, recreativas y turísticas, hospitales, industrias de alimentación o agrícolas, viviendas, comunicaciones, etc.

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Una de las cuestiones más importantes a la hora de decidir la selección de un grupo electrógeno es la de dimensionar la potencia eléctrica que se precisa para el trabajo a realizar. Para conocer los kVA que precisa cualquier equipo, se efectúa un sistema de cálculo de la potencia eléctrica requerida en base a la potencia de las cargas y en especial al motor o motores que intervienen en la instalación. Será tarea del técnico, previamente, determinar las cargas que van a ser alimentadas. Si se es capaz de dimensionar con acierto el modelo de grupo electrógeno que se necesita, se encontrará en él una máquina fiable y de larga vida útil. Por el contrario, si se cae en el error de infradimensionar el grupo, puede resultar que simplemente los aparatos eléctricos que se conectan no funcionen o lo que es peor, que la potencia requerida esté dentro de la potencia de emergencia del equipo, es decir, dentro del 10% sobre la potencia nominal, con lo cual el grupo electrógeno se verá forzado a trabajar por largos espacios de tiempo en esa franja de potencia y, por lo tanto, el motor se resentirá por realizar un trabajo para el cual no está preparado, acortando su vida de forma considerable por problemas mecánicos del conjunto motor/alternador. Cuando se necesitan conocer los kVA que precisa el equipo para poder ser dimensionado correctamente en función del trabajo que va a realizar, se puede llevar a cabo un cálculo que permita conocer este dato en base a otro que normalmente se conoce: la potencia del motor objeto de estudio, o los motores que intervienen en una instalación, que encontraremos expresada en CV o KW. Éste cálculo proporciona un método práctico que permitirá conocer la potencia necesaria del grupo electrógeno que se precisa. Obviamente, se trata de un método aproximado aunque ofrece la aproximación suficiente. En cualquier caso, es un método mucho mas eficaz que otro que suele utilizarse a menudo, consistente en otorgar una equivalencia entre los CV del motor (receptor de energía) y los kVA del grupo electrógeno (emisor de energía), sin tomar en consideración algo tan importante como los arranques de los motores. También se deberá tener en cuenta que, durante el arranque de los motores, los kVA absorbidos son muchos mas que los que se absorben durante el régimen nominal (es decir, en orden de marcha), por lo que se podrá observar en el ejemplo que sigue una primera columna en la que se expresa el valor necesario para la marcha normal, y una segunda columna en la que encontrara el valor para el arranque.

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Selección de un grupo electrógeno Existen instalaciones en las que surge la necesidad de contar con estos equipos ya sea para asegurar el suministro de electricidad ante un fallo del suministro normal en nuestra instalación, o una bajada de tensión. Para la elección o no de un grupo electrógeno, normativa de aplicación aparte, se deben responder las siguientes interrogantes: 1. ¿Qué debe seguir funcionando en caso de cortes de energía programados o inesperados? Se debe definir: a. ¿Qué máquinas o equipos deben seguir funcionando siempre? En este punto, y si se contemplan motores eléctricos, el cálculo de las potencias necesarias de alimentación de los mismos se calculará teniendo en cuenta el factor de corrección citado. b. ¿Qué zonas deben continuar con iluminación básica? Se deberá calcular en base a © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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la cantidad total de fuentes lumínicas. 2. Teniendo las respuestas a las preguntas anteriores, se tendrá una idea gruesa del tamaño del equipo. La pregunta entonces es ¿Quién dimensiona exactamente el grupo electrógeno? La determinación del tamaño o capacidad del grupo electrógeno y su configuración, son parte de un proyecto eléctrico, mecánico y obras civiles, el cual definirá: a. Potencia necesaria para cubrir las necesidades presentes y futuras. b. Elementos que debe incorporar el equipo (arranque manual o automático, operación en paralelo con otros equipos o con la red pública, insonorización, depósitos de combustible auxiliar, calefactores, escapes de gases, etc.) c. Normativas legales a cumplir (eléctrica, ruido, emisión de gases y partículas, ...). d. Lugar donde serán instalados el o los equipos (bajo techo, intemperie, elevación sobre el nivel del mar, ambientes polvorientos, etc.) 3. Teniendo respuesta a lo anterior, la siguiente pregunta es ¿Qué proveedor tiene el equipo que necesito? Para la selección del proveedor no sólo se analizará la variable precio de los equipos. Estas son algunas de las consideraciones más relevantes: a. Permanencia a través del tiempo y capacidad financiera de la empresa proveedora, de forma tal que aseguren un adecuado servicio de postventa (servicio técnico idóneo y profesional, suministro de repuestos en forma oportuna y a costo razonable). Los equipos que se adquieren hoy, ¿tendrán repuestos y servicio técnico en 5 años más? b. Proveedores comprometidos con el cuidado del medio ambiente en el que todos vivimos (Responsabilidad Ambiental). Exigir que los equipos ofrecidos – y las instalaciones del proveedor - cumplan las normas ambientales sobre ruidos, gases y partículas. Cabe hacer notar que estas normas serán cada vez más estrictas. c. Proveedores con capacidad técnica y logística que permitan cumplir con lo ofrecido. d. Por último, si el equipo será enviado a lugares geográficos alejados de la casa matriz, conocer si cuenta con servicio técnico cercano a dicha zona o en su defecto con qué velocidad podrá responder ante un requerimiento de servicio o suministro de repuestos.

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Tipología de los grupos electrógenos

Las generalidades de un grupo electrógeno, atendiendo a su constitución, son las siguientes: •

El generador es un alternador, máquina síncrona, generalmente trifásica de 4 polos (1500 rpm), que no requiere características especiales, salvo mayor resistencia a la humedad y gote o s y p rese n cia de devanados amortiguadores de las oscilaciones pendulares. Se suelen preferir excitaciones estáticas o sin escobillas, dadas sus ventajas de funcionamiento

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y mantenimiento. •

El motor que mueve al conjunto tiene las siguientes características: < Normalmente, 4 tiempos. < Números de cilindros variables (hasta 8 cilindros en línea y hasta 16 cilindros en V). < Velocidad habitual de 1500 rpm. < Velocidades menores solo para grupos fijos. Los grupos electrógenos se pueden clasificar en función de varios parámetros:

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Combustible: Combustibles líquidos o gaseosos Ubicación: Interior o intemperie Refrigeración: Líquida o por aire Portabilidad: Móviles o Fijos Régimen de funcionamiento: Puntual o permanente Velocidad de funcionamiento: 1500 rpm ó 3000 rpm Tensión de trabajo: Monofásicos o trifásicos Arranque: Manual o automático En función al uso que se les vaya a dar, se elegirán unas condiciones u otras.

3.1

Combustible Los combustibles que puede usar un grupo electrógeno son variados: Gasolina, gasoil (diesel), gas natural, propano o butano, y modelos especiales de cogeneración (más habituales estos últimos en producción de energía a mediana - gran escala en fábricas, consumidores importantes de energía y productores de electricidad). El combustible que utiliza un motor, lo convertirá en apto para algunas funciones y deficiente para otras, para ello, debemos evaluar, cual es el más indicado. Los modelos de gasolina suelen ser equipos portátiles de pequeña potencia, montados habitualmente en un bastidor y que pueden llegar a incorporar ruedas para facilitar su transporte. Suelen ser equipos destinados a funcionamiento puntual de pequeñas cargas como bombas de agua, maquinaria de obras, etc., trabajando habitualmente a 3000 rpm. La relación precio combustible - potencia desarrollada suele ser la más elevada. Los motores de los generadores electricos que funcionan a gasolina pueden ser monocilíndricos y bicilíndricos, de cuatro tiempos y presentan un poder calórico de 7600 Kcal/litro. Son aptos para trabajar bajo temperaturas extremas y suelen ser mucho más silenciosos que otro tipo de motores. La desventaja de este tipo de motores, es que se ensucian fácilmente y el combustible que necesita para funcionar es altamente inflamable y degradable. Los modelos de gasoil son equipos destinados a proveer de medianas a grandes potencias. Son los más frecuentes. Suelen ser modelos destinados a cargas de servicio permanente (1500 rpm), con un régimen de trabajo habitual de 1500 rpm para equipos de elevada potencia y 3000 rpm para los menores. La relación precio combustible - potencia desarrollada es aceptable, siendo este tipo, por ello, de los más habituales en cargas permanentes.

