melvin aro - práctica profesional
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UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD NNAACCIIOONNAALL EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL PPOOLLIITTÉÉCCNNIICCAA ““AANNTTOONNIIOO JJOOSSÉÉ DDEE SSUUCCRREE””
VVIICCEE –– RREECCTTOORRAADDOO DDEE PPUUEERRTTOO OORRDDAAZZ DDEEPPAARRTTAAMMEENNTTOO DDEE IINNGG.. EELLÉÉCCTTRRIICCAA
PPRRÁÁCCTTIICCAA PPRROOFFEESSIIOONNAALL
UUNNEEXXPPOO
CCIIUUDDAADD GGUUAAYYAANNAA ,, AAGGOOSSTTOO DDEE 22000044
Realizado por: Br. Melvin Aro CI: 14440203
Tutor Industrial: Ing. Mery Obando
Tutor Académico:
Ing. José Pérez
UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD NNAACCIIOONNAALL EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL PPOOLLIITTÉÉCCNNIICCAA ““ AANNTTOONNIIOO JJOOSSÉÉ DDEE SSUUCCRREE ””
VVIICCEE -- RREECCTTOORRAADDOO DDEE PPUUEERRTTOO OORRDDAAZZ DDEEPPAARRTTAAMMEENNTTOO DDEE IINNGG.. EELLÉÉCCTTRRIICCAA
PPRRÁÁCCTTIICCAA PPRROOFFEESSIIOONNAALL
UUNNEEXXPPOO
CCIIUUDDAADD GGUUAAYYAANNAA,, AAGGOOSSTTOO DDEE 22000044
Br. Melvin Aro CI 14440203
Trabajo de Investigación presentado para cumplir con el requisito de Práctica Profesional necesario
para optar al Titulo de Ingeniero Electricista.
Autor: ARO M., Melvin A. “EVALUAR LAS CONDICIONES ACTUALES Y PROPONER UN ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DEL REGULADOR DE TENSIÓN ELECTRÓNICO TIPO MK-20 EN LA SUBESTACIÓN LAMPO, C.V.G. ALCASA.” 107 Páginas. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre”
Vice-Rectorado de Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Eléctrica. Tutor Académico: Ing. José Pérez Tutor Industrial: Ing. Mery Obando Puerto Ordaz, 2004
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““AANNTTOONNIIOO JJOOSSÉÉ DDEE SSUUCCRREE”” VVIICCEE--RREECCTTOORRAADDOO PPUUEERRTTOO OORRDDAAZZ..
TTRRAABBAAJJOO DDEE GGRRAADDOO
EEvvaalluuaarr llaass ccoonnddiicciioonneess aaccttuuaalleess yy pprrooppoonneerr uunn eessqquueemmaa ddee ffuunncciioonnaammiieennttoo ddeell rreegguullaaddoorr ddee tteennssiióónn eelleeccttrróónniiccoo ttiippoo MMKK--2200 eenn llaa SSuubbeessttaacciióónn LLAAMMPPOO,, CC..VV..GG.. AALLCCAASSAA..
MMeellvviinn AArroo
Aprobado por la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-rectorado Puerto Ordaz
Departamento de Ingeniería Eléctrica
FFiirrmmaass
TTuuttoorr IInndduussttrriiaall IInngg.. MMeerryy OObbaannddoo:: ____________________________________________
TTuuttoorr AAccaaddéémmiiccoo IInngg.. JJoosséé PPéérreezz:: ______________________________________________
i
DEDICATORIA
Éste trabajo ha sido producto de un gran esfuerzo de mi parte y se lo quiero dedicar a:
- DIOS TODOPODEROSO por siempre darme apoyo y empuje en
todos los proyectos que emprendemos juntos.
- Mi familia por estar siempre presente a lo largo de mi carrera
universitaria.
- Mis amigos y todas las personas con quien he compartido mi vida a lo
largo de ésta, puesto que he aprendido lecciones importantes de todas
ellas.
ii
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer principalmente a mis tutores, el Ing. José Pérez y a la Ing. Mery
Obando por apoyarme y estimular mi paciencia y ánimos para seguir adelante.
Al Ing. José Angulo, al Ing. Ángel Girón, al Ing. Elvis Rísquez, al Ing. Gustavo
Bravo y al T.S.U. Efraín Romero por sus comentarios muy útiles acerca del ejercicio
del ingeniero en el sitio de trabajo.
A mi padre, Ing. Melvin Aro por ayudarme en la elaboración del informe con sus
ideas y experiencia personal como ingeniero.
A Fátima Miramare, compañera de clases y distinguida amiga desde mis comienzos
en pre-grado y a lo largo de toda mi carrera.
A todas las personas anteriormente mencionadas y a aquellas otras que para este
momento no recuerdo, pero que significaron mucho para este trabajo; les agradezco
sobremanera toda la ayuda y colaboración prestadas de manera desinteresada para la
realización y culminación de esta investigación. A todos les digo MUCHAS
GRACIAS.
iii
EVALUAR LAS CONDICIONES ACTUALES Y PROPONER UN ESQUEMA
DE FUNCIONAMIENTO DEL REGULADOR DE TENSIÓN ELECTRÓNICO
TIPO MK-20 EN LA SUBESTACIÓN LAMPO, C.V.G. ALCASA.
Autor: Melvin Aro Tutor Académico: Ing. José Pérez
Tutor Industrial: Ing. Mery Obando
RESUMEN
Este trabajo tiene como misión proponer un esquema de funcionamiento para el regulador de tensión electrónico tipo MK-20 ubicado en la subestación LAMPO en C.V.G. ALCASA. La ejecución de esta propuesta mejoraría las condiciones operativas de la S/E anteriormente mencionada ya que dicha subestación fue concebida para operar automáticamente. Para realizar esta tarea se hizo un diagnóstico general de la situación en la que se encuentra el regulador de voltaje, con el fin de determinar el estado actual del equipo, su cableado en la subestación y encontrar las causas por las cuales no opera correctamente. El diagnóstico se realizó comparando la información hallada en los planos con lo que se encontró en sitio; y en función de este diagnóstico se elaboró la propuesta de funcionamiento del regulador. La totalidad de este proceso se logró realizando una investigación de campo en la subestación propiamente dicha.
Palabras Clave: MK-20, Regulador de Tensión, Subestación Lampo.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE - RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
iv
ÍNDICE GENERAL
Pág.
Dedicatoria.......................................................................................................... i
Agradecimientos.................................................................................................. ii
Resumen............................................................................................................... iii
Introducción........................................................................................................ 1
Capítulo I: El Problema..................................................................................... 3
1.1. Planteamiento del problema........................................................................... 3 1.2. Formulación................................................................................................... 4 1.3. Objetivos........................................................................................................ 4
1.3.1. Objetivo general.................................................................................... 4 1.3.2. Objetivos específicos............................................................................ 5
1.4 Justificación.................................................................................................... 5 1.5. Alcance.......................................................................................................... 5 1.6. Delimitación................................................................................................... 6
Capítulo II: Marco Teórico................................................................................ 7
2.1. Antecedentes.................................................................................................. 7 2.1.1. De la Empresa....................................................................................... 7 2.1.2. De la Investigación............................................................................... 8
2.2. Bases Teóricas............................................................................................... 10 2.2.1. Sistema de Potencia.............................................................................. 10 2.2.2. Transformadores................................................................................... 11
2.2.2.1. Polaridad de Voltajes en Transformadores.................................. 13 2.2.2.2. Interconexión de las Bobinas....................................................... 14 2.2.2.3. Partes Básicas de un Transformador............................................ 15
2.2.3. Cambiadores de Tomas......................................................................... 18 2.2.4. Regulador de Tensión Electrónico Tipo MK-20.................................. 21
Capítulo III: Marco Metodológico.................................................................... 30
3.1. Tipo de Investigación..................................................................................... 30 3.2. Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos........................................ 31
3.2.1. Pruebas de Funcionamiento.................................................................. 33 3.2.1.1. Prueba 1: Valor de Referencia.................................................. 35 3.2.1.2. Prueba 2: Ajuste de Tiempo de Retardo................................... 37 3.2.1.3. Prueba 3: Ajuste de Sensibilidad.............................................. 38 3.2.1.4. Prueba 4: Ajuste para Bloqueo a Tensión Reducida................. 39
v
3.2.2. Ajustes del Regulador de Tensión para su Puesta en Marcha.............. 40
Capitulo IV: Resultados..................................................................................... 42
4.1. Revisión del manual del regulador MK-20................................................... 42 4.2. Revisión de los planos del circuito cambiador de tomas con carga............... 43 4.3. Levantamiento de cableado........................................................................... 43
4.3.1. Levantamiento de cableado asociado al Regulador de Tensión Automático tipo MK-20 del Transformador T1............................................. 44 4.3.2. Levantamiento de cableado asociado al Regulador de Tensión Automático tipo MK-20 del Transformador T2............................................. 56
4.4. Pruebas de funcionamiento al regulador MK-20........................................... 68 4.4.1. Resultados de las pruebas aplicadas al Regulador de Tensión Automático MK-20 asociado al T1................................................................ 68 4.4.2. Resultados de las pruebas aplicadas al Regulador de Tensión Automático MK-20 asociado al T1................................................................ 71
4.5. Resumen General de las pruebas realizadas a los reguladores...................... 63 4.6. Propuesta de Funcionamiento........................................................................ 74
Conclusiones........................................................................................................ 78
Recomendaciones................................................................................................ 79
Lista de Referencias............................................................................................ 80
Anexos.................................................................................................................. 81
Anexo A: Manual del Regulador de Tensión Electrónico Tipo MK-20............... 82 Anexo B: Plano 688-613-41-E-719 Hojas 43-46................................................. 98 Anexo C: Plano 688-613-41-E-719 Hojas 43-46................................................. 103
vi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla Título Pág.
