Como calcular y dimensionar generadores eléctricos o grupos electrogenos. !!! PREMIUM !!!

Un grupo electrógeno es una fuente limitada de energía, tanto en caballos de potencia disponibles en el motor como los kVA disponibles del generador.

El grupo electrógeno es un acople de (motor diésel + generador eléctrico) y como tal, debe ser lo suficientemente grande para arrancar y hacer funcionar cargas generales y principalmente motores eléctricos.

Supongamos este caso: Se ha perdido la energía normal, su grupo motor-generador (grupo electrógeno) se pone en marcha y alcanza la velocidad.

Ahora se desea poner en marcha algunos motores grandes clave para su operación. De repente, las bobinas de retención del motor de arranque se caen, los contactos del motor de arranque vibran y algunos motores se detienen debido a un par insuficiente para la aceleración. ¿Te puede pasar esto a ti? Seguro que puede, si no ha dimensionado su grupo electrógeno correctamente.

Todos sabemos que los motores consumen una alta corriente de entrada durante el arranque: típicamente seis veces la corriente a plena carga. Pero, las corrientes de entrada para los motores de alta eficiencia especificados hoy en día son casi el doble de esa cantidad. Los motores con cargas de alta inercia también pueden requerir hasta tres veces la potencia nominal durante el arranque.

Es común que los requisitos de kVA de arranque del motor determinen el tamaño del conjunto. Sin embargo, los siguientes factores también juegan un papel clave en el dimensionamiento de los grupos electrógenos:

• Armónicos causados ​​por variadores de frecuencia.
• Utilización de motores de alta eficiencia.
• Arranque secuencial de motores.

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Dimensionamiento de grupos electrógenos

Puede dimensionar un grupo electrógeno con cálculos manuales (usando una hoja de trabajo que puede ser en excel) o con el software para PC disponible en la mayoría de los principales fabricantes de grupos electrógenos, como ejemplo mas adelante les presentamos videos de uso del SpecSize de la compañía de generadores eléctricos CAT. El proceso básico es el mismo. Siempre es mejor utilizar datos reales (si se conocen).

Si no cuentas con mucha información, la mejor opción es usar un software de dimensionamiento, ya que gran parte de la información requerida sobre las características de carga típicas está disponible como información predeterminada.

Si utiliza el procedimiento de dimensionamiento manual, debería resultar en un voltaje de recuperación de al menos el 90% del voltaje nominal y una caída de voltaje instantánea de inicio de aproximadamente 20% a 40%.

Es probable que la caída instantánea de voltaje y de frecuencia varíe de un fabricante a otro, según las características de los grupos electrógenos. Para una estimación más cercana del rendimiento transitorio (voltaje instantáneo de inicio), use el software de dimensionamiento del fabricante.

Calculo de generadores eléctricos o grupo electrógeno usando el procedimiento de dimensionamiento manual

Paso 1: Recopile información. Necesitará saber lo siguiente para cada carga:

• • Placa de identificación hp.
  • kilovatios funcionamiento (RkW).
  • kilovoltios-amperios funcionamiento (RkVA).
  • Factor de potencia en funcionamiento (RFP).
  • Factor de potencia en arranque (SFP).
  • Rotor bloqueado kVA / hp.

Puede utilizar la siguiente ecuación para calcular RkW y RkVA de funcionamiento para motores:

• • RkW = [(hp de placa de identificación) x (0,746kW)] / eficiencia (ecuación 1)
  • RkVA = RkW / PF del motor en funcionamineto (ecuación 2)

Para calcular los kilovoltios-amperios de arranque (SkVA) y los kilovatios arranque (SkW) para motores, utilice estas ecuaciones:

• • SkVA arranque = (hp de placa de identificación) x (kVA / hp de rotor bloqueado) (ecuación 3)
  • SkW arranque = (SkVA) x (FP de arranque ) (ecuación 4)

Paso 2: Sume los números RkW, RkVA, SkW y SkVA para todas las cargas.

Paso 3: Seleccione el grupo electrógeno comparando RkW, RkVA, SkW y SkVA con las clasificaciones en las hojas de especificaciones del fabricante

Paso 4: Realice en conjunto con el fabricante la reducción adecuada de potencia por la temperatura ambiente y la altitud.

Ejemplo 1 de cálculo de grupo electrógeno o generador eléctrico

Determine el tamaño del grupo electrógeno para tres cargas que arrancan simultáneamente. La información de las cargas es la siguiente:

Dos motores de 200 hp, código G, eficiencia de funcionamiento: 92%, Factor de potencia de arranque: 0,25 , Factor de potencia de funcionamiento: 0,91.