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Los motores de los generadores electricos que funcionan con combustible diesel disponen de 1 a 8 cilindros, son de 4 tiempos, ciclo diesel y brindan un poder calórico de 9300 Kcal /litro. Pueden funcionar perfectamente en altas temperaturas, pero en temperaturas inferiores, necesitan de calentadores para funcionar correctamente. Este tipo de motores de los generadores electricos, presentan un combustible no inflamable y que no se degrada con el tiempo. La desventaja que presenta este tipo de motor es que suele ser más caro que otros motores, pero el combustible, es el más económico del mercado. Otra desventaja, es que son muy sensibles al agua. Los modelos de funcionamiento por gas (Gas natural, propano, ...) son equipos fijos, de gran potencia, destinados principalmente a servicio permanente y trabajando a 1500 rpm. La relación precio combustible - potencia desarrollada los convierte en los más económicos. Los motores que funcionan con gas son los menos comunes en materia de generadores eléctricos. Sin Grupo Electrógeno a gas embargo, existen algunos motores que presentan una bomba que contiene gases butano o propano. Este tipo de combustible es bajo en carbonilla y no contamina el aceite. El costo de utilización es muy económico. La desventaja es que este combustible, al ser tan volátil, es muy inflamable.

3.1.1 Particularidades de los equipos de combustibles líquidos 3.1.1.1 Circuito de combustible Si bien los grupos electrógenos suelen llevar el depósito de combustible integrado, para equipos que deben permitir su funcionamiento durante muchas horas, el combustible se almacena en un depósito subterráneo (tanque principal). Mediante una bomba eléctrica se lleva a través de un prefiltro a un depósito de menor capacidad, situado en alto para que llegue al motor el combustible por gravedad Se suele instalar una bomba de trasiego manual en caso de fallo de la electrobomba. También es frecuente instalar una conducción entre ambos depósitos por si fallara la boya interruptor de parada, retornando el combustible al tanque principal. Igualmente, el combustible no consumido retorna al depósito auxiliar.

3.1.1.2 Almacenamiento Atendiendo a las normas vigentes se deberá tener especial atención al almacenamiento de combustible, clasificado como producto peligroso. La instalación del grupo poseerá un depósito de consumo diario y opcionalmente un depósito de almacenamiento del combustible externo. Según la potencia del equipo generador el depósito de combustible podrá ser externo en vez de estar integrado en la bancada del equipo. Este depósito deberá estar instalado a una distancia máxima acorde a la capacidad de aspiración de la bomba de combustible del motor, para lo que se deberá consultar el manual del fabricante del grupo. La instalación se efectuará de acuerdo a la legislación vigente.

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3.1.1.3 Sistema Automático de Bombeo (opcional) El equipo puede incorporar una bomba de trasiego, para el trasvase de combustible desde un depósito externo al depósito interno del grupo. Dicha bomba será del tipo auto-aspirante y excéntrica de paletas auto-ajustables. Suele incluir una válvula de by-pass de recirculación. En el interior de la bomba hay un filtro extraible de 352 micras de obligado empleo. Para la instalación de la bomba, de debe consultar el manual suministrado por el fabricante. Si la distancia del equipo va a ser mayor que la recomendada, la bomba deberá ser desmontada y emplazada próxima al depósito externo. La bomba funcionará si el equipo está en marcha, y suelen incorporar un selector OFF/AUTO emplazado en la puerta del cuadro eléctrico integrado en el equipo.

3.2

Ubicación

Los grupos podrán ubicarse en interior o en exteriores. En caso de su ubicación en interiores, se deben tener en cuenta una serie de características para la estancia que los alberga.

3.2.1 Disposición Típica de una Sala de Grupo Electrogeno Es importante que el aire caliente del radiador sea conducido fuera de la sala del grupo y que no se le permita recircular, para mantener la temperatura del ambiente tan baja como sea posible para el rendimiento requerido del motor. El tubo de escape del silenciador debe ser sostenido desde el techo, y los soportes deberían permitir la expansión de la tubería. Un tramo de tubo flexible o fuelle debería ser colocado entre la salida de escape del motor y el tramo del tubo rígido, especialmente si el grupo electrógeno está montado sobre soportes anti-vibración. El sistema de tubo de escape debe ser tan corto como sea posible, y mantenerse al mínimo el número de curvas, para no exceder las recomendaciones de contrapresión apropiadas del motor. Donde las condiciones causen que la contrapresión exceda a la recomendada, el diámetro del tubo de escape debería ser aumentado para equipararla. Los mismos comentarios se aplican para la conducción de salida del aire caliente y

Tanque de combustible de poliéster para montaje interior

Tanque de combustible para montaje en exteriores

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cualquier otra conexión de motor/alternador, debe ser del tipo flexible, por ejemplo, tubo de combustible y conexiones eléctricas. El tanque diario de combustible (si está instalado) es alimentado con combustible desde un tanque a granel alojado a distancia desde la sala de maquinas. El retorno de combustible desde el motor debe ser entubado de vuelta al tanque de granel y no al tanque diario para evitar el sobrecalentamiento de combustible. Las baterías de arranque se deben mantener completamente cargadas durante períodos de descanso mediante un cargador estático. El cargador estático debe ser incorporado en el panel de control. La disposición del grupo electrogeno y sus elementos accesorios en la sala, se muestran en la Figura siguiente.

3.2.2 Local Se deberá tener en cuenta la alimentación del carburante, la ventilación del local, la evacuación y la dirección de los gases de escape y de los ruidos producidos. Las dimensiones deben permitir las diferentes operaciones de mantenimiento o desmontaje que se puedan de realizar. Deberá respetarse un mínimo de 1 metro alrededor del grupo para apertura de puertas. El local deberá de tener un acceso que permita el paso del equipo generador y las aberturas para ventilación (entradas de aire fresco, salida de aire caliente) tendrán una superficie adecuada en función de la potencia del grupo, del sistema de refrigeración del local y del sistema de insonorización. Si el equipo tiene que estar instalado en un lugar cerrado, se recomienda el empleo de equipos sobre bancada (no insonorizados) y una posterior insonorización de la sala de trabajo, de acuerdo a las normativas vigentes. La rejilla de entrada de aire: será al menos 1,4 veces la superficie del panel del radiador del motor. El silencioso: debe de estar firmemente instalado y fijado a una estructura estable. La salida de humos al exterior se debe realizar por un punto que impida la reentrada de los © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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mismos a la sala. La rejilla de salida de aire del radiador: será al menos 1,25 veces la superficie del panel del radiador. El conducto canalizador de salida del aire refrigerante, evita la reentrada de aire caliente al interior del lugar donde se ha instalado el equipo. La bomba de transvase se comunica con el Depósito de combustible externo (opcional).

3.2.3 Ventilación y aspiración Como el motor es de combustión interna genera emanaciones de gases que deben ser evacuados al exterior mediante conductos con el fin de poder liberarlos. Este calor es generado por la refrigeración de los cilindros, la radiación del bloque motor, el conducto de escape, la refrigeración del alternador y salida de aire del radiador. Una ventilación insuficiente provocaría un aumento de la temperatura ambiente del local produciendo una pérdida de potencia del motor hasta finalizar en una parada del grupo. En caso de instalarse en zona residencial es condición incorporar un silenciador adecuado con el fin de minimizar los ruidos de funcionamiento para no afectar a terceros. La ventilación debe garantizar las condiciones ambientales para la máquina y para los operarios. La dirección del aire de ventilación debe ser como sigue: • Entrada en la sala por la zona mas alejada a las fuentes de calor • Flujo libre hacia la zona de calor • Expulsión de aire caliente directamente por encima de las fuentes mas importantes de calor, por medio de un conducto de salida sin mezcla con el aire fresco entrante. • Se debe instalar filtros que eviten la entrada de polvo en la sala de máquinas

3.2.4 Sistema de escape El propósito del sistema de escape del motor es dirigir el escape hacia un lugar y una altura donde los gases y olores no produzcan molestias o peligro, reduciendo al mismo tiempo el ruido producido por el motor. Debe incorporarse un silenciador adecuado en el tubo de escape para reducir el nivel de ruido del motor. En caso de que el grupo esté en el interior de un edificio, la salida se realiza al exterior del edificio.