3.1 Tabla para el levantamiento de cableado.................................................... 32 3.2 Medidas del ajuste de tiempo de retardo..................................................... 38 3.3 Medidas de ajuste de sensibilidad............................................................... 39 3.4 Medidas de ajuste de bloqueo..................................................................... 40 4.1 Datos recolectados para la Etapa TP del MK 20 asociado al T1................ 45 4.2 Datos recolectados para la Etapa de Maniobra del MK 20 asociado al
T1................................................................................................................ 47 4.3 Datos recolectados para la etapa de Alimentación del Circuito de Control
del MK 20 asociado al T1........................................................................... 49 4.4 Datos recolectados para la etapa de Control Manual del Cambiador de
Tomas con Carga asociado al T1................................................................ 51 4.5 Datos recolectados para la Etapa TP del MK 20 asociado al T2................ 57 4.6 Datos recolectados para la Etapa de Maniobra del MK-20 asociado al
T2................................................................................................................ 59 4.7
Datos recolectados para la Etapa de Alimentación del Circuito de Control del MK-20 asociado al T2.............................................................. 61
4.8 Datos recolectados para la etapa de Control Manual del Cambiador de Tomas con Carga asociado al T2................................................................ 63
4.9 Resultados de la aplicación de la Prueba 2 (Ajuste del tiempo de retardo) al Regulador MK 20 del T1.......................................................... 68
4.10 Resultados de la aplicación de la Prueba 3 (Ajuste de sensibilidad) al Regulador MK 20 del T1............................................................................ 69
4.11 Resultados de la aplicación de la Prueba 4 (Ajuste para bloqueo a tensión reducida) al Regulador MK 20 del T1........................................... 70
4.12 Resultados de la aplicación de la Prueba 2 (Ajuste del tiempo de retardo) al Regulador MK 20 del T2..........................................................
71
4.13 Resultados de la aplicación de la Prueba 3 (Ajuste de sensibilidad) al Regulador MK-20 del T2........................................................................... 72
4.14 Resultados de la aplicación de la Prueba 4 (Ajuste para bloqueo a tensión reducida) al Regulador MK 20 del T2........................................... 73
vii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura Título Pág.
2.1 Diagrama unifilar de un sistema de potencia............................................... 11 2.2 Esquema básico de un transformador.......................................................... 12 2.3 Tipos de conexión entre bobinas de un transformador................................ 14 2.4 Diagrama de una bobina típica de un transformador con cambio de toma. 19 2.5 Diagrama de bloques del regulador de tensión MK-20............................... 23 2.6 Representación de los parámetros de una línea de transmisión corta.......... 24 2.7 Diagrama fasorial de los parámetros de una línea de transmisión corta...... 25 2.8 Diagrama unificar de conexión del MK 20................................................. 25 2.9 Panel frontal del MK 20 con sus respectivos elementos de control............ 28 3.1 Diagrama de conexión para pruebas de funcionamiento del regulador de
tensión.......................................................................................................... 36 3.2 Diagrama de conexión para prueba de bloqueo del regulador de tensión... 39 4.1 Bornera del regulador de MK-20 subdividida en etapas para facilitar el
levantamiento de cableado........................................................................... 43 4.2 Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-719 Pág. 45, Col. 1....... 53 4.3 Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-719 Pág. 45, Col. 2....... 54 4.4 Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-719 Pág. 45, Col. 4....... 55 4.5 Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-720 Pág. 45, Col. 1....... 65 4.6 Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-720 Pág. 45, Col. 2....... 66 4.7 Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-720 Pág. 45, Col. 4....... 67
1
INTRODUCCIÓN
A nivel industrial la aplicación práctica de la electricidad depende de factores
importantes que son inherentes a la calidad del servicio que presta la compañía de
energía. Entre otras cosas, ésta busca proveer a la industria de una potencia eléctrica
que cumpla con normas estandarizadas como por ejemplo: suministrar una tensión
constante o casi constante, el voltaje debe poseer una forma de onda lo más sinusoidal
posible, la frecuencia debe ser constante (para el caso de C.A.), se debe garantizar el
equilibrio de fases (para sistemas polifásicos), etc. Estas normas tienen como misión
garantizar la correcta operación de los sistemas de potencia con la finalidad de
aprovechar la electricidad al máximo y de una manera segura.
Esta investigación está enfocada principalmente en el parámetro relacionado a
proveer una tensión constante o casi constante a la carga ya que centra su atención en
la elaboración de una propuesta para la puesta en marcha del regulador de tensión
automático tipo MK-20. Estos equipos están asociados a los cambiadores de toma
con carga que operan sobre los transformadores T1 y T2 de la subestación LAMPO
ubicada en C.V.G. ALCASA, Puerto Ordaz, Estado Bolívar. Se busca, pues controlar
automáticamente el ajuste de los cambiadores de tomas bajo carga instalados en los
transformadores de potencia T1 y T2 de dicha subestación. Con la ejecución de este
proceso se garantiza que la variación de tensión del sistema no exceda el rango de
tolerancia permitido, tanto para condiciones normales de operación, como para
condiciones de emergencia.
Los reguladores de tensión que se quieren poner a funcionar fueron instalados en el
año 1990, sin embargo por razones de incumplimiento de contrato por parte de
2
la empresa constructora de la S/E nunca llegaron a operar correctamente. En la
actualidad se busca concluir esta obra y para ello se requirió hacer un diagnóstico de
las condiciones actuales de la subestación con el fin de evaluar la factibilidad de su
puesta en marcha y proponer el esquema de funcionamiento más apropiado de
acuerdo a las necesidades de la empresa.
La necesidad de realizar esta investigación se debe a que C.V.G ALCASA siempre ha
buscado automatizar sus procesos industriales con la finalidad de incrementar su
productividad y competencia en el mercado del aluminio, es por ello que se hace
relevante la puesta en marcha de estos reguladores. Si bien es cierto que la operación
denominada cambio de tomas puede realizarse de manera manual, se prefiere la
manera automática por estar más acorde con los intereses de la empresa.
Para lograr estos objetivos se ha realizado un trabajo de investigación entre el 5 de
mayo y el 27 de agosto de 2004 de donde se deriva este informe el cual está
constituido por cuatro capítulos que contienen todo lo relacionado con la
investigación llevada a cabo:
- El Capítulo I expone el planteamiento del problema, formulación del
problema, objetivos, justificación y delimitaciones.
