GRUPOS ELECTRÓGENOS 1 Introducción Un grupo electrógeno es una máquina que mueve un generador eléctrico a través de un motor de combustión interna. 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. 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. A lo largo de este documento, se mostrarán unas tablas que no son otra cosa que una conversión de CV o kW, de modo que el valor resultante sea expresado en kVA (que es la unidad por la cual se mide un grupo electrógeno). Estas tablas proporcionan, junto con el sistema de los principios usados para su cálculo que se muestran a continuación, un método práctico y experimentado que nos permitira conocer la potencia necesaria del grupo electrogeno que se precisa. Obviamente, se trata de un metodo aproximado aunque ofrece la aproximacion suficiente. © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.0 - May 13 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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En cualquier caso, es un metodo mucho mas eficaz que otro que suele utilizarse a menudo, consistente en otorgar una equivalencia entre los CV del motor (receptor de energia) y los kVA del grupo electrogeno (emisor de energia), sin tomar en consideracion algo tan importante como los arranques de los motores. Tambien 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 regimen nominal (es decir, en orden de marcha), por lo que se podrá observar en las tablas que siguen una primera columna en la que se expresa el valor necesario para el arranque, y una segunda columna en la que encontrara el valor para la marcha. Hay que hacer notar que las tablas sirven para la relación máquina - grupo electrógeno, o sea, el grupo electrógeno se calcula para sólo una carga. Para el cálculo de un grupo electrógeno para varias cargas, se debería hacer un cálculo más complejo.

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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:

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Ejemplo: un motor de 4,5 CV þ

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

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

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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.

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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.

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b.

2.

¿Qué zonas deben continuar con iluminación básica? Se deberá calcular en base a la cantidad total de fuentes lumínicas, multiplicado por el consumo expresado en vatios de cada una de ellas, y el total se dividirá por 1.000, para obtener kW.

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. b.

c. d.

3.

Potencia necesaria para cubrir las necesidades presentes y futuras. 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.) Normativas legales a cumplir (eléctrica, ruido, emisión de gases y partículas, ...). Lugar donde serán instalados el o los equipos (bajo techo, intemperie, elevación sobre el nivel del mar, ambientes polvorientos, etc.)

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.

b.

c. d.

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? 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. Proveedores con capacidad técnica y logística que permitan cumplir con lo ofrecido. 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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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

Elemento

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1 Bombeo calefacción 1 Ventilador sobrepresión de escalera

3,5 KW

D

III-400V

0,85

5 KW

ë-Ä

III-400V

0,8

1 Alumbrado pasillos comunes

3,2 KW

230V

1

1 Alumbrado accesos

1,2 KW

230V

1

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 partida (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

1,2

230

-

1

1,2

Puerta garaje

0,750

230

D

4

3

Total Potencia Nominal (KW)

43,65

3

10,5 5

Total Potencia con factores de arranque (KW)

67,9

Según el cálculo, la potencia con los factores de arranque es de 67,9 KW. Sabiendo que los alternadores de los Grupos Electrógenos tienen, por lo general, un factor de potencia de 0,8. © Jose Enrique Castro Sánchez (JECS) IES Politécnico Jesús Marín - Ver. 1.0 - May 13 GRUPOS ELECTRÓGENOS

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Por lo tanto la potencia aparente (kVA) del generador será de 84,875 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:

Sin embargo, 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.

7

Tipología de grupos electrógenos Los grupos electrógenos se pueden clasificar en función de varios parámetros:

• • • • • • • •

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.

7.1

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) 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 modelos de gasoil son equipos destinados a proveer de medianas a grandes potencias. 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 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.

7.2

Ubicación

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