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Se debe tener en cuenta lo siguiente Mínima contrapresión y pérdidas de carga de los conductos Montar suficientes juntas de dilatación (temperaturas de 420-480ºC) Impedir la entrada de agua por su salida al exterior Instalar un silenciador para amortiguar los ruidos Evacuar los gases producidos en el cartera través de conexiones al respiradero de tubos colectores comunicados al exterior ( estos gases son causados por presiones originadas

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en los cilindros) Al diseñar un sistema de escape la consideración primordial es no exceder la contrapresión permitida por el fabricante del motor. Una contrapresión excesiva afectará gravemente al rendimiento, duración y consumo de combustible del grupo electrógeno. Para limitar la contrapresión los tubos de escape deben ser lo mas cortos y rectos posibles. Si es necesario efectuar curvas en los tubos estas deben tener un radio de curva por lo menos de 1,5 veces el diámetro del tubo. Un sistema de escape cuya longitud sobrepase los 3 metros debe ser aprobado por el fabricante. En la instalación del escape de gases se debe de tener en cuenta las pérdidas de carga provocadas, su aislamiento, la suspensión de los elementos que la componen, el nivel sonoro producido y las emisiones contaminantes producidas. Los compensadores y tubos flexibles de la instalación permitirán absorber los desplazamientos (debidos a las dilataciones y vibraciones). Es frecuente en equipos con salida a intemperie que lleven una tapeta antilluvia. Los equipos en los que no se incluye este elemento disponen de dos orificios en la parte inferior para evitar la acumulación de agua en el interior. En grupos no insonorizados, el silenciador de escape se suele suministrar suelto. Como regla general, la instalación del escape se realiza preferiblemente tras la salida del motor, o alternativamente a 2/5 o 4/5 de la longitud total del sistema de escape. De no hacerlos así se pueden producir fenómenos de resonancia que reducirán la eficacia del mismo. Las peores ubicaciones para el silenciador, de acuerdo a criterios de atenuación, son a 1/5, 3/5 o al final de la instalación. En algunos modelos, el silenciador es exactamente simétrico, en tal caso los fabricantes suelen marcar el lado que corresponde a la salida de gases al exterior por medio de una marca "S". 1. Sistema de extracción de humos al exterior, silenciador. 2. Pasamuros aislado térmica y acústicamente, antivibraciones. 3. Tapa antihumedad del tubo de extracción. Esta salida ha de llevarse hasta la cubierta del edificio para cumplir con la reglamentación de salubridad del Código Técnico de la Edificación, CTE HS-3 Calidad del Aire Interior. 4. Soportes antivibratorios del bloque silencioso.

3.2.5 Grupo Electrógeno para ubicación en exterior. El grupo es una máquina con motor a combustión interna que requiere intercambiar el calor excedente del mismo con el medio ambiente exterior, por lo que en estas condiciones se mejora esta característica. Si el grupo seleccionado no es requerido con cabina acorde para exterior se deberá proveer una cobertura superior con el fin de impedir que el mismo quede expuesto a factores de intemperie medio ambientales, tales como lluvia, rocío, radiación solar, etc. © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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Esta cobertura puede ser de chapa, debiendo tener la altura suficiente para poder ingresar y realizar tareas de mantenimiento. En el recinto donde se ubique el grupo electrógeno, deben preverse y dejarse espacios libres perimetrales en no menos de 0.50 Metros para que se posible la circulación de personal de mantenimiento para la realización de reparaciones, controles y servicios. El perímetro del recinto podrá estar delimitado con algún sistema de malla para protección de ingreso de extraños, siempre y cuando este medio no deje posibilidad de que en caso de lluvias el equipo pueda mojarse.

3.3

Refrigeración

La refrigeración por aire se utilizan para grupos de poca potencia y habitualmente de 1500 rpm. No brindan refrigeración uniforme a todos los cilindros. Alcanzan fácilmente la temperatura de régimen. No utilizan líquido de refrigeración. La refrigeración por líquido suele utilizar agua o agua con refrigerante. Utiliza un intercambiador para enfriar el agua que refrigera el motor (agua dulce). El refrigerador puede ser por aire (radiador y ventilador), o bien por agua del exterior (agua bruta). En la mayoría de los casos el mejor refrigerante para los grupos electrógenos es el agua con aditivos para bajar el punto de congelación (por ejemplo, el etileno glicol, recomendado para uso en regiones más frías), y para proteger contra la corrosión (emulsión de aceite o compuestos que, en contacto con el agua, tienden a formar una película de protección).

3.3.1 Grupos refrigerados por aire Los generadores electricos cuyos motores son refrigerados por aire, remueven el aire a través de una turbina o usan la convección natural (sin ventilador, por diferencia de temperatura). Este tipo de refrigeración, se encuentra en motores de 1500 rpm y disponen de un radiador que controla y mantiene la temperatura del aceite. Este tipo de refrigeración, es la indicada, para regiones polvorientas y no necesita de un mantenimiento permanente. No se indica la utilización en zonas cuyas temperaturas son elevadas, ya que consume demasiado aceite, dañando el motor. El sistema de refrigeración por aire, le aporta peso adicional al motor en forma de aletas.

3.3.2 Grupos refrigerados por agua Los generadores eléctricos cuyos motores son refrigerados por agua, disponen de un ventilador que desplaza el aire caliente que produce el motor y el alternador, conduciéndolo hacia el radiador, en donde hay una bomba, que es capaz de mover el agua y conducirla al motor. Este sistema de refrigeración, presenta un termostato que es capaz de cerrar el circuito de © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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agua si la temperatura no es la correcta para su funcionamiento. Los sistemas de refrigeración por agua, hacen que los generadores eléctricos, emitan menor ruido. Este tipo de sistema es el recomendado para ser utilizado en temperaturas altas, y contraindicado para temperaturas bajas, ya que necesita de anticongelantes para funcionar correctamente. Los generadores eléctricos con motores refrigerados por agua, son sensibles a las regiones polvorientas y requieren de un mantenimiento permanente, a diferencia de los refrigerados por aire. Los sistemas de refrigeración por agua, son los más utilizados en el mercado de generadores eléctricos.

3.4

• •

Portabilidad Los grupos electrógenos, en función a su portabilidad, pueden clasificarse en: Fijos. Móviles.

Los fijos, dependiendo de las condiciones medioambientales, contaminación, ruido admisible, etc., podrán ser de tipo bastidor o de tipo cerrado o carrozado (insonorizado o no). Los de este tipo pueden tener un depósito de combustible exterior. Los móviles son habitualmente de tipo cerrado. Los hay móviles con ruedas, móviles para transportar en camión, instalados en contenedor estándar de transporte (container) según norma ISO 6346, o incluso en vagón de tren. Los de tipo bastidor se componen de una estructura metálica que soporta el conjunto del grupo electrógeno y que está preparado para darle la rigidez necesaria en el transporte desde fábrica, pero estando abierto al exterior, permitiendo una ventilación natural de todo el grupo. Son sensibles a las inclemencias medioambientales y por tanto recomendables para su instalación en interior. Los de tipo cerrado o carrozado poseen paneles de cierre alrededor de la estructura portante o bastidor, protegiendo éste del ambiente exterior. Deben instalarse al exterior, estando desaconsejado su uso en interiores.

3.4.1 Particularidades de los Grupos fijos Son Grupos Electrógenos para instalar en el interior de edificios habitualmente. Están formado por un motor diésel, un alternador y un cuadro de control montados sobre bancada de acero formando una unidad compacta.

3.4.1.1 Fijación de los Grupos Electrógenos Para el montaje del grupo electrógeno es necesario tener en cuenta que el tipo de fijación y fundación debe ser lo bastante firme para soportar el peso del equipo y esfuerzos producidos por el mismo.

3.4.1.2 Montaje y Fundación La forma más simple de montar el grupo electrógeno es fijándolo rígidamente a la © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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cimentación o soportes. Es muy importante tener un perfecto nivelado sobre el bastidor o cimiento. El montaje rígido debe tener las características que provean el funcionamiento normal del equipo y que el sistema grupo electrógeno-cimiento no entre en resonancia. La fundación sobre la cual debe ser instalado el equipo es de gran importancia porque debe: a) Soportar el peso estático del equipo y resistir cualquier tipo de esfuerzo o vibraciones. b) Ser firme y estable para evitar las distorsiones que pueden afectar la alineación del equipo. c) Absorber las vibraciones producidas por las partes móviles. El terreno del lugar de instalación debe poder soportar el peso del equipo completo más el de la fundación de hormigón sobre el cual sea montado el grupo.

3.4.1.3 Bloque Fijo de Hormigón El bloque fijo de hormigón es un método probado y preferido en algunas circunstancias. En este caso la base del grupo electrógeno es fuertemente apretada por los bulones al bloque de hormigón. Las dimensiones recomendables del bloque de hormigón son las de un bloque macizo prismático, de base B x L y altura D. La altura del bloque puede ser calculada con la formula siguiente:

Donde: D = Altura del bloque de hormigón, [m] W = Peso total del Grupo Electrógeno, [Kg] d = Densidad de hormigón, [2400 kg/m³] B = Ancho del bloque de hormigón, [m] L = Longitud del bloque de hormigón, [m]. Nota: si el GE se coloca en el exterior, con la cimentación directamente sobre el terreno, la superficie superior del bloque está usualmente sobre el nivel de tierra h = 100 a 250 mm.

3.4.1.4 Fijación a la Base Los grupos se fijarán sobre bloques de materiales que minimicen la transmisión de ruidos y vibraciones al edificio (silent blocks). Estos son materiales elásticos; pueden ser bancadas de corcho, materiales poliméricos, gomas o muelles.