- El Capítulo II esta compuesto de los antecedentes de la empresa,
antecedentes de la investigación, las bases teóricas y todo aquello
concerniente a la descripción y funcionamiento del equipo regulador MK
20.
- El capitulo III expone el marco metodológico donde se exponen todos los
instrumentos y técnicas utilizados para desarrollar la investigación.
- El capitulo IV expone todo lo concerniente a los resultados obtenidos en
la investigación como producto de aplicar la metodología expuesta en el
capítulo III. Finalmente, en base al análisis del capítulo IV se exponen las
conclusiones y recomendaciones de este trabajo.
3
CAPITULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del Problema
La Subestación Laminadores Puerto Ordaz (S/E LAMPO), ubicada en C.V.G.
ALCASA posee dos reguladores de tensión electrónicos tipo MK-20 los cuales se
encargan del control de los cambiadores de tomas bajo carga instalados en los
transformadores de potencia T1 y T2 de dicha subestación. Estos equipos están
instalados en LAMPO, pero no están operativos por incumplimiento del contrato por
parte de la empresa encargada de su construcción.
En la actualidad el incremento de la demanda a la S/E LAMPO por parte de cargas
importantes, ha generado que ocurran fluctuaciones de voltaje considerables. Estas
fluctuaciones de tensión sobrepasan el rango de variación permitido para los equipos
de laminación y otras cargas asociadas a la S/E. También ocurre que no solo el
incremento de carga ha introducido perturbaciones en el perfil de voltajes de la S/E,
sino también los trabajos de expansión de la red eléctrica por parte de CVG EDELCA
los cuales han causado que ocurran variaciones importantes de voltaje en el lado de
alta tensión de la S/E propiamente dicho. Muchas de estas variaciones de voltaje son
prolongadas y ameritan un cambio de tomas en el trasformador de potencia.
4
El problema radica al momento en que se necesita un cambio de tomas, pues se debe
contactar telefónicamente a un operador técnico el cual se trasladará a la S/E
LAMPO. Éste actuará sobre los controles adecuados para efectuar la maniobra de
cambio de tomas que corresponda al tipo de variación. Este proceso resulta
relativamente lento e ineficiente y no está acorde con la concepción original de la S/E
LAMPO la cual se define como subestación no asistida. Se busca, pues, automatizar
los procesos de cambio de tomas como parte de las mejoras operativas por parte de
CVG ALCASA. Se requiere, entonces, poner en funcionamiento a los reguladores de
tensión electrónicos tipo MK-20 preexistentes con el fin de solventar la problemática
anteriormente expuesta.
1.2 Formulación
Evaluando las circunstancias actuales en que se encuentra la S/E LAMPO, en lo que
concierne a la necesidad de tener capacidad de respuesta rápida, eficiente, automática
ante los requerimientos de cambio de toma por parte de los transformadores T1 y T2
de la S/E LAMPO en la empresa C.V.G. ALCASA: ¿Cuál es el esquema de
funcionamiento más adecuado que puede implementarse para la puesta en marcha de
los reguladores de tensión electrónicos tipo MK-20?
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo General
Realizar una evaluación de las condiciones actuales con miras a proponer un esquema
de funcionamiento para la puesta en funcionamiento de los reguladores de tensión
electrónicos tipo MK-20.
1.3.2 Objetivos Específicos
• Revisión de los planos y la documentación técnica disponible relacionada con
el regulador automático de voltaje tipo MK-20
5
• Efectuar un levantamiento del cableado asociado al circuito de control del
regulador automático a fin de verificar la información contenida en los planos
de la empresa.
• Diseñar y efectuar ensayos de campo para verificar el correcto
funcionamiento del equipo.
• Calcular y ajustar las variables de control del regulador de tensión electrónico
tipo MK-20.
• Proponer soluciones con miras a su puesta en funcionamiento.
1.4 Justificación
La ejecución de este proyecto ayudará a mejorar los perfiles de voltaje existentes en
la barra de 13,8 kV de la S/E LAMPO permitiendo de esta manera garantizar la
confiabilidad en el suministro de energía eléctrica. Esto es deseable ya que las cargas
conectadas requieren de una fuente de tensión con mínimas fluctuaciones de voltaje
debido a la naturaleza de los procesos de producción para la cuales están diseñadas.
1.5 Alcance
El alcance de esta investigación se concentra en hacer una evaluación exhaustiva del
equipo regulador de tensión automático tipo MK-20 en lo que se refiere a conexiones
de cableado, y correcto funcionamiento. Para ello se dispondrá de pruebas a cada una
de las etapas del equipo tal y como se definió en los objetivos específicos. Finalmente
se comprobará la factibilidad de su puesta en marcha, dejando una propuesta para
dicha acción en un futuro inmediato.
1.6 Delimitación
La investigación aquí expuesta se llevó a cabo en la empresa C.V.G. ALCASA en la
Superintendencia de Rectificadores de Alta Tensión, específicamente en el área
6
Rectificadores I, sala de control de la Subestación Laminadores Puerto Ordaz (S/E
LAMPO) equipos reguladores de tensión automáticos tipo MK-20 asociados a los
transformadores de potencia T1 y T2.
7
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes
2.1.1 De la Empresa
C.V.G. Aluminio del Caroní S.A. (ALCASA) se encuentra ubicada en la Avenida
Fuerzas Armadas, Zona Industrial Matanzas, Ciudad Guayana, Estado Bolívar. Es
una empresa que se constituyó en 1960 iniciando operaciones el 14 de Octubre de
1967, siendo su misión principal la reducción de la alúmina para obtener aluminio
primario y sus derivados. C.V.G. ALCASA busca satisfacer al mercado del aluminio
de una manera competitiva, con calidad integral de gestión, de la forma más eficiente
y rentable, y participando activamente en el desarrollo de la cadena productiva del
sector aluminio.
C.V.G. ALCASA fue la primera planta reductora de aluminio en el país. Su
capacidad de producción inicial era de 10.000 toneladas métricas anuales de aluminio
primario. Posteriormente C.V.G. ALCASA emprendió la construcción de las fases de
ampliación II, III y IV elevando su capacidad de producción a 22.500 TM/año, luego
a 50.000 TM/año y por último a 120.000 TM/año respectivamente.
A mediados de los años 80, la empresa pone en marcha lo que actualmente es
conocido como fase VI, proyecto que incluía la construcción de las líneas de
reducción IV y V logrando con esto llevar la producción a 420.000 TM/año. Sin
8
embargo este proyecto no logró ejecutarse en su totalidad logrando tan sólo hacer
funcionar la Línea IV ubicando su capacidad en 210.000 TM/año.
Actualmente, la empresa está conformada por cuatro (4) líneas las cuales en todo su
conjunto están formadas por 684 celdas electrolíticas distribuidas como se indica a
continuación:
- 288 celdas electrolíticas del tipo “Niagara” modificadas a “Guayana”.
- 180 celdas electrolíticas tipo P-20.
- 216 celdas electrolíticas tipo P20S.
Las celdas electrolíticas son los lugares donde se llevan a cabo las reacciones
químicas que reducen la alúmina para convertirla en aluminio.
Tal como se mencionó anteriormente, todo este proceso industrial está construido
para producir 210.000 TM/año y esto consume grandes cantidades de energía
eléctrica provenientes de C.V.G. Electrificación del Caroní (EDELCA), la cual es
distribuida por C.V.G. ALCASA mediante subestaciones ubicadas estratégicamente
en la compañía.
Finalmente y de acuerdo con la página web de C.V.G. ALCASA, la visión de la
empresa es avanzar durante los próximos cinco años en posicionar a Venezuela como
país productor de aluminio, a través de la comercialización de un producto con un
alto valor agregado y un nivel de integración en la cadena productiva, capaz de
garantizar la sustentabilidad del sector, dentro de los parámetros de eficiencia
exigidos por la industria mundial del aluminio.