Un total de 100 kVA de iluminación fluorescente, Factor de potencia de arranque de 0,95 y factor de potencia en funcionamiento de 0,95 (Nota: aquí estamos usando los términos Factor de potencia de arranque y funcionamiento de la carga de iluminación para comparar con las cargas del motor. En realidad, el balasto para la carga de iluminación tiene un Factor de potencia constante de 0,95.).

Paso 1: Recopilación de información y cálculos

Motor de 200 HP:

RkW funcionamiento = (200 Hp x 0,746 kW) / 0,92 = 162,2 kW, el factor de conversión de Hp a kW es 0.746kW por cada Hp.

RkVA funcionamiento = 162.2kW / 0.91 = 178.2kVA, la formula de conversión de kW a kVA es: kVA=kW/F.P.

SkVA Arranque = (200 Hp x 5,9 kVA) = 1180kVA, el factor de conversión de Hp a kVA es 5.9kVA por cada Hp.

SkW Arranque = 1180kVA x 0,25 PF = 295kW, la formula de conversión de kVA a kW es: kW=kVA x F.P

Iluminación fluorescente:

RkW funcionamiento = 100kVA x 0,95 PF = 95kW, la formula de conversión de kVA a kW es: kW=kVA x F.P

RkVA funcionamiento = 100 kVA

SkVA Arranque = 100 kVA

SkW Arranque = 100kVA x 0,95 PF = 95kW, la formula de conversión de kVA a kW es: kW=kVA x F.P

Paso 2: Sumar los cálculos y totalizar

Cargas	RkW	RkVA	SkW	SkVA
Motor 1 de 200 Hp	162,2	178,2	295	1180
Motor 2 de 200 Hp	162,2	178,2	295	1180
Iluminación	95	100	95	100
Totales	419,4	456,4	685	2460

Paso 3: Selección de grupo electrógeno

Como mínimo, tendrá que dimensionar el grupo electrógeno para satisfacer las demandas máximas de arranque y las cargas de funcionamiento en estado estable de los equipos conectados.

En este ejemplo (usando los datos publicados por un fabricante), usted seleccionaría un grupo electrógeno de SkW de 750kW con 2944 SkVA (kW y kVA de arranque) disponible a un voltaje de recuperación del 90% para suministrar la carga total SkVA de 2460.

Los totales de carga para RkW (kW funcionamiento), RkVA (kVA funcionamiento) y SkW (kW arranque) están dentro de los límites nominal del grupo electrógeno de 750kW (938kVA) que seleccionó. La carga de kilovatios en funcionamiento de 420 kW es el 56% de la capacidad de reserva del grupo electrógeno de 750 kW.

Como te habrás dado cuenta gran parte de la selección del grupo electrógeno depende de un conocimiento amplio de lo que comercialmente ofrezcan las marcas de plantas eléctricas principalmente en lo referente a entrega de potencia inicial sin problemas en voltaje, por ello es tan importante realizar los anteriores cálculos como algo preliminar para después ajustarlos con el software del proveedor.

Ejemplo 2 de cálculo de grupo electrógeno o generador eléctrico

Suponga que tiene las mismas tres cargas que en el Ejemplo 1, pero ahora está usando un arrancador de voltaje reducido de tipo autotransformador que se establece en el voltaje de arranque del 65% para arrancar los dos motores. Este ajuste reducirá los kVA de arranque al cuadrado del voltaje (0,65 ²), o 0,42 veces los kVA iniciales.

Paso 1: cálculos

Motor de 200 HP:

RkW funcionamiento= (200 Hp x 0,746 kW ) / 0,92 = 162,2 kW

RkVA funcionamiento = 162.2kW / 0.91 PF = 178.2kVA

SkVA arranque = 200 hp x 5.9 kVA = 1180 x (0,65 ²)  = 495kVA

SkW arranque = 495kVA x 0.25 PF = 124kW

Iluminación fluorescente:

RkW funcionamiento= 100kVA x 0,95 PF = 95kW

RkVA funcionamiento = 100 kVA

SkVA arranque = 100 kVA

SkW arranque = 100kVA x 0,95 PF = 95kW

Paso 2: Sumar los cálculos y totalizar

Cargas	RkW	RkVA	SkW	SkVA
Motor 1 de 200 Hp	162,2	178,2	124	495
Motor 2 de 200 Hp	162,2	178,2	124	495
Iluminación	95	100	95	100
Totales	419,4	456,4	343	1090

Paso 3: Selección de generador eléctrico

Usando los datos publicados por un fabricante, seleccionaría un grupo electrógeno de 450kW para suministrar los kVA de arranque requeridos. La carga de kilovatios en funcionamiento de 420 kW es el 93% de la capacidad en standby del grupo electrógeno. Por lo tanto, si desea un margen para futuras adiciones de carga, debe seleccionar un grupo electrógeno de 500 kW que funcione al 84% de la potencia de reserva nominal.