3.5

Régimen y velocidad de funcionamiento Según el régimen de trabajo se pueden clasificar en:

Grupos de continuidad Los grupos de continuidad son grupos preparados para trabajar en servicio continuo, esto es, como única fuente de energía. Por ejemplo, se usan para alimentar maquinaria de obra, instalaciones provisionales (ferias) y otras cuya conexión permanente a la red eléctrica no es rentable. Cobertura de emergencia Ante un fallo de la red, pasan automáticamente a encargarse del suministro a los circuitos © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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de consumo. Su puesta en marcha ha de realizarse en el tiempo mas breve posible (tiempo cero) Según la velocidad de funcionamiento, se pueden clasificar en: Grupos Electrógenos de 1.500 rpm Los grupos electrógenos de 1.500 rpm son equipos que en general están construidos para uso permanente o de largos períodos ya que su conformación permite que la motorización no se encuentre sobre exigida en velocidad. Comúnmente estos grupos electrógenos se comercializan con motores Diesel o bien a gas natural. El generador eléctrico es de 4 polos de manera que en conjunto con el motor de 1.500 rpm suministran energía eléctrica alterna con frecuencia de 50 Hz, en concordancia con el suministro eléctrico de la red pública. Cabe destacar que estos motores al funcionar a una velocidad de rotación de 1.500 rpm, es decir un 50% menos a la cual lo hacen los de 3.000 rpm, su durabilidad es mayor que estos últimos. Grupos Electrógenos de 3.000 rpm Los grupos electrógenos de 3.000 rpm suelen ser equipos que pueden estar motorizados por motores, Diesel, a Gas o gasolina. Estos equipos tienen como ventaja el ser de menor costo, pero su utilización solamente es recomendable para casos de estar destinados a servicio de tipo soporte y/o discontinuo y para pequeñas potencias ya que de utilizarse para aplicaciones como las indicadas para los grupos de 1.500 rpm, la durabilidad y con ello la ventaja del menor costo de adquisición, se tornan en limitadas y/o no convenientes con respecto al primero. Son recomendables para maquinaria de pequeña potencia.

3.6

Tensión de trabajo

Sólo será necesario un grupo trifásico (400 V) si es necesario hacer funcionar aparatos que necesiten corriente trifásica (motores grandes, bombas potentes, etc.). Si no es así, el grupo debe ser monofásico (230 V). Los grupos electrógenos convencionales normalmente están configurados con un sistema trifásico de generación. Se dispone de tres fases independientes, y un borne neutro. En este esquema se pueden conectar cargas que requieran las tres fases simultáneamente, con o sin neutro (ej: motores eléctricos) o bien cargas que requieran sólo una de las tres fases más el neutro (ej: iluminación en general). En este último caso se podrán conectar a cualquiera de las tres fases pero se deberá tener especial atención en conectar igual cantidad de cargas en cada una de las tres fases, lo que se conoce comúnmente como "equilibrio de fases". Si solamente se requiere el grupo electrógeno para alimentar una única carga monofásica, se configurará el generador especialmente en este modo, donde sólo se dispondrá de una única fase y un neutro. El grupo electrógeno en éste último caso tendrá una sensible disminución de la potencia capaz de suministrar.

3.7

Arranque

3.7.1 Sistemas de regulación y mando Los grupos suelen disponer de un conmutador “automático-manual”, para arranques y paradas. La situación normal es automático. Las maniobras mas importantes que se pueden realizar son: © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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Arranque Parada de grupo Conmutación en carga Regulación de la tensión Regulación de la frecuencia Regulación de la potencia Acoplamiento paralelo de grupos Reparto de carga Transferencia entre grupos

El arranque manual es adecuado para grupos de hasta 5 ó 6 kW, especialmente los de gasolina o gas. Este tipo de arranque se puede efectuar con o sin conmutador de carga. A partir de esta potencia, es preferible que tengan arranque eléctrico. Por otra parte, si se desea automatizar su funcionamiento (arranque automático para cuando se requiera, por ejemplo cuando se detecta que la tensión de baterías se encuentra por debajo de un límite prefijado), el arranque debe ser forzosamente eléctrico. A continuación se detalla cada uno de ellos.

3.7.2 Tipos de arranque 3.7.2.1 Arranque manual (sin conmutador de carga) Hay que disponer de cables de extensión hasta el lugar de utilización y conectar manualmente cargas a ellos hasta alcanzar la capacidad del generador. Este sistema aunque es el menos caro es también el más incómodo. La primera condición que exige es que debe haber alguien en el lugar de utilización que sepa cómo arrancar y conectar el equipo.

3.7.2.2 Arranque manual (con conmutador de carga) La conmutación de la carga permite realizar de forma cómoda el conexionado de los equipos, puesto que ya están preparados para ello por el sistema de conexionado. Éste es independiente de la capacidad del generador, debido a que sus contactos deben poder soportar toda la corriente de carga en condiciones normales de funcionamiento. Cuando esté trabajando el generador será necesario desconectar algunas cargas para no exceder su capacidad.

3.7.2.3 Arranque eléctrico (con control automático) Si se emplea el sistema de conmutador de carga el generador debe dimensionarse para soportar la carga máxima. Si no se hace así, existirá la posibilidad de un paro del motor a causa de la sobrecarga. Si se emplea el sistema de arranque eléctrico se permite usar un generador de menor potencia, así el conmutador también de menor. Esto se traduce en un ahorro en el coste. Estas conexiones se usan cuando se quiere proteger contra determinados riesgos. Se supone que el generador se ha dimensionado para alimentar todas las cargas excepto los equipos de gran consumo de potencia que no son totalmente necesarios (aire acondicionamiento y cocinas eléctricas,...). Deben instalarse unos contactores que abran los circuitos de estos equipos cada vez que se use el grupo electrógeno. La eliminación de las cargas pesadas de esta manera puede producir un sustancioso ahorro en el precio de coste. La elección del sistema conmutador de redes (llave de transferencia automática) surge de analizar la máxima corriente que habitualmente pasará por ella. Veamos un ejemplo: En un edificio la corriente habitual que consumen las cargas es 500 A. El grupo de emergencia sólo alimentará las cargas de máxima prioridad que suman 100 A. El conmutador de redes a elegir deberá ser apto para 500 A, dado que será la máxima corriente a manejar en forma habitual. © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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3.7.2.4 Arranque de grupo El sistema de arranque de Grupos Electrógenos de media y gran potencia es eléctrico. Consiste en un motor eléctrico de 12 ó 24 Vdc accionado por una o varias baterías de plomo-ácido. Las bajas temperaturas dificultan el arranque del motor. Un fallo de arranque (varios intentos sin éxito) implica una orden de parada de todo el grupo. Para evitarlo, y asegurar un arranque correcto del grupo electrógeno a cualquier temperatura externa, se realiza un caldeo del motor (calentamiento del agua de refrigeración) mediante un deposito con resistencias conectado a tensión de red. El funcionamiento de este sistema es automático, gobernado por un termostato (regulado habitualmente desde fábrica entre 40 y 60ºC), y queda señalizado en el cuadro mediante una lámpara. Las baterías se suelen suministrar por el fabricante cargadas, pero también es frecuente, en caso de que el grupo deba ser transportado a larga distancia, que vengan secas. La puesta en servicio de las baterías se realizará retirando los obturadores (tapones) y llenando cada elemento de la batería con ácido sulfúrico de densidad 1.28 (ó 1.23 en los países tropicales). Se dejará reposar como mínimo 20 minutos y se comprobará el nivel del electrolito (25 mm por encima de las placas; nunca se deben llenar hasta el límite). Finalmente, se recolocan los obturadores. Se recomienda realizar el llenado de ácido de batería utilizando gafas protectoras y guantes.

3.8

Conexión eléctrica del grupo electrógeno

El REBT clasifica las Instalaciones Generadoras atendiendo a su funcionamiento respecto a la Red de Distribución Pública. Las instalaciones más frecuentes alimentadas por grupos electrógenos son las siguientes: Las instalaciones en las que existe una conexión con la Red de Distribución Pública, pero sin que los generadores puedan estar trabajando en paralelo con ella, son Instalaciones generadoras asistidas. La fuente preferente de suministro podrá ser tanto los grupos generadores como la Red de Distribución Pública, quedando la otra fuente como socorro o apoyo. Para impedir la conexión simultánea de ambas, se deben instalar los correspondientes sistemas de conmutación. Las Instalaciones generadoras aisladas son aquellas en las que no puede existir conexión eléctrica alguna con la Red de Distribución Pública.

3.8.1 Instalaciones de Puesta a Tierra Los grupos electrógenos deberán estar provistos de sistemas de puesta a tierra que, en todo momento, aseguren que las tensiones que se puedan presentar en las masas metálicas de la instalación no superen los valores establecidos en la MIE-RAT 13 del Reglamento sobre Condiciones Técnicas y Garantías de Seguridad en Centrales Eléctricas, Subestaciones y Centros de Transformación. Los sistemas de puesta a tierra de los grupos electrógenos deberán tener las condiciones técnicas adecuadas para que no se produzcan transferencias de defectos a la Red de Distribución Pública ni a las instalaciones privadas.