2.1.2 De la Investigación
De acuerdo a un boletín informativo de www.powerdesigners.com, conforme la
industria se mueve hacia un ambiente globalizado altamente competitivo se hace
9
imperativo posicionarse y mantener altos niveles de productividad. Es por ello que se
requiere que los procesos industriales operen continuamente siendo una de las
razones principales de la interrupción de los procesos industriales los problemas
relativos a la red eléctrica como lo son los picos y depresiones de voltajes, armónicos
del sistema e interrupciones de servicio. Para esta investigación se hace énfasis en la
información concerniente al enfoque que hace la gente de Power Designers en lo
referente a los efectos negativos de las fluctuaciones de voltajes:
Las variaciones de voltaje causan problemas en equipos tanto eléctricos como
electrónicos como por ejemplo: disparo de bobinas de contactores y relés que ocurren
debido a voltajes incorrectos en sus terminales; voltajes CD inadecuados en los bus
de los PLC y otras cargas electrónicas; bloqueo del rotor, sobrecalentamiento y
disparo de motores; operaciones indeseadas a velocidades y torques incorrectos; y en
el peor escenario posible ocurren paradas de procesos vitales para la industria.
Para corregir estas situaciones referentes a los voltajes se recurren a diversas técnicas,
ejemplo: transformadores con cambiador de tomas, reguladores de reactancia
saturable, reguladores controlados por fase, transformadores ferroresonantes, variacs
motorizados, reguladores electrónicos, etc. Ahora bien, en C.V.G ALCASA la S/E
LAMPO se encarga de alimentar una serie de cargas que causan perturbaciones a la
red y a su vez son sensibles a las variaciones de voltaje de ésta, es por ello que es
necesario emplear un método de regulación de voltaje. Se utilizan, pues, los
reguladores de tensión electrónicos MK-20.
Para mayor información se recomienda leer el artículo electrónico:
http://www.powerdesigners.com/InfoWeb/design_center/articles/AVR/avr.shtm
Las fluctuaciones de voltaje ocurren por diferentes razones, sin embargo la razón
principal por la que ocurren la expone Graf:
10
Una fuente de potencia eléctrica ideal debería tener una impedancia
interna de valor cero, en el caso de ser una fuente de voltaje; o de valor
infinito, en caso de ser una fuente de corriente. De esta manera el voltaje o
corriente de salida de dicha fuente se mantendrían constantes
independientemente de la carga conectada. Desafortunadamente estas
fuentes sólo existen en la teoría y únicamente se utilizan en ingeniería para
efectos didácticos. En la realidad todas las fuentes tienen una impedancia
interna cuyo valor varía de acuerdo al tipo de carga que se conecta a ella.
Es por ello que se utilizan los reguladores de tensión o corriente, con la
finalidad de modelar, en el mundo real, el comportamiento de la fuente de
poder ideal.
El autor de esta investigación hace notar que en los sistemas de potencia asociados a
procesos industriales, las cargas conectadas a éstos son de una naturaleza muy
diversa; por otro lado, los procesos industriales implican conexión y desconexión de
los diversos elementos que los conforman. Finalmente se puede decir que los
reguladores automáticos de voltaje son de uso obligatorio en todos los sistemas de
potencias.
Para mayor información de las propuestas del Sr. Graf se recomienda revisar el
enlace electrónico:
http://www.northcountryradio.com/PDFs/column002.pdf
2.2 Bases teóricas
2.2.1 Sistema de Potencia
El uso de la electricidad de manera extensiva, práctica y rentable implica la existencia
de los sistemas de potencia que comprenden las siguientes etapas:
- Generación: Etapa que comprende generadores térmicos, nucleares
hidroeléctricos, entre otros; cuya misión es la obtención de la energía
11
eléctrica. Esto se logra mediante la conversión de otros tipos de energía en
energía eléctrica.
- Transmisión: Etapa mediante la cual, utilizando conductores, se transporta la
energía desde los centros de generación hasta los centros de consumo, a través
de distancias relativamente largas y a niveles de alto voltaje.
- Subtransmisión: Etapa que utiliza conductores para transmitir la energía
eléctrica a través de distancias relativamente cortas y a niveles de voltaje más
bajos que los de transmisión. Se suele utilizar dentro de las ciudades.
- Distribución: Etapa que aplica un conjunto de técnicas para llevar la energía
desde la S/E de distribución hasta los usuarios finales.
En todo sistema de potencia se busca que la potencia eléctrica suministrada tenga una
tensión constante o casi constante, seguridad, fases equilibradas (si es polifásico),
forma de onda sinusoidal y frecuencia constante.
Figura 2.1: Diagrama unifilar de un sistema de potencia.
2.2.2 Transformadores
En todas las etapas del sistema de potencia está presente el transformador que de
acuerdo con Grainger - Stevenson 1996 “Los transformadores son los enlaces entre
los generadores del sistema de potencia y las líneas de transmisión, y entre líneas de
diferentes voltajes”.
12
El transformador posee la capacidad de cambiar los niveles de voltaje y corriente CA
en otros niveles de voltaje y corriente CA prácticamente sin afectar la potencia
suministrada. Estos cambios de nivel se hacen gracias a la acción de campos
magnéticos lográndose con ello un aumento del rendimiento del sistema de potencia
al reducir las pérdidas de energía. Este aumento ocurre puesto que la ecuación de la
potencia eléctrica es: IVP ×= , luego Si V se incrementa, entonces I debe disminuir
para mantener la relación. Por otro lado, como se resalta en la ecuación:
RIP 2
Lineas ×= , una disminución de I reduce cuadráticamente las pérdidas de energía
por efecto resistivo en las líneas de transmisión lo cual se incrementa la eficiencia del
sistema de potencia.
Básicamente un transformador está conformado por dos bobinas de conductor
arrollados alrededor de un núcleo ferromagnético común. Una de las bobinas se
conecta a una fuente de CA (Bobina primaria) mientras que la otra se conecta a la
carga para suministrar energía (Bobina secundaria). En la figura 2.2 se muestra el
esquema básico de un transformador y a continuación de ésta las ecuaciones que
rigen los cambios de los niveles de corriente y voltaje.
Figura 2.2: Esquema básico de un transformador.
13
A continuación se exponen las ecuaciones que rigen al transformador ideal:
aN
N
V
V
2
1
2
1 == a
1
N
N
I
I
1
2
2
1 ==
V1 Voltaje del primario. V2 Voltaje del secundario.
I1 Corriente del primario. I2 Corriente del secundario.
N1 Número de vueltas del primario. N2 Número de vueltas del secundario.
2.2.2.1 Polaridad de Voltajes en Transformadores
La relación entre la polaridad de voltaje de entrada y la polaridad de voltaje de salida
se establece mediante el convenio del punto. Los puntos que están en el extremo de
cada devanado nos indican la polaridad del voltaje de éstos:
a) Todos los voltajes del extremo o los extremos de salida del transformador
marcados con punto, tendrán la misma polaridad del voltaje aplicado en el
primario del transformador respecto al extremo marcado con punto de dicho
devanado.
b) Si la corriente en el primario del transformador fluye hacia adentro por el
extremo marcado con punto, la corriente en el devanado secundario (o los
secundarios según el tipo de transformador) fluirá hacia afuera por el extremo
marcado con punto.
Esto ocurre puesto que dentro de un transformador ideal la fuerza magnetomotriz en
el núcleo es cero, por lo tanto toda corriente que fluye hacia un devanado por su
extremo marcado con punto produce una fuerza magnetomotriz positiva, mientras que
si fluye hacia fuera por su extremo marcado con punto, se produce una fuerza
magnetomotriz negativa. Finalmente las corrientes que entran y salen del
transformador producen fuerzas magnetomotrices cuyas sumatorias dan cero.
14
2.2.2.2 Interconexión de las Bobinas
Dependiendo de cómo se interconecten las bobinas en un circuito magnético, los
flujos podrán sumarse o restarse según se explica a continuación:
a) Conexión Aditiva: Si el extremo sin marca de punto de la bobina A se conecta
al extremo marcado con punto de la bobina B, los flujos magnéticos de A y B
se sumarán. Esto equivaldría a aumentar el número de vueltas de la bobina A.
b) Conexión Sustractiva: Si el extremo sin marca de punto de la bobina A se
conecta al extremo sin marca de punto de la bobina B, los flujos magnéticos
de A y B se restarán. Esto equivaldría a disminuir el número de vueltas de la
bobina A.
Figura 2.3: Tipos de conexión entre bobinas de un transformador.