Dimensionamiento de grupo electrógeno usando el software de fabricante CAT (Caterpillar)

Video de dimensionamiento 1:

Video de dimensionamiento 2:

Video de dimensionamiento 3:

Consideraciones importantes para dimensionar un grupo electrógeno

Al arrancar motores, pueden producirse grandes caídas de voltaje y frecuencia si el grupo electrógeno no tiene el tamaño adecuado. Otras cargas conectadas a la salida del generador pueden ser más sensibles a las caídas de voltaje y frecuencia que el motor o el arrancador del motor, y esto puede causar problemas.

Por ejemplo, una tasa de cambio superior a 1 Hz / seg en la frecuencia del generador puede provocar el mal funcionamiento de algunas unidades UPS estáticas.

Si la carga en el grupo electrógeno es un solo motor grande, particularmente uno que requiere un alto par de arranque, pueden ocurrir varios problemas, entre los que se incluyen: operación sostenida de bajo voltaje que puede causar sobrecalentamiento; tiempos de aceleración de carga extendidos; apertura de disyuntores o dispositivos de protección de motores; paradas de protección del motor-generador; y más.

La capacidad de su grupo electrógeno para arrancar motores grandes sin problemas de bajo voltaje y caída de frecuencia dependen del sistema completo. Esto incluye:

• La potencia del motor-diesel disponible.
• La capacidad del generador.
• La respuesta del sistema de excitación del generador.
• La energía almacenada en la inercia giratoria del grupo electrógeno.
• La aceleración del motor y su carga.

Debe considerar todos estos factores para el tamaño adecuado del grupo electrógeno. Aquí hay una regla simple para estimar el tamaño de un grupo de motor-generador para el arranque de motores: 1kW de capacidad nominal del grupo electrógeno por cada 3/4 a 1 hp de la placa de identificación del motor.

Ósea que si tienes un motor de 200Hp deberás requerir un grupo electrógeno de mínimo 200kW a 250kW, sin embargo este valor no considera el tipo de generador standby, continuo, prime, ni el derrateo de potencia por altitud y temperatura de instalación, ni el arranque de los motores conectados al generador, por lo tanto se recomienda hacer los cálculos mostrados anteriormente para tener datos mas certeros.

¿Que causa la caída del voltaje en el arranque?

Cuando enciende un motor conectado a  un grupo electrógeno, el motor representa una carga de baja impedancia mientras está en el rotor bloqueado o en condición de bloqueo. Esto provoca una alta corriente de entrada.

La alta corriente de arranque del motor (I rms) fluye a través de los devanados del inducido del generador y se ve afectada por la reactancia. Esto provoca una caída en el voltaje del generador. La impedancia controla el flujo de corriente en los circuitos de AC. Pero, la reactancia de la armadura del generador es una parte tan grande de su impedancia total que se ignora la resistencia.

El voltaje del terminal del generador cae instantáneamente cuando los contactos del arrancador del motor se cierran en el tiempo t40, como una función de la reactancia subtransitoria (X «d). Generalmente, cuanto más grande es el generador, menor es su reactancia. Entonces, una forma de minimizar el voltaje instantáneo dip es aumentar el tamaño del generador.

El voltaje del terminal del generador puede caer aún más, dependiendo de la respuesta del regulador de voltaje automático del generador y la capacidad de potencia del sistema de excitación. (La mayoría de los reguladores de voltaje automáticos de grupos electrógenos incluyen protección de baja frecuencia).

Durante sobrecargas momentáneas, la velocidad del motor-Diesel también puede descender. Si lo hace, el regulador de voltaje automático reduce la potencia de excitación al campo principal, lo que reduce el voltaje del terminal del generador. Esto, a su vez, reduce la carga en el motor-diesel, lo que le permite recuperarse a la velocidad nominal. Por lo general, una caída máxima de voltaje en el terminal del generador del 30% no provocará que las bobinas se caigan. (Esto permite una caída de voltaje adicional de aproximadamente un 5% en los conductores entre el generador y el motor).

Aunque la caída de voltaje, debido a la protección de baja frecuencia, puede extender el tiempo de recuperación de voltaje, también permite que el motor-diesel se dimensione más cerca de la carga de funcionamiento en estado estable en lugar de la carga de arranque.