3.8.1.1

Red de tierra en Instalaciones generadoras aisladas

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La red de tierras de la instalación conectada al generador será independiente de cualquier otra red de tierras. Se considerará que las redes de tierra son independientes cuando el paso de la corriente máxima de defecto por una de ellas, no provoca en la otra diferencias de tensión, respecto a la tierra de referencia, superiores a 50 V. En las instalaciones de este tipo se realizará la puesta a tierra del neutro del generador y de las masas de la instalación conforme a uno de los sistemas recogidos en la ITC-BT 08. Para grupos electrógenos móviles, puede ser interesante el esquema TN-S, ya que con una sola puesta a tierra se conectan conductor Neutro y Protección y pueden usarse interruptores diferenciales como protección ante defectos Cuando el generador no tenga el neutro accesible, se podrá poner a tierra el sistema mediante un transformador trifásico en estrella, utilizable para otras funciones auxiliares. En el caso de que trabajen varios generadores en paralelo, se deberá conectar a tierra, en un solo punto, la unión de los neutros de los generadores.

3.8.1.2 Red de tierra en Instalaciones generadoras asistidas Las instalaciones generadoras asistidas son las conectadas a instalaciones receptoras que pueden ser alimentadas, de forma independiente, por dichos grupos o por la red de distribución pública. Si el grupo constituye una fuente de sustitución, deberá utilizar el mismo régimen de neutro que la fuente normal. Cuando la Red de Distribución Pública tenga el neutro puesto a tierra, el esquema de puesta a tierra será el TT y se conectarán las masas de la instalación y receptores a una tierra independiente de la del neutro de la Red de Distribución Pública. Esta red puede ser la propia del edificio que alberga a la instalación La conexión del neutro del generador se realizará de forma independiente al neutro de la red pública. En caso de imposibilidad técnica de realizar una tierra independiente para el neutro del generador, y previa autorización específica del Órgano Competente de la Comunidad Autónoma, se podrá utilizar la misma tierra para el neutro y las masas. Para alimentar la instalación desde la generación propia en los casos en que se prevea transferencia de carga sin corte, se dispondrá, en el conmutador de interconexión, un polo auxiliar que cuando pase a alimentar la instalación desde la generación propia conecte a tierra el neutro de la generación.

3.8.2 Conexión del grupo a la instalación Los grupos electrógenos se conectan incorporando un sistema de conmutación (inversor de redes) al sistema eléctrico del edificio. La conmutación está compuesta por aparamenta eléctrica, que evita el suministro © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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simultáneo de la red eléctrica y grupo electrógeno. Existen tres tipos de aparamenta eléctrica utilizados de forma general en los cuadros de conmutación automática: • Contactores. Mecánica y eléctricamente enclavados, se utilizan con corrientes nominales relativamente bajas. • Conmutadores motorizados. Se utilizan desde 160 A. • Interruptores automáticos motorizados. Mecánica y eléctricamente enclavados Los conmutadores e interruptores automáticos motorizados también pueden ser operados manualmente. Incluyen una maneta para transferencia de redes en caso de emergencia cuando no hay ninguna fuente disponible. Como garantía de seguridad, los elementos motorizados pueden ser enclavados en posición 0 mediante un candado (de este modo las operaciones manuales son imposibles y los controles eléctricos están deshabilitados).

El inversor de redes estará calculado para soportar la intensidad necesaria para alimentar los servicios con prioridad ya que, tanto en modo RED como en modo GRUPO, se alimenta a través de éste a dichos servicios. En función al número y simultaneidades de las fuentes de alimentación, se pueden obtener los siguientes esquemas de conexión, por ejemplo:

Alimentación Red y Grupo alternativa

Doble alimentación alternativa de Redes y Grupo

Doble alimentación simultánea de Red y alternancia con Grupo

Obsérvese que en los esquemas anteriores, el grupo alimenta la totalidad de las cargas.

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Ante un fallo en el suministro eléctrico, las conmutaciones automáticas de fuentes permiten asegurar la continuidad de servicio de una instalación, con un mínimo tiempo de interrupción, mediante la desconexión de los circuitos alimentados por la fuente de suministro normal (o de RED), y su inmediata conexión a otra fuente que esté disponible (GRUPO). La maniobra de conexión y desconexión de las fuentes puede realizarse mediante contactores, interruptores o, lo que es mas usual, mediante interruptores automáticos ya que éstos, además, permiten proteger adecuadamente las lineas que alimentan. Generalmente la instalación se halla conectada a la red de distribución, que es la fuente Normal, mediante un interruptor, mientras que, mediante otro interruptor puede conectarse a la fuente Auxiliar o de socorro que suele ser otra red o un grupo generador. En ocasiones, el suministro Normal se realiza desde dos transformadores, por lo que, junto al interruptor de la fuente auxiliar, son tres los interruptores que han de intervenir en la maniobra. No siempre la fuente auxiliar tiene potencia suficiente para alimentar todos los servicios, en este caso los interruptores pueden ser de calibres diferentes y se procede a alimentar sólo a los circuitos preferentes.

3.8.3 Instalación de control Los elementos de conmutación-conexión de las redes o grupos pueden estár controlados por un autómata (PLC) o por un sistema específico del fabricante del grupo electrógeno.

3.8.3.1 Equipos de reconexión y conmutación Normalmente, la maniobra automática de desconexión de una fuente y posterior conexión a otra se inicia cuando un vigilante de tensión detecta un fallo en el suministro Normal. Un controlador automático iniciará la maniobra de conexión a la la tensión Auxiliar que esté disponible, en el tiempo más breve posible, no pudiendo estar en ningún momento ambas conectadas. Un enclavamiento mecánico entre los interruptores impide esta posibilidad, lo que hace inevitable el paso por un"cero" de tensión. El empleo de las conmutaciones automáticas está indicado en hospitales, instalaciones industriales, edificios comerciales, locales de pública concurrencia, espectáculos, etc, donde una falta de suministro puede provocar graves daños a las personas, pérdidas económicas o situaciones de pánico en el público.

3.8.3.2 Los interruptores El poder de corte y la protección magnetotérmica de los interruptores debe elegirse en función de las características de las fuentes y la red a proteger. Por ejemplo: un interruptor de alto poder de corte con curva estándar, en el lado de suministro por transformador, y un interruptor con poder de corte estandar y disparador de curva magnética baja en el lado de suministro por generador. Cualquier combinación entre ellos es posible. Para evitar que, durante el suministro con red, microcortes o pequeñas incidencias, provoquen una desconexión innecesaria, el interruptor de la fuente Normal abre mediante una bobina de disparo (bobina con retención mecánica en caso de contactores), para asegurar que la maniobra sólo se inicia cuando la tensión de Grupo está verdaderamente disponible; mientras que en el de la fuente auxiliar, si es un Generador, el interruptor abre mediante bobina de mínima tensión para asegurar que está desconectado cuando el generador está parado o se ha activado alguna alarma (presión de aceite, temperatura, etc).

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3.8.3.3 Los enclavamientos mecánicos El enclavamiento mecánico impide realizar maniobras manuales incorrectas. Depende del tipo de maniobra deseada y del número de interruptores que intervienen en ella.

Equipo de control de la conmutación de Red/Grupo automatizado. Se puede observar que el sistema verifica la tensión y frecuencia de Red/Grupo, así como las condiciones de carga

Conmutación de Red/Grupo motorizado 3.8.4 Conductores La ITC-BT-40 del REBT indica que los conductores de conexión entre la unidad generadora y la red del edificio estarán dimensionados para una intensidad no inferior al 125% de la máxima intensidad del generador. La caída de tensión entre el generador y el punto de interconexión a la instalación interior no será superior al 1,5% para la intensidad nominal.