Nótese que en ambos casos, físicamente, se está aumentando el número de vueltas de
la bobina en cuestión, sin embargo desde el punto de vista eléctrico en un caso los
flujos se suman teniendo un voltaje de bobina mayor; en el otro los flujos se restan
teniendo un voltaje de bobina menor; y en ambos casos esto impacta sobre la relación
de transformación como se verá más adelante.
15
2.2.2.3 Partes Básicas de un Transformador
a. Núcleo Magnético: Estructura hecha generalmente de acero que se utiliza para
confinar el flujo magnético φ de manera tal que éste enlace a todos los
devanados presentes en el transformador.
b. Devanados: Conductores eléctricos que están arrollados sobre el núcleo.
Dependiendo de su conexión en la red se clasifican, grosso modo, en:
- Devanado primario: arrollado por donde entra la potencia eléctrica al
transformador.
- Devanado secundario: arrollado por donde el transformador entrega la
potencia eléctrica.
c. Materiales Aislantes: En un transformador se utilizan diversos tipos de
aislantes sólidos, líquidos y gaseosos. Se describen a continuación.
o Materiales Aislantes Sólidos: Entre los aislantes sólidos más importantes
tenemos:
- Cintas sintéticas: Pueden ser de diversos materiales, ejemplo:
tereftalato de polietileno (PET), naftalato de polietileno (PEN),
sulfido de polifenileno (PPS), etc. Las cintas se utilizan para envolver
los conductores magnéticos de los bobinados. Entre sus bondades
tenemos que poseen excelentes propiedades dieléctricas y buena
adherencia sobre los alambres magnéticos que poseen cobertura de
barniz.
- Cartón prensado o pressboard: Utilizado como aislamiento entre
vueltas de las bobinas de transformadores. Debido a su rigidez sirve
para dar forma a estructuras de aislamiento.
16
o Materiales Aislantes Líquidos: También conocidos como fluidos o
líquidos dieléctricos cumplen una doble función, por un lado aíslan las
bobinas en los transformadores, y por el otro disipan el calor en el interior
de estos equipos. El líquido dieléctrico más empleado en la actualidad es
el aceite mineral obtenido a través de procesos de refinación del petróleo
de manera similar a los aceites lubricantes. Estos aceites se tratan para que
tengan un elevado punto de inflamación (sobre 300ºC).
Entre otros fluidos dieléctricos mencionamos los líquidos aislantes
sintéticos como lo es el Ascarel o PCB, pero su uso fue prohibido a fines
de los 70 debido a su alto nivel cancerígeno.
En la actualidad se han desarrollado otros fluidos sintéticos de
características biodegradables de alto punto de inflamación. Entre estos
destacan las siliconas y los poly-alfa-olefines No obstante el empleo de
estos nuevos aislantes se ve bastante limitado debido a su alto costo y a su
menor disponibilidad respecto al aceite mineral.
o Materiales Aislantes Gaseosos: Dependiendo del nivel de voltaje para el
cual está diseñado el transformador se utilizan determinados gases como
aislamiento. Para los transformadores de voltaje bajo o medio los aislantes
más utilizados son el aire y el nitrógeno. Estos transformadores son, por lo
general, de construcción sellada. Para transformadores modernos de altos
voltajes a se utiliza el hexafloruro de azufre o SF6, gas caracterizado por
no ser inflamable ni contaminante. Este gas posee una menor capacidad de
disipación de calor que el aceite mineral, pero esta carencia se puede
compensar aumentando la presión del gas SF6 en el tanque del
transformador.
o Otros Aislantes: Entre estos están los barnices y resinas aislantes que se
utilizan en para cubrir, con una capa delgada y flexible, los conductores
magnéticos que componen las bobinas de un transformador y además, para
encapsular de manera global las bobinas de los transformadores
denominados del tipo seco Los barnices más utilizados en la actualidad
17
son aquellos fabricados a base de resina epóxica y poliester. También se
utiliza papel barnizado, fibra, micanita, cinta impregnada, algodón
impregnado, madera precocida en aceite, etc.
d. Refrigerante: Los transformadores de potencia generan calor cuando operan.
Esta energía debe ser disipada con fines de mantener el rendimiento y para
esto se utilizan los refrigerantes. Esta refrigeración suele ser por: circulación
de aire natural, circulación forzada de aire, inmersión en aceite mineral,
combinación de inmersión aceite con circulación forzada de aire, combinación
de inmersión en aceite con circulación de agua, circulación forzada del aceite
mineral, inmersión en líquidos sintéticos; entre otros.
e. Cuba: Es el tanque que contiene inmersos al núcleo y los devanados en los
transformadores sumergidos. Están construidas en acero y pueden tener
diferentes formas según el diseño del fabricante.
f. Tanque Compensador: Permite mantener constante el nivel de aceite del
transformador y compensar la presión dentro de la cuba cuando el aceite se
dilata o contrae por causa de variaciones térmicas que se producen por el
funcionamiento normal del transformador. Al variar el nivel de aceite en el
depósito de expansión, también lo hace el volumen de gases contenidos en el
espacio remanente entre el aceite y la cuba. Esto provoca cambios de presión
internas que son compensadas por este elemento.
g. Deshumectador: Como se dijo anteriormente, el nivel de aceite varía por
efectos térmicos dentro del transformador. Existen transformadores que están
en comunicación con la atmósfera y realizan intercambios de aire con el
exterior de acuerdo con las variaciones del nivel. El deshumectador es el
aparato a través del cual dichos cambios se llevan a cabo. El aire aspirado
atraviesa a este elemento y deja en el mismo las impurezas importantes:
polvo, gotitas de agua en suspensión y, finalmente la humedad contenida en
él.
h. Pasatapas: También conocidos como bushings, son elementos que sirven para
18
proyectar hacia afuera las terminales del transformador. Es a través de los
pasatapas que se conectan las líneas de entrada y de salida a los devanados
del transformador. La longitud de proyección de los pasatapas es proporcional
al nivel de tensión a la cual operan. A mayor tensión, mayor longitud.
i. Relé Bucholz: Dispositivo de protección utilizado para censar fallas internas
en el transformador de potencia inmerso en aceite. Dichas fallas (arcos,
cortocircuitos, etc.) producen cambios en la composición química del aceite
formándose burbujas de gas. El relé Bucholz detecta la presencia de estos
gases y actúa cuando sus niveles alcanzan un valor crítico.
j. Relé de Presión Súbita: En caso de la ocurrencia de un cortocircuito dentro de
la cuba, el aceite sufrirá una dilatación brusca de su volumen. Esta dilatación,
está muy por encima de la que puede manejar el tanque de compensación. Es
por ello que se utiliza una válvula de diafragma para aliviarla. El diafragma es
sostenido por resortes graduados los cuales ceden en caso de un aumento
súbito de la presión abriendo la válvula, descomprimiendo la cuba.
k. Cambiador de Tomas: El cambiador de tomas es un dispositivo que se
encarga de cambiar la relación de transformación con fines de regular el
voltaje de salida del transformador. Se clasifican en cambiadores de toma sin
carga (CDTSC) y cambiadores de toma con carga (CDTCC).
De todos estos elementos mencionados es sobre el cambiador de tomas que se
centrará la atención más adelante, específicamente el cambiador de tomas con carga.
2.2.3 Cambiadores de Tomas
En los sistemas de potencia los transformadores se utilizan asociados a líneas
conductoras. Estas líneas poseen impedancia propia que trae como consecuencia que
en algunos casos la tensión del primario varíe con la carga a lo largo de un dominio
demasiado amplio. Ahora bien los equipos eléctricos están diseñados para trabajar
dentro de una banda de valores de voltaje muy ajustada en donde se obtiene la
máxima eficiencia. Esta banda recibe el nombre de tensión nominal y debe
19
mantenerse lo más constante posible. Para la situación en particular anteriormente
mencionada conviene disponer de un sistema práctico para solventar este problema.