Esto es particularmente importante con los motores diesel, que no deben funcionar durante un período prolongado a menos del 30% de la carga nominal. (El funcionamiento prolongado con carga liviana de un motor diesel puede resultar en la acumulación de combustible no quemado en el sistema de escape, debido a una combustión incompleta, debido a las bajas temperaturas de combustión, lo que se denomina apilamiento húmedo. El funcionamiento con carga liviana también puede resultar en daños al motor-diesel por contaminación de combustible y agua, aceite o lubricante.)

Después de la caída de voltaje inicial, es importante que el generador restaure el voltaje a un valor mínimo del 90% mientras suministra los kVA de arranque del motor. Se necesita al menos un 90% de voltaje de recuperación para que el motor desarrolle el par adecuado para acelerar su carga a la velocidad nominal.

Un motor que arranca con una carga de par de arranque alta, como un compresor cargado, requiere un voltaje de recuperación más alto que uno que arranca un compresor descargado. A medida que el motor acelera, el voltaje aumentará, a medida que disminuye la entrada de kVA de arranque. Una vez que el motor alcanza la velocidad, el voltaje debe volver al valor nominal, si el grupo electrógeno tiene el tamaño adecuado.

Cómo afecta la inercia al tamaño del grupo electrógeno

El momento de inercia de una masa en rotación ofrece resistencia a la aceleración. La carga conectada al eje del motor tiene su momento de inercia, y en situaciones prácticas para equipos específicos, esta puede o no ser información disponible.

Afortunadamente, con el propósito de dimensionar un grupo electrógeno, o más específicamente para determinar la potencia del motor-diesel necesaria para arrancar y acelerar una carga de motor en rotación, el momento de inercia de la carga del motor solo necesita ser categorizado ampliamente como inercia baja o alta.

Las cargas de alta inercia se caracterizan por un alto par de arranque que requiere una aceleración prolongada. Las cargas de baja inercia se caracterizan por un par de arranque bajo en reposo, con un par creciente a medida que aumenta la velocidad del motor, lo que resulta en una rápida aceleración hasta la velocidad nominal.

El arranque con cargas de baja inercia reducirá los kW de arranque normales necesarios.

Ejemplos de inercia alta y baja

Las cargas de alta inercia incluyen:

• Bombas de uno y varios cilindros
• Compresores de uno y varios cilindros sin válvulas de descarga
• Trituradoras
• Ascensores hidráulicos sin válvulas de descarga

Las cargas de baja inercia incluyen:

• Ventiladores centrífugos y sopladores
• Compresores arrancando descargados
• Bombas centrífugas
• Ascensores de motor-generador

Nota: Las bombas que arrancan con alta presión de carga y los ventiladores de gran diámetro o los que arrancan en áreas de alta restricción deben clasificarse como cargas de alta inercia.

Veamos más de cerca el arranque de un motor.

Los motores de inducción tienen características de arranque típicas. La curva de la corriente del motor frente a la velocidad muestra que durante el arranque, el motor consume aproximadamente seis veces su corriente a plena carga; esta corriente permanece alta hasta que el motor alcanza aproximadamente el 80% de la velocidad.

Esta alta corriente de entrada provoca una caída en el voltaje del generador. La potencia eléctrica requerida inicialmente por el motor (con el motor parado) es aproximadamente el 150% de la potencia nominal. La potencia requerida por el motor alcanza un máximo de aproximadamente el 300% de la potencia nominal y el 80% de la velocidad con la tensión total aplicada. Sin embargo, el grupo electrógeno suministra menos del 300% de potencia porque el voltaje de arranque es menor que el voltaje total durante la aceleración y porque la inercia de rotación del grupo electrógeno transfiere energía al motor.

El motor debe desarrollar un par mayor que el requerido por la carga. La curva de par del motor a pleno voltaje está por encima de la curva de par de la carga. La diferencia entre el par desarrollado por el motor y el par requerido por la carga determina la tasa de aceleración. Dado que el par es proporcional al voltaje, cualquier reducción de voltaje significa una reducción proporcional del par.

Un grupo electrógeno del tamaño adecuado admitirá los requisitos de kVA de arranque altos del motor y mantendrá un voltaje de salida suficiente para el motor, de modo que pueda desarrollar el par adecuado para acelerar la carga a la velocidad nominal.

Todos los grupos electrógenos de reserva utilizan generadores síncronos con excitadores. Muchos están disponibles con sistemas de excitación de generador de imán permanente (PMG). El PMG proporciona potencia de excitación independiente del voltaje del terminal del generador. Como tal, puede mantener la excitación completa: incluso durante cargas transitorias, como el arranque del motor. La potencia de excitación completa da como resultado una caída de voltaje menos extensa y mejores tiempos de recuperación.