4 4.1

Cálculo del Grupo Electrógeno Cargas

El paso más importante en el dimensionamiento de un grupo electrógeno es identificar todos los tipos y tamaños de cargas a los que el grupo electrógeno dará energía. En general, cuando no hay presentes cargas no-lineales, quizás sea necesario elegir un alternador más grande de lo necesario. La siguiente es un estudio general sobre cómo las varias cargas y los factores eléctricos afectan el dimensionamiento de los grupos electrógenos. • Factor de potencia: Las inductancias y capacitancias en los circuitos de carga CA ocasionan que el punto donde la onda de corriente sinusoidal atraviesa el cero se adelante o atrase con respecto al punto donde la onda del voltaje atraviesa el cero. Cargas de capacitancia, motores sincrónicos sobreexcitados, etc. provocan el factor de potencia capacitivo, donde la corriente se adelanta con respecto al voltaje. El factor de potencia inductivo, donde la corriente se atrasa con respecto al voltaje, es © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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generalmente la situación más habitual y es un resultado de la inductancia del circuito. El factor de potencia es la relación de kW a kVA y se expresa como una cifra decimal (por ejemplo, 0.8) o, no tan frecuente, como un porcentaje (80%). Los grupos electrógenos trifásicos están clasificados por lo habitual para cargas de factor de potencia 0.8 (por sus alternadores) y los grupos electrógenos monofásicos para cargas 1.0 FP. Los factores de potencia inferiores requieren alternadores o grupos electrógenos más grandes para soportar la carga correctamente. Se debe ser precavido siempre que se apliquen grupos electrógenos a cargas con factor de potencia capacitiva. Carga con un factor de potencia ligeramente capacitivos puede ocasionar que los grupos electrógenos pierdan el control del voltaje. • Cargas monofásicas y desequilibrio de carga: Las cargas monofásicas deben distribuirse tan equitativamente como sea posible entre las tres fases de un grupo electrógeno trifásico para utilizar la capacidad del grupo electrógeno por completo y limitar el desequilibrio. • Cargas pico: Las cargas pico son causadas por cargas que se encienden y apagan en ciclos, como por ejemplo en equipos para soldadura, equipos de imágenes de uso médico o motores. Considerar las cargas cíclicas puede incrementar significativamente el tamaño del grupo electrógeno recomendado a pesar de los grandes esfuerzos para colocar las cargas en una secuencia de arranque medida. • Cargas de motor: Calcular las cargas específicas de motores es algo que se hace mejor con programas de software para el dimensionamiento que convertirán los tipos de motores en requerimientos de carga para el arranque y la operación. Para este estudio, sin embargo, es suficiente caracterizar en grandes rasgos las cargas como cargas de alta inercia o baja inercia a fin de determinar la potencia del motor necesaria para las cargas de arranque y aceleración del motor. < Las cargas de baja inercia incluyen ventiladores y ventiladores centrífugos, compresores giratorios y bombas giratorias y centrifugas. < Las cargas de alta inercia incluyen elevadores, bombas de cilindros únicos o múltiples, compresores de cilindros únicos o múltiples, trituradoras para rocas y bandas transportadoras. • Motores de más de 50 CV: Un motor grande que arranca inicialmente con un grupo electrógeno representa una carga de baja impedancia mientras esté en una condición de rotor fijo o detenido. El resultado es una alta corriente de inserción, por lo general, seis veces la corriente nominal del motor (operación). Esta alta corriente de inserción ocasiona la caída de voltaje en el generador que puede afectar otros sistemas. La manera en que el voltaje del generador se recupera de esta caída es una función de los tamaños relativos del generador, el motor, la potencia del motor (capacidad en kW) y la capacidad de fuerza de excitación del generador. Dependiendo de la severidad de la carga, el generador debe tener un tamaño suficiente para recuperarse al voltaje clasificado en unos cuantos segundos, si no en ciclos. Hay varios tipos de arrancadores de motores de voltaje reducido disponibles para reducir los kVA inicial de un motor en aplicaciones donde el par motor reducido del motor sea aceptable. Reducir los kVA inicial del motor puede reducir la caída del voltaje, el tamaño del grupo electrógeno y brindar un arranque mecánico más suave. Sin embargo, estos métodos de arranque solamente deben aplicarse en cargas de motores de baja inercia a menos que pueda determinarse que el motor producirá un par motor de aceleración adecuado durante el arranque. • Motores accionados por variadores de frecuencia (VFD): Los accionamientos de frecuencia variable (o velocidad variable) se aplican a cargas no © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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lineales, que se emplean para controlar la velocidad de motores de inducción, inducir distorsión en el voltaje de salida del generador. Se requieren alternadores más grandes para prevenir el sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas inducidas por el VFD y para reducir la distorsión de voltaje del sistema al disminuir la reactancia del alternador. Por ejemplo, las cargas VFD en un generador deben ser menos de aproximadamente el 50 por ciento de la capacidad del generador para limitar la distorsión armónica total a menos del 15 por ciento.

4.1.1 Otras cargas • Cargas de suministro de energía ininterrumpibles (UPS): Un sistema UPS utiliza un rectificador y otros dispositivos estáticos para convertir el voltaje CA en voltaje CC para cargar baterías de almacenamiento y son otro tipo de carga no lineal. Se requieren alternadores más grandes para prevenir el sobrecalentamiento debido a las corrientes armónicas inducidas por los rectificadores y para limitar la distorsión de voltaje del sistema al disminuir la reactancia del alternador. Problemas anteriores de incompatibilidad entre los grupos electrógenos y los dispositivos UPS estáticos crean muchos malos entendidos sobre el dimensionamiento de grupos electrógenos para este tipo de carga. La mayoría de los fabricantes de UPS han solucionado estos problemas y, actualmente, es más rentable requerir dispositivos UPS que sean compatibles con el grupo electrógeno que tener un generador significativamente más grande que lo necesario para el UPS. • Cargas del cargador de batería: Un cargador de batería es una carga no lineal que requiere un alternador grande en base al número de rectificadores (pulsos), hasta 2.5 veces la carga de operación constante para tres pulsos; hasta 1.5 veces la carga de operación constante para 12 pulsos. Por lo general, estas cargas se encuentran en sistemas de telecomunicaciones. • Cargas de equipos para imágenes de uso médico: Incluyen equipos para tomografías computarizadas, resonancias magnéticas y rayos X. El grupo electrógeno debe tener un tamaño que limite la caída del voltaje a 10 por ciento cuando el equipo de imágenes para uso médico se opera con todas las otras cargas en ejecución para proteger la calidad de las imágenes. • Cargas de iluminación: Además de los voltajes de los focos, se deben considerar los voltajes de balastros y los factores energéticos de arranque y operación. • Cargas regenerativas: Para cargas como las de elevadores, grúas y montacargas, se depende a menudo de la fuente de energía para que absorba la energía durante el frenado. Por lo general, no es un problema cuando el servicio público suministra la energía porque se puede considerar como una fuente de energía infinita con muchas cargas. Un grupo electrógeno, en comparación, es capaz de absorber mucha menos energía, especialmente sin otras cargas conectadas. Por lo general, el problema de regeneración se puede resolver asegurándose que haya otras cargas conectadas que puedan absorber la energía regenerativa. Una carga regenerativa excesiva puede ocasionar que un grupo electrógeno acelere en exceso y se apague.

4.1.2 Secuencia medida de cargas En muchas aplicaciones el grupo electrógeno tiene un tamaño suficiente para absorber todas las cargas en un paso. En algunas aplicaciones es ventajoso iniciar las cargas que causan la mayor demanda inicial primero y después el resto en pasos múltiples, la regla del © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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“motor más grande primero”. Es posible que se requieran inicios de cargas en secuencia para arrancar las cargas de emergencia y seguridad vital en menos de diez segundos, al mismo tiempo que se permiten periodos más largos a otras cargas. En general, un arranque en secuencia permite seleccionar el grupo electrógeno más pequeño con relación a la carga continua. Cuando existen cargas de motor en ciclos, será necesario darle al grupo electrógeno un tamaño suficiente para arrancar el motor más grande en ciclo al final, con todas las otras cargas conectadas.

4.1.3 Necesidades futuras El último paso en la ecuación del dimensionamiento se refiere a las necesidades futuras. El uso de energía no es fijo y tiende a crecer con el paso del tiempo. Por lo tanto, todos los ejercicios de dimensionamiento de grupos electrógenos necesitan considerar la expansión del sistema. Incluso con sofisticadas soluciones de programas de software, la decisión final sobre el tamaño del grupo electrógeno necesita hacer una valoración con criterio. Y, mientras más se conozca sobre los parámetros que afectan el dimensionamiento, mejor será la selección.

4.2

Principios del calculo Se partirá de la siguiente formula, en la que se indican en esta ocasión las unidades:

Para el cálculo de los kVA se toma la expresión, se sustituyen en ella los valores indicados y se añade un factor corrector X a multiplicar, que sera el incremento correspondiente a la punta de arranque. Para ello se toman unos valores dependiendo de los motores, según su exigencia en el momento del arranque: • • • •

Motores de arranque ligero: Motores de arranque medio: Motores de arranque gravoso: Motores en funcionamiento:

X=3 X=4 X=6 X=1

De esta clasificación concluiremos que, para el arranque directo, la formula a emplear sera:

En máquinas de arranque estrella-triangulo, la punta de energía solicitada es de 1/3 de la que alcanzaría en arranque directo, siendo la formula:

En orden de marcha, el factor corrector toma el valor 1 y la formula es la misma que la expuesta para el arranque directo. Se debe recordar una fórmula habitual en el trabajo con motores: © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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Ejemplo: un motor de 4,5 CV þ

4.3

Clasificación de motores (cargas)

Se puede tomar en consideración la siguiente clasificación de motores para el cálculo de las potencias de arranque: Arranque ligero • • • • •

4.4

Turbinas Ventiladores y extractores Bombas de superficie Máquinas herramienta Máquinas de arranque en vacío

Arranque medio • • • • •

Reductoras de velocidad Cintas transportadoras Bombas sumergidas Compresores Máquinas de arranque bajo carga

Arranque gravoso • • • • •

Grúas Aparatos de elevación en general Discos de corte Pulidoras de suelo Máquinas de arranque bajo carga de grandes masas

Consideraciones importantes a tener en cuenta

Cuando en los cálculos se distinga entre motores de arranque ligero, medio o gravoso, se recomienda que en determinadas ocasiones se mida con la tabla de arranque gravoso algunas maquinas que puedan considerarse de arranque medio, a fin de no "quedarnos cortos" en la elección del grupo. Otra consideración importante que surge al comparar entre los motores de arranque directo y arranque estrella-triangulo, es que debido a la inferior potencia que precisa el grupo electrógeno cuando se usa el segundo sistema (estrella-triangulo), en algunos casos puede ser beneficioso convertir arranques directos en arranques estrella-triangulo, siempre que la función del motor lo permita. Motores de más de 4 kW es adecuado que sean arrancados mediante estrella-triángulo. Es conveniente, en el caso de que existan diversos motores en una instalación, desplazar en el tiempo el arranque de los mismos, de forma que estos no se produzcan al unísono. Así se logrará que no se sumen las potencias necesarias en el arranque. En sistemas de arranque mediante variadores de frecuencia, suelen tomarse factores de corrección X = 2.