Es por esto que los transformadores reales suelen construirse con tomas en él, o los
devanados las cuales permiten pequeños cambios en la relación de vueltas en el
transformador con fines de regulación. Estos cambios permiten mantener la tensión
del secundario en su rango nominal ante fluctuaciones de carga y/o factor de
potencia. A continuación se explica más detalladamente este hecho con un ejemplo,
pero antes vale la pena aclarar algo de la jerga utilizada en estos casos de cambios de
toma:
“Subir tap” significa cambiar las tomas para corregir una condición de bajo voltaje.
“Bajar tap” significa cambiar las tomas para corregir una condición de alto voltaje.
Ejemplo ilustrativo:
Sea la figura 2.4 que muestra la bobina de un trasformador con tomas y, para este
ejemplo, sea este el devanado primario. En este gráfico pueden verse la bobina de
referencia (A) y la bobina de pasos (B).
Figura 2.4: Diagrama de una bobina típica de
un transformador con cambio de tomas.
20
La bobina de referencia es la base sobre la cual se hace la regulación de voltaje, bien
sea un tanto por ciento por arriba o por abajo.
Al estar el suiche S1 en la posición 1-3, la bobina A y la bobina B se conectan de
manera aditiva por lo que al aumentar los pasos 5, 6, 7; se aumenta la relación de
transformación, permitiéndose un voltaje mayor en el primario.
Al estar el suiche S1 en la posición 1-8, la bobina A y la bobina B se conectan de
manera sustractiva. Por lo tanto al aumentar los pasos a 4, 5, 6; se disminuye la
relación de transformación permitiéndose un voltaje menor en el primario.
Bajo estas premisas se puede decir que cuando un cambiador de tomas está en el
primario de un transformador, si el voltaje de la red aumenta, “Bajar Tap” significa
aumentar la relación de transformación para mantener el voltaje en el secundario
dentro del rango de operación; mientras que si el voltaje de la red disminuye, “Subir
Tap” significa disminuir la relación de transformación.
Ahora bien, la maniobra de cambio de tomas se realiza con el equipo llamado
“Cambiador de tomas” el cuales pueden ser del tipo sin carga o bajo carga:
a) El cambiador de tomas sin carga requiere desenergizar el transformador (con
la consiguiente suspensión del servicio en muchos casos) antes de ejecutar
maniobras en éste.
b) El cambiador de tomas bajo carga puede ejecutar maniobras sin necesidad de
desenergizar el transformador. Esto solventa el hecho de que ciertos procesos
industriales no pueden darse el lujo de la suspensión de servicio.
Para esta investigación interesa la definición del cambiador de tomas con carga el
cual es un dispositivo de suicheo mecánico encargado de cambiar la relación de
transformación con el fin de regular el voltaje de salida sin la necesidad de
21
interrumpir el servicio. Es el accesorio más caro, el que más falla y el que más
puestas fuera de servicio causa al transformador de potencia asociado.
Las principales fallas del CDTCC se clasifican en mecánicas, eléctricas y térmicas. El
tipo predominante es la falla mecánica: falla en los contactos, falla en las resistencias
intermedias, falla en el aislamiento, etc. Estas fallas mecánicas se traducen a fallas
eléctricas posteriormente.
Normalmente el cambio de tomas se realiza mediante la acción de un motor paso a
paso que responde a órdenes de mando (subir o bajar). Estas órdenes suelen darse de
forma local (operando directamente el equipo) o de forma remota (desde la sala de
control asociada a la subestación)
2.2.4 Regulador de Tensión Electrónico Tipo MK-20
En los casos donde existen subestaciones automatizadas (no asistidas), las decisiones
de maniobra del cambiador de tomas las debe tomar el regulador de voltaje
automático (AVR). Un regulador de voltaje automático es un circuito de control que
censa continuamente el voltaje de la red y lo compara con un valor de referencia.
Dependiendo de la diferencia obtenida entre valor real y valor medido (ancho de
banda de acuerdo a un valor de referencia fijado), el equipo mandará la señal de
maniobra que corresponda según el caso. Dicho de otro modo el AVR actúa como un
centinela cuya misión es vigilar y mantener las variaciones de tensión dentro del
rango de tolerancia permitido tanto en condiciones normales como en condiciones de
emergencia.
El regulador de tensión electrónico tipo MK-20, dispositivo sobre el cual se centra
esta investigación, tiene esta misión. Este instrumento se encarga de tomar decisiones
para el control de los cambiadores de tomas baja carga. El manual del Regulador de
Tensión Automático MK-20 textualmente expresa: “El regulador de tensión
electrónico tipo MK-20 está destinado al control de los cambiadores de toma bajo
22
carga instalados en transformadores de potencia cuyos accionamientos a motor sigan
el principio de funcionamiento paso a paso”. En la figura 2.5 se muestra el diagrama
de bloques del regulador de tensión y a continuación se describen cada una de sus
partes correspondientes.
a) Transformador de Alimentación
Como su nombre lo indica toma energía de la red con el fin de alimentar el
equipo MK-20. La tensión de entrada proviene del transformador de potencial
que la convierte a un nivel de voltaje bajo utilizable por el regulador.
b) Fuente de Alimentación
Recibe la tensión alterna del Transformador de Alimentación y la convierte en
tensión estabilizada de corriente continua que alimenta el equipo.
c) Generación de Valor Nominal
Recibe tensión de la Fuente de Alimentación y genera una señal de corriente
continua que representa al valor nominal predefinido por el usuario.
d) Transformador de Medida
Transformador que toma energía de la red y la transforma en una tensión
menor para uso del equipo. Esta tensión se utiliza para generar la señal de
valor real.
e) Ajuste de Valor Nominal
Control que sirve para ajustar o predefinir el valor del voltaje nominal al cual
se desea trabajar. El valor nominal es regulable de 95 a 130 voltios.
f) Transformador de intensidad para compensador de caída de línea
Transformador que toma energía de la red proveniente del transformador de
corriente y es transformada en una corriente menor que es utilizada por el
LDC.
g) LDC (Line Drop Compensator)
LDC significa compensador de caída de línea y se encarga de generar una
señal que representa las caídas de tensión que ocurren en una línea por causa
de su impedancia natural.
23
24
El concepto de caída de tensión en la surge del hecho de que en todo circuito
eléctrico los conductores poseen resistencia y reactancia propias que dependen
de la longitud del conductor.
Figura 2.6: Representación de los parámetros
de una línea de transmisión corta.
Observando la figura 2.6 y aplicando la ley de Kirchoff del voltaje, se obtiene
la expresión para V1: )jXLRL(IVV 01 +−= donde RL y XL producen
caídas de tensión resistivas e inductivas directamente proporcionales a la
carga, es decir, a mayor carga mayor caída de tensión; a menor carga, menor
caída de tensión. El diagrama fasorial de la fórmula se observa a continuación
en la figura 2.7.
Ahora bien, en caso de que el regulador de tensión MK-20 se encuentre
conectado de la forma indicada en la figura 2.8, la Etapa LDC reproduciría
dichas caídas resistivas e inductivas con el fin de mantener constante la
tensión en el otro extremo de la línea (V2 para efectos de la figura 2.8) sin
importar la carga conectada a ésta.
25
Figura 2.7: Diagrama fasorial de los parámetros
de una línea de transmisión corta.
Figura 2.8: Diagrama unificar de conexión del MK 20
En el MK-20 el ajuste LDC se puede configurar para corrientes de 0,2 A; 1 A;
3 A; 5 A.
h) Rectificador de Medida
La tensión resultante denominada valor real es transformada en el rectificador
de medida en una tensión continua y proporcional a la tensión objeto de
medición.
26
i) Sensibilidad
La tensión de referencia producida por el generador de valor nominal se
compara con la tensión de salida del rectificador de medida. La sensibilidad
recibe este valor y lo compara con el valor predefinido por el usuario, el cual
puede variar entre 0,6 y 6% del valor de la tensión nominal. Si el valor difiere
por exceso o por defecto, la sensibilidad envía una señal al amplificador
regulador.
j) Amplificador Regulador
La señal proveniente de la sensibilidad es amplificada por este amplificador
en un factor proporcional al valor predefinido en la sensibilidad y produce
señales de + 0,8 V o de – 0,8 V (dependiendo de la variación de regulación).
k) Umbrales Subir y Bajar
Recibe una señal proveniente del amplificador regulador y entrega tensión a la
puerta AND de la maniobra subir o bajar, según el caso. Al mismo tiempo se
alimenta la lámpara indicadora y la etapa de retardo.
l) Integrador inverso y retardo
Este elemento proporciona una corriente de control para la etapa de retardo la
cual es proporcional a la variación de regulación. Esta corriente carga el
condensador de la etapa de retardo de manera tal que se establece una tensión
que corresponde a la integral de tiempo de la tensión de salida del amplificador
regulador. Cuando la tensión alcanza su valor límite, se produce la señal de
salida de la etapa de retardo. La etapa de retardo alimenta, entonces, la segunda
entrada de la puerta AND de subir o bajar (según el caso).