Usando arranque de voltaje reducido.

Aunque una caída de voltaje a menudo causa varios problemas, una reducción controlada del voltaje en los terminales del motor puede ser beneficiosa, pero solo cuando la reducción del par motor es aceptable.

La reducción de kVA de arranque del motor puede reducir el tamaño requerido del grupo electrógeno, reducir la caída de voltaje y proporcionar un arranque más suave para las cargas del motor. Al dimensionar los grupos electrógenos, primero debe determinar el nivel aceptable de torque del motor requerido durante el arranque, o las cargas se acelerarán lentamente, o incluso no alcanzarán la velocidad máxima, lo que finalmente provocará daños en el motor.

Usando arrancadores de estado sólido.

Los arrancadores de estado sólido pueden ajustar el par de arranque, el tiempo de rampa de aceleración y el límite de corriente para la aceleración controlada de un motor cuando arranca. Con el propósito de dimensionar un grupo electrógeno, el ajuste del límite de corriente reduce la corriente de irrupción y puede usarse para reducir los requisitos de kW y kVA de arranque en el generador.

El rango de ajustes de límite de corriente disponibles es típicamente del 150% al 600% de la corriente de carga completa. Una configuración de límite de corriente del 600% en el arrancador de estado sólido da como resultado un tamaño del grupo electrógeno que es el mismo que un arranque transversal. Un ajuste de límite de corriente del 300% reduce los kVA de arranque en un 50%.

El uso del ajuste de límite de corriente también reduce el par motor disponible para la carga. Desde la perspectiva del dimensionamiento del grupo electrógeno, un tiempo de rampa de aceleración extendido y un ajuste de límite de corriente baja (si es apropiado para el motor y la carga mecánica) resultarían en las mínimas variaciones de voltaje y frecuencia.

Una desventaja del uso de arrancadores de motor de estado sólido es que sus SCR (rectificadores controlados por silicio) integrales causarán distorsión de voltaje. Para compensar, tendrá que sobredimensionar el generador. La recomendación: dos veces la carga de kW en funcionamiento, excepto cuando esté utilizando un bypass automático. Si el arrancador de estado sólido tiene un bypass automático, los SCR solo están en el circuito durante el arranque. Una vez que el motor está funcionando, el contactor de derivación se cierra y desvía los SCR. En este caso, puede ignorar la distorsión de voltaje durante el arranque y no tiene que agregar capacidad del generador.

Los VFD requieren generadores más grandes.

Todas las versiones de variadores de frecuencia (VFD) tienen limitación de corriente y reducen los kW y kVA de arranque. La corriente consumida por estos variadores no es lineal (tiene armónicos), lo que provoca una caída de voltaje distorsionada en la reactancia del generador.

Dado que los VFD no son lineales, debe incluir un factor de dimensionamiento de la capacidad del generador adicional para mantener la distorsión de voltaje a un nivel razonable de aproximadamente 15% de distorsión armónica total (THD) o menos. Cuanto mayor sea el generador, mayor será la reducción de impedancia de la fuente de alimentación (generador), lo que a su vez, reduce los efectos provocados por la distorsión armónica de la corriente.

Para los VFD de seis pulsos, un factor de tamaño del generador típico sería el doble de los kW de funcionamiento del variador. Esto compensa cualquier reducción en los kW y kVA de arranque. Si es del tipo modulado por ancho de pulso (PWM) (o incluye un filtro de entrada para limitar la distorsión de la corriente a menos del 10%), entonces puede reducir el factor de dimensionamiento a 1.4 veces los kW de funcionamiento del variador.

Usando una secuencia de inicio por pasos

La secuencia inicial de cargas puede tener un efecto significativo en el tamaño de un grupo electrógeno. Un enfoque comúnmente utilizado es asumir que todas las cargas conectadas comenzarán en un solo paso. Esto da como resultado una selección de grupos electrógenos mas grandes. A menos que haga algo para agregar carga de manera incremental (como múltiples interruptores de transferencia con retrasos de tiempo escalonados o un controlador de carga escalonada), entonces debe usar una carga de un solo paso para propósitos de dimensionamiento.

En aplicaciones de varios pasos, primero arranca el motor más grande para minimizar el tamaño del grupo electrógeno. Una vez colocadas todas las cargas en línea con el grupo electrógeno, puede detener y comenzar a cargar el equipo con controles automáticos. Aquí, tendrá que dimensionar el grupo electrógeno asumiendo que el motor más grande arranca en último lugar, con todas las demás cargas conectadas ya en línea.