4.5

Ejemplo de aplicación

Se finalizará con un ejemplo de cómo estimar la potencia de un grupo electrógeno para un edificio de oficinas en el que se ha decidido asegurar los siguientes servicios: Potencia/Ud

Tipo arranque

Tensión

cos n

1 Ascensor

15 KW

VF

III-400V

0,8

2 Bombas de agua

7,5 KW

ë-Ä

III-400V

0,82

1 Bombeo calefacción

3,5 KW

D

III-400V

0,85

Elemento

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1 Ventilador sobrepresión de escalera

5 KW

ë-Ä

III-400V

0,8

1 Alumbrado pasillos comunes

3,2 KW

230V

1

1 Alumbrado accesos (descarga)

1,2 KW

230V

0,9

Puerta de garaje

750 W

230V

0,85

D

Notas: VF = Arranque mediante Variador de Frecuencia ë-Ä = Arranque Estrella - Triángulo D = Arranque directo A continuación se realizará el resumen de las cargas y se definirán las potencias de partida de cada equipo. Recordar que este cálculo es una estimación y que la potencia final del grupo electrógeno no será mayor a la que se va a calcular, pero si podría ser menor. En cálculos más exactos se deben considerar factores como tipo de cargas lineales o no lineales, factores de uso o simultaneidad de las cargas. Resumen de cargas:

Equipo Ascensor

Potencia Nominal (KW)

Tensión (V)

Tipo de arranque

Factor de arranque

Potencia de arranque (KW)

15

400

VF

2

30

Bomba de Agua

7,5

400

ë-Ä

7,5

Bomba de Agua

7,5

400

ë-Ä

7,5

Bombeo Calefacción

3,5

400

D

Escalera presurizada

5

400

ë-Ä

Iluminación pasillos

3,2

230

-

1

3,2

Iluminación accesos (descarga)

1,2

230

-

1,8

2,16

Puerta garaje

0,750

230

D

4

Total Potencia Nominal (KW)

43,65

3

10,5 5

Total Potencia con factores de arranque (KW)

3 68,86

Según el cálculo, la potencia con los factores de arranque es de 68,86 KW. Sabiendo que los alternadores de los Grupos Electrógenos tienen, por lo general, un factor de potencia de 0,8.

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Por lo tanto la potencia aparente (kVA) del generador será de 86,075 KVA, potencia máxima transitoria solicitada al grupo electrógeno considerando que todos los equipos arranquen simultáneamente. Sin embargo la potencia cuando todos los equipos estén funcionando será de:

Si se pudiera hacer una secuencia de arranque de los equipos, con una carga arrancando a la vez, la condición mas critica para el grupo electrógeno podría ser distinta, quedando este tema a criterio de la propiedad y del proyectista.

5 5.1

Mantenimiento e instalación de grupos electrógenos Instalación y transporte

El lugar adecuado para un grupo electrógeno debería estar insonorizado y provisto de una salida de gases canalizada al exterior, además de estar bien ventilado. Hay que evitar que el grupo "respire" gases de combustión (por ejemplo al estar en un sitio cerrado, con poca ventilación y sin salida directa de humos), ya que el motor se deterioraría rápidamente. La ventilación de la sala deberá garantizar buenas posibilidades de ingreso de aire fresco y salida de aire caliente sin restricciones. Los Grupos Electrógenos requieren de grandes volúmenes de aire para su refrigeración. A modo de referencia, las aberturas de entrada y salida a la sala pueden variar desde 1 m² para los modelos más pequeños, hasta 6 m² para los modelos más grandes. Los gases de escape deberán salir a un espacio libre y bien ventilado de forma natural, por ejemplo, la cubierta de un edificio. Nunca descargue los gases de escape en un recinto cerrado. Verifique que el sistema de escape una vez terminado no tenga fugas dentro de la sala. Es conveniente que los tramos interiores a la sala tengan aislamiento térmico para evitar contactos accidentales con zonas calientes. Se puede proteger al alternador de un grupo electrógeno de tres diferentes maneras: a) Protección magnetotérmica: La protección preserva el alternador contra sobrecarga y cortocircuito. En el caso de sobrecarga la protección magnetotérmica será desconectada. Cuanto más grande sea la sobrecarga, más breve será el tiempo de desconexión. En el caso de cortocircuito la protección siempre sera desconectada inmediatamente. b) Protección diferencial para los trabajadores: La protección de los trabajadores corta inmediatamente la corriente si ocurre una falta de aislamiento entre una fase y la tierra de más de la intensidad de defecto esperada. La protección de los trabajadores salvaguarda al usuario contra descargas eléctricas en caso de contacto indirecto. Además la protección de los trabajadores sirve para proteger contra cortocircuito (y sobrecarga). Un terminal para toma de tierra es sin embargo siempre necesario. Cuando se quiere conectar una soldadora al grupo electrógeno, se debe verificar que el grupo electrógeno es más fuerte (tiene más kVA) que la soldadora. En caso contrario el alternador sufrirá serios daños y los condensadores internos pueden explotar. En general no se aconseja utilizar una soldadora conectada a un grupo electrógeno, excepto cuando se © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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dispone de gran cantidad de potencia y una protección magnetotérmica adecuada. A fin de garantizar el buen funcionamiento del grupo para su uso con sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI o UPS en inglés), se debe incluir regulación electrónica de velocidad y sistema de excitación por Imán Permanente como parte del equipo. El regulador electrónico de velocidad sirve para que ante la caída de frecuencia motivada por la aplicación de una carga de importancia, la frecuencia se recupere rápidamente para volver a alcanzar los 50 Hz. En máquinas con regulación mecánica en lugar de electrónica, la frecuencia se recuperará con más lentitud y podrá quedar con cierta diferencia respecto a los 50 Hz. En muchas aplicaciones, esto no representa ningún problema; sin embargo existen algunos equipos (SAIs, equipos para medicina de diagnóstico, o equipamientos electrónicos en general) que no aceptan esta diferencia. Los equipos fijos entre 20 KVA y 400 KVA pueden ser transportados en camiones aptos para cargas desde 1500 kg. hasta 5000 kg. Preferentemente del tipo plataforma o con laterales desmontables para facilitar la carga. Los equipos fijos entre 400 KVA y 1000 KVA, requieren camiones aptos para transportar contenedores ISO de 20' de longitud (6 m.). Los equipos fijos de más de 1000 KVA requieren camiones aptos para transportar contenedores ISO de 40' de longitud (12 m). Estos contenedores tienen la particularidad de ser más altos que el resto, por lo que el camión tiene que ser de una altura especial para no sobrepasar el límite admisible de avenidas y rutas.