La etapa retardo tiene como misión evitar conmutaciones innecesarias ya que
en un sistema de potencias industrial como lo es C.V.G. ALCASA existen
maquinarias y equipos de diversa naturaleza los cuales demandan picos de
corriente para su puesta en marcha. Si bien estos picos deprimen el voltaje de la
barra que se quiere regular, sólo lo hacen por un breve instante de tiempo.
Muchas veces esto no supone ningún problema de regulación, por lo tanto no
27
se justifica una operación de cambio de tap. El ajuste de tiempo para el retardo
en el MK-20 se ubica en el rango de 10 a 180 segundos.
m) Bloqueo a tensión reducida
La etapa de bloqueo tiene como misión impedir que ocurra el proceso de
regulación cuando la tensión de entrada se encuentre por debajo del porcentaje
de bloqueo predefinido por el usuario. Esta operación se logra gracias a una
señal dada a las compuertas AND de subida y de bajada que están siempre
presentes mientras el equipo opera dentro de su rango nominal. Tan pronto
ocurre el bloqueo, la señal de las compuertas desaparece impidiendo cualquier
operación.
n) Etapa de impulso
Es la etapa de potencia del equipo regulador ya que al activarse atrae al relé de
salida por un tiempo aproximado de un segundo. De esta manera se envía la
orden “subir” o “bajar” al cambiador de tomas con carga.
Una vez expuesto el funcionamiento de los elementos internos principales del
cambiador de toma se describen a continuación los controles de panel frontal del
regulador los cuales sirven para ajustar el equipo. Todos estos controles se observan
cómodamente en la figura 2.9.
1- Bornes de medida: Bornes que permiten conectar instrumentos de medición
con fines de ajuste o diagnóstico del regulador electrónico.
2- Control de modalidades de operación: Permite cambiar el modo de operación
del equipo: Desconectado, Manual y Automático.
3- Valor de referencia:
Consta de dos perillas:
a. Perilla ajuste basto de la tensión nominal: Sirve para ajustar el valor
de referencia desde 95 hasta 125 V en pasos de 5 en 5 V.
28
Figura 2.9: Panel frontal del MK 20 con sus respectivos
elementos de control
b. Perilla ajuste fino de la tensión nominal: Sirve para ajustar el valor de
referencia de 0 a 5 V de manera continua. Se usa en conjunto con la
perilla de ajuste basto.
4- Ajuste del tiempo de retardo: Sirve para establecer el tiempo de retardo del
regulador electrónico. Como se dijo anteriormente, este tiempo es
continuamente configurable desde 10 hasta 180 segundos.
29
5- Control para conexión/desconexión del integrador inverso: El integrador
inverso sirve para acortar el tiempo de retardo en caso de fuertes variaciones
de voltaje. El acortamiento se rige por las curvas de tiempo inverso mostradas
en la página 7 del manual del MK-20.
6- Ajuste de sensibilidad: Control que define la magnitud de la variación de
tensión (en tanto por ciento) que es necesario para producir una orden de
maniobra. Se regula continuamente desde ± 0,6 % hasta ± 6 % .
7- Ajuste para bloqueo a tensión reducida: Control que impide que se produzca
el proceso de regulación cuando la tensión de entrada sea inferior al calor de
bloqueo ajustado. Es configurable para 70 %, 80 % y 90 %.
8- Ajuste para el LDC: Este control permite ajustar las tensiones parciales que
representan la caída de tensión que ocurre en la línea. Posee 2 perillas que se
pueden ajustar continuamente entre 0 y 25 voltios ambas.
a. UX: Perilla que simula las caídas de tensión inductivas de la línea.
b. UR: Perilla que simula las caídas de tensión resistivas de la línea.
Las dos perillas poseen conmutadores de polaridad asociados a éstas para
poder intercalar estos voltajes independientemente del sentido (+ ó -) de las
tensiones parciales.
9- Fusible: Elemento de protección del equipo.
10- Diodos indicadores de operación: El equipo posee dos diodos luminiscentes
uno que indican que el cambiador debe subir tap, el otro indica que el
cambiador debe bajar tap. Es importante mencionar que el hecho de que una
de estas indicaciones esté encendida no implica que está ocurriendo una
maniobra, solo indica la presencia de la señal de avanzada. La ocurrencia de
operación depende de la modalidad de operación y del tiempo de retardo
predefinidos en el equipo.
30
CAPITULO III
MARCO METODOLOGICO
A continuación se expone la metodología empleada en la investigación. Se
contemplan aquí los pasos seguidos para la recopilación de los datos, se describen los
procedimientos utilizados para obtener resultados que permitieron llegar a una
conclusión válida para lograr el cumplimiento de los objetivos planteados en esta
investigación.
3.1 Tipo de Investigación
La actual investigación es del tipo proyectiva ya que busca proponer soluciones al
problema sin que esto signifique la realización de dicha propuesta. Por otro lado,
también puede considerarse una investigación de campo puesto que todo el proceso
de diagnóstico de la situación actual se lleva a cabo en el sitio de trabajo. La posible
ejecución de la propuesta o propuestas derivadas de la investigación dependerán de
diversos factores, en su mayoría inherentes a la empresa como lo son: factibilidad
económica, factibilidad técnica, disponibilidad del personal adecuado para llevar a
cabo la tarea, entre otros.
Esta investigación se encargó de hacer un estudio del funcionamiento del regulador
de tensión electrónico tipo MK-20 como parte integral del circuito cambiador de
tomas con carga ubicado en la Subestación LAMPO en C.V.G. ALCASA.
31
3.2 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos
Para lograr los objetivos propuestos en la investigación se ejecutaron las acciones
siguientes:
a) Revisión del manual del regulador MK-20: Se hizo con la finalidad de
conocer al equipo en cuestión desde el punto de vista técnico y operacional
con miras a darle un correcto ajuste a cada una de sus variables de control.
b) Revisión de los planos del circuito cambiador de tomas con carga: Se
revisaron los planos siguientes:
a. Plano N° 787-613-39-ES-700: Proyecto LAMPO. Sistema de
distribución. Diagrama unificar general.
b. Plano N° 688-613-41-E-719: S/E Laminación 115/13,8 kV.
Transformador T1. Esquemas funcionales. Hojas 43, 44, 45, 46. (Ver
Anexo B)
c. Plano N° 688-613-41-E-720: S/E Laminación 115/13,8 kV.
Transformador T2. Esquemas funcionales. Hojas 43, 44, 45, 46. (Ver
Anexo C)
d. Plano N° 688-613-41-E 724/1 S/E Laminación 115/13,8 kV. Celdas
13,8 kV. Esquemas funcionales. Hojas 96, 106, 118, 120.
e. 501TM711 Mando a motor.
La revisión de los planos permitió conocer cómo fue concebida la lógica de
control del circuito cambiador de tomas.
c) Levantamiento de cableado: Una vez revisados los planos de control de los
circuitos relacionados con el regulador MK-20 se procedió a comparar estas
conexiones con las existentes en sitio. Es decir, dentro de la sala de control de
la S/E LAMPO se verificó la existencia de cada uno de los cables conectados
al circuito de control del conmutador bajo carga que tienen que ver con el
MK-20. Se le hizo un seguimiento anotando el nombre de regleta o elemento,
número de punto de conexión, identificación del cable en ambos extremos de
32
éste y por último se probó su continuidad. La recopilación de estos datos se
realizó con la Tabla para Levantamiento de Cableado.
Tipo de
elemento
ID de
elementoPto N°
ID del
Cable
Tipo de
elemento
ID de
elementoPto N°
ID del
Cable
1
2
3
4
Origen DestinoNº Ref
Tabla 3.1: Tabla para el levantamiento de cableado
Los campos de la Tabla 3.1 se exponen a continuación:
Nº Ref: Número utilizado para hacer una referencia rápida al elemento. Esto
será de utilidad al momento de presentar los resultados.
Tipo de elemento: Informa si se trata de una regleta, si se trata de un relé, un
suiche, etc.
ID de elemento: Informa el número de referencia que sirve para identificar el
elemento en sitio.
Pto Nº: Informa en qué punto del elemento está conectado el cable.
ID del cable: Informa el número de referencia que sirve para identificar al
cable en sitio.
d) Pruebas de funcionamiento al regulador MK-20: Con la finalidad de
comprobar el correcto funcionamiento del equipo se diseñaron y realizaron
pruebas de funcionamiento de diversa índole que se exponen en el tópico 2.1
de este capítulo.
e) En función de los resultados obtenidos de los pasos anteriores, se han
diagnosticado los problemas y se ha propuesto su solución.
Durante la ejecución de esta metodología de trabajo siempre se contó con la
colaboración de los operadores de turno, de los ingenieros que laboran en el
33
departamento y demás personal técnico del área de trabajo. Todas estas personas
resolvieron dudas en lo referente al manejo y operación de la subestación,
interpretación de planos, manejo de equipos, etc. La recopilación de esta información
se hizo a través de simples conversaciones conocidas en metodología de la
investigación como entrevistas no estructuradas (Sabino)
3.2.1 Pruebas de Funcionamiento
Con el objeto de verificar el correcto funcionamiento de los reguladores de tensión
automáticos tipo MK-20 que se encuentran ubicados en la sala de control de la
subestación LAMPO, se han diseñado pruebas de funcionamiento para cada una de
las variables de control de los equipos. Estas variables de control fueron descritas en
el capítulo II, página 29.
Materiales utilizados:
A continuación se enumeran los materiales que se utilizaron para la realización de las
pruebas hechas a los reguladores:
� Regulador de tensión electrónico tipo MK-20:
Identificados en sitio como RG-T1 y RG-T2
� Estabilizador de voltaje:
Marca: AVTEK Electrónica
Modelo: ARP-167
Entrada: 80-145 VAC
Salida: 120 VAC ±5 %
Potencia de salida: 6 kVA
Frecuencia de operación: 50/60 Hz
34
� Fuente de voltaje variable:
Marca: MultiAmp
Modelo: SR-76A-E
Serial: 73481-001/1
Entrada: 120 VAC
Frecuencia de operación: 50/60 Hz
Unidades: 1 y 2
� Reles
Marca: Telemecanique
Modelo: CA2 DN31 31E
Entrada: 110 VAC
Frecuencia de operación: 50/60 Hz
� Multímetro digital
Marca: Fluke
Modelo: 23III
Antes de efectuar cualquier prueba hay que asegurarse de que el regulador de tensión
cumpla con los siguientes requisitos de seguridad:
1- El control de modalidades de operación debe estar en la posición
“Desconectado”.
2- El regulador de tensión MK-20 se debe desconectar físicamente del circuito
de control al cual está asociado (hay que tener cuidado al desconectar los
puntos 1, 2, 19 y 20 de las regletas ya que es muy probable que tengan
tensión)
3- Ajustar los siguientes parámetros con los valores que se muestran a
continuación:
35
a. Para estas pruebas se toma como voltaje de referencia la magnitud
113 V ya que ésta es el valor medio de la escala de ajuste y permite ver
con mayor claridad los efectos de la pruebas. Habiendo escogido este
valor, se ajusta el valor de referencia operando sobre los controles
correspondientes (perillas de ajuste basto y fino) en el MK-20.
b. La sensibilidad (∆V%) se coloca a 3 % (valor medio de la escala)
c. El compensador de caída de línea se configura a cero, puesto que no es
utilizado por C.V.G. ALCASA.
d. Configurar el ajuste para bloqueo a tensión reducida al valor 80 %
e. Configurar el ajuste del tiempo de retardo a 10 segundos con el
integrador inversor en la posición “Lin”.
4- Conectar el estabilizador de voltaje a un tomacorriente disponible y conectar
la fuente de voltaje variable al estabilizador.
5- Conectar la salida variable de la fuente de voltaje a los bornes 1 y 2 del
regulador MK 20. En esos mismos puntos se conecta el voltímetro.
6- Conectar en el punto 19 la fase de la fuente de voltaje de corriente alterna de
120 VAC
7- Conectar los relés de indicación (R1 y R2) identificándolos según corresponda
(bajar/subir) entre los puntos 15 (bajar) y 18 (subir) y el neutro de la fuente de
corriente alterna.
En la figura 3.1 se puede observar cómo queda el montaje para pruebas del MK-20.
3.2.1.1 Prueba 1: Valor de Referencia
Esta prueba tiene como misión comprobar a grosso modo el funcionamiento del MK-
20, es decir, comprobar si en efecto el instrumento toma acciones para variaciones de
tensión.
36
Figura 3.1: Diagrama de conexión para pruebas de
funcionamiento del regulador de tensión
a) Control de ajuste fino de la tensión nominal:
• En el MK 20 mover el control de modalidades de operación a la posición
automático.
• Mover la perilla ajuste fino de la tensión nominal disminuyendo el voltaje de
referencia a lo largo de toda la escala hasta 0 V. Se debe observar que la luz
bajar se encienda.
• Regresar la perilla al valor nominal 113 V. Se debe observar que la luz bajar
se apague.
• Mover la perilla subiendo el voltaje de referencia a lo largo de toda la escala
hasta 5 V. Se debe observar que la luz subir se encienda.
• Regresar la perilla al valor nominal 113 V. Se debe observar que la luz subir
se apague.
b) Control de ajuste basto de la tensión nominal:
• Mover la perilla ajuste basto de la tensión nominal disminuyendo el voltaje de
referencia a lo largo de toda la escala hasta 95 V. Se debe observar que la luz
bajar se encienda.
37
• Regresar la perilla al valor nominal 113 V. Se debe observar que la luz bajar
se apague.
• Mover la perilla subiendo el voltaje de referencia a lo largo de toda la escala
hasta 125 V. Se debe observar que la luz subir se encienda.
• Regresar la perilla al valor nominal 113 V. Se debe observar que la luz subir
se apague.
3.2.1.2 Prueba 2: Ajuste del Tiempo de Retardo
• Seleccionar 3 valores de tiempo de retardo comprendidos entre 10 y 180 seg.
• Ajustar la tensión de la fuente variable AC disminuyendo su magnitud hasta
que encienda la luz bajar. En ese momento se cuenta con un cronómetro los
segundos transcurridos hasta que el relé de indicación bajar (conectada al
punto 15) se energice.
• Repetir estos pasos hasta completar tres veces por cada valor de tiempo de
retardo escogido. Anotar los datos obtenidos.
• Calcular el tiempo de actuación promedio ( T ).
• Calcular el error en tanto por ciento utilizando la fórmula:
%100ajustado retardo de iempoT
promedioactuación de Tiempoajustado retardo de TiempoError ×
−=
• Repetir la misma estrategia para el mismo valor de tiempo de retardo con un
valor AC que haga maniobrar al MK 20 para una orden subir.
• Repetir los pasos anteriores para cada uno de los valores escogidos.
• Llenar el modelo de Tabla 3.2 que se muestra a continuación.
38
Ajuste de
tiempo de
retardo
ManiobraTiempo
medidoT Error (%)
Bajar
Subir
Tabla 3.2: Medidas del ajuste de tiempo de retardo
3.2.1.3 Prueba 3: Ajuste de Sensibilidad
• Seleccionar 3 valores de sensibilidad comprendidos entre 0,6 y 6 %
• Simule 3 maniobras subir y tres maniobras bajar para cada valor de ajuste de
sensibilidad escogido:
o Suba o baje lentamente, según el caso, la magnitud del voltaje en la
fuente variable hasta que la luz subir o bajar se