5.2

Uso y Mantenimiento

Excepto los motores de dos tiempos, todos los demás utilizan aceite para la lubricación, debiéndose cambiar periódicamente cada cierto número de horas de funcionamiento. Para contabilizar el número de horas que funciona el grupo, hay que tener (sino lo lleva el grupo de origen) un contador de horas, que se instala a partir de una derivación de la línea que va del grupo, a la caja de protecciones. Además, en los motores de gasolina, hay que limitar y cambiar, si es necesario, las bujías. También hay que limpiar el filtro de aire y el del combustible, y cambiar el del aceite, si disponen del mismo. Si el grupo tiene que estar largos períodos sin funcionar, es conveniente dejarlo de vez en cuando un rato en marcha (cada mes o dos meses). Por otra parte, si utiliza una mezcla de gasolina y aceite, es preferible vaciar el depósito durante los períodos en que está parado, y emplear una mezcla nueva cuando se vuelva a necesitar. Si bien algunos grupos electrógenos son equipos autónomos para funcionamiento sin vigilancia, es necesario un mínimo de instrucción del personal que estará a cargo de la operación del mismo. Esta instrucción es realizada por personal técnico de la empresa proveedora durante la puesta en marcha de cada uno de los equipos. Si se usa un motor Diesel, el combustible utilizado es Gas Oil que se comercializa en las Estaciones de Servicio. El consumo de cada equipo se indica en la ficha técnica correspondiente. La capacidad del tanque de combustible en una máquina para funcionamiento en emergencia, deberá posibilitar una autonomía de aproximadamente 8 horas a plena carga. Si la máquina es para funcionamiento continuo, deberá instalarse un tanque similar al anterior en las proximidades del equipo, más un tanque de reserva cuya capacidad no implique reposiciones muy frecuentes, y ubicado en una zona de fácil acceso para el proveedor de combustible. Recuerde que el gas oil se degrada con el tiempo, por lo que no es conveniente © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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tener grandes cantidades de combustible inmovilizado. El tiempo mínimo en el que un grupo estará en condiciones de asumir la carga es de aproximadamente 10 segs, si está equipado con sistema de precalentamiento (resistencia eléctrica que mantiene el motor con temperatura mientras está parado). Si no está equipado con precalentamiento, entonces se deberá hacer funcionar al Grupo en vacío (sin carga) por aproximadamente 5 a 10 min antes de conectar la carga, dependiendo este tiempo de la temperatura ambiente en el lugar. El precalentador de bloque (o sistema de precalentamiento) es un dispositivo para mantener calefactado al motor del grupo electrógeno mientras está parado. Básicamente está compuesto por una resistencia eléctrica que calienta el líquido refrigerante. La circulación se produce por termosifon (es decir, el líquido más caliente asciende, mientras que el líquido más frío desciende dentro del bloque del motor). Este dispositivo se usa para permitir que el grupo tome carga inmediatamente después de haber arrancado, en lugar de hacer funcionar el equipo en vacío (sin carga) hasta que tome temperatura. Algunos fabricantes de grupos electrógenos aseguran que están diseñados para tomar el 100% de su potencia en kW en un solo paso. Esta característica da la certeza de que el grupo posee un sobredimensionamiento implícito, y que su sistema de control trabajará correctamente ante la aplicación de cargas bruscas de gran magnitud. Muchos grupos electrógenos que no cumplen con esta característica, requieren que la carga se vaya aplicando en forma escalonada.

5.3

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Normas de seguridad Consideraciones de tipo genberal: Antes de utilizar el grupo electrógeno es necesario saber cómo parar inmediatamente el mismo, comprender perfectamente todos los mandos y maniobras. Evitar que otras personas (sobre todo niños y ancianos) utilicen el grupo electrógeno sin haberse leído las instrucciones necesarias. Evitar el uso del grupo electrógeno en presencia de animales (nerviosismo, miedo, etc.) y arrancar el motor sin filtro de aire o sin silenciador. No invertir los bornes positivo y negativo de las baterías durante su montaje. La inversión de polaridad puede entrañar graves desgastes en el equipamiento eléctrico. Evitar cubrir el grupo electrógeno con algún material durante sufuncionamiento o tras su parada (esperar que se enfríe), ni con una fina capa de aceite con el fin de protegerlo del ataque del óxido.

Consideraciones sobre riesgos de electrocución: • Los grupos electrógenos suministran corriente eléctrica durante su uso. • Evitar tocar cables desnudos o conexiones desconectadas. • Evitar manipular un grupo electrógeno con las manos o los pies húmedos. • Evitar exponer el equipo a salpicaduras de líquido, suelo húmedo o a la intemperie. • Mantener los cables eléctricos y conexiones en buen estado. • Proveer de un dispositivo de protección diferencial entre el grupo electrógeno y los aparatos si la longitud de los cables que utiliza es superior a 1 m. • Utilizar cables flexibles y resistentes con funda de goma conforme a la norma CEI 245-4 o equivalentes (0,6/1KV). • Cuando se conecta el grupo electrógeno de reserva a red eléctrica ya existente, se deberá tener en cuenta las diferencias de funcionamiento del equipamiento. • La protección contra descargas eléctricas depende de unos disyuntores previstos especialmente en el grupo electrógeno. Si estos se reemplazan se deberá hacer por otros que tengan valores nominales y características idénticas. Consideraciones sobre riesgos de incendio © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.1 - Ene 14 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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Evitar llenar el deposito de combustible mientras el grupo electrógeno esté en funcionamiento o con el motor en caliente. Limpiar cualquier rastro de combustible con un trapo limpio. Evitar fumar, aproximar una llama o provocar chispas cuando se llena el deposito. Alejar cualquier producto inflamable o explosivo (gasolina, aceite,...) cuando el grupo esté en marcha. Colocar siempre el grupo electrógeno sobre un suelo nivelado, llano y horizontal, con el fin de evitar que el combustible del depósito se vierta sobre el motor. El almacenamiento de los productos petroleros y su manipulación se realizará conforme a las disposiciones legales. Consideraciones sobre riesgos de quemaduras Evitar tocar el motor y el silenciador durante el funcionamiento del grupo electrógeno o durante unos minutos tras su paro. Asegurarse de que se dispone una buena ventilación y usar una máscara de protección durante la inyección. Debido a que algunos aceites de conservación son inflamables y peligrosos si se inhalan. Asegurarse de que el sistema no está bajo presión antes de cualquier intervención. No arrancar con el tapón de llenado de aceite fuera de su sitio, para evitar el riesgo de salpicar aceite caliente. Consideraciones sobre protección del medio ambiente Examinar periódicamente el silencioso. Para asegurar su eficacia evitar un silenciador con fugas que provoca un aumento del nivel de ruido en el grupo electrógeno. Nunca derramar ni vaciar el aceite del motor en el suelo, sino en un recipiente previsto al efecto o en los talleres que pueden recuperar el aceite usado. Evitar la reverberación del sonido en muros u otras construcciones, pues se amplia el volumen del sonido. Si el silenciador del grupo electrógeno no viene equipado con parachispas, y se ha de utilizar en zonas de vegetación, vigilar que las chispas no provoquen un incendio desbrozando una zona suficientemente amplia en el lugar en el que se prevea emplazar dicho grupo. Consideraciones sobre el nivel de ruido El nivel sonoro depende del tipo de motor (gasolina o diesel), el número de revoluciones y el tipo de refrigeración. Un motor de gasolina es más silencioso que un motor diesel. Una velocidad de giro de 1500 rpm es más silencioso que 3000 rpm. Un motor refrigerado por agua es más silencioso que refrigerado por aire La normas Europeas 2000/14/EC dicen que los grupos electrógenos deben situarse entre LwA95 para potencia de 1KVA y LwA98 para 1000 KVA como valores límite.

LwA es una unidad para medir el nivel sonoro al igual que dB. LwA95 corresponde por ejemplo con 70 dB(A) a 7m de distancia. La conversión de LwA a dB(A) a 7m se hace de la manera siguiente: dB(A) a 7m = LwA - 25 La conversión de dB(A) a 4m se hace de la manera siguiente: dB(A) a 4m = LwA - 20 La conversión de dB(A) a 0m se hace de la manera siguiente:

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dB(A) a 0m = LwA - 0 = LwA.

Bibliografía ‚ Fabricantes: MOSA. TAIGÜER. ELECTRA-MOLINS. HIMOINSA. GESAN. NORO & RAFFAELLI. GENESAL JCB CUMMINS BALDOR KOHLER INGELEC Europower Generators

http://www.mosa.es/ http://www.taiguergeneradores.com/ http://www.electramolins.es/ http://www.himoinsa.com/Home.aspx http://www.gesan.com/ http://www.nrelectricidad.com/ http://www.genesal.com/es http://www.jcbgenerators.com/ http://cumminspower.com/en/products/generators/ http://www.baldor.com/support/Binders/bind2401.asp http://www.kohlerpower.com/index.htm http://www.grupoingelec.es/ http://www.europowergenerators.com/index.php?lang=es

‚ Artículos técnicos: http://www.mosa.es/media/File/noticias-prensa/articulo-MOSA-CV-Energia-n101-Febrero06.pdf http://www.nrelectricidad.com/pautas_para_elegir.pdf http://www.youtube.com/user/nororaffaelli http://lawebtecnica.freevar.com/elmec/grupelec/grupelec.html. Prof. Daniel Luszczyk. Agosto de 2001 “Cómo dimensionar un grupo electrógeno: La correcta selección del tamaño del grupo electrógeno requiere del análisis de parámetros y cargas”. Información técnica de Cummins Power Generation Inc. 2007 ¿Cómo seleccionar un grupo electrógeno?. Ingeniero C. Zamorano, IR Bobcat Chile S.A. Sizing gensets for motor starting. KOHLER NTP 142: Grupos electrógenos. Protección contra contactos eléctricos indirectos. Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo Guía de diseño de instalaciones eléctricas. Capítulo N - Generadores y cargas específicas. 2008, Schneider Electric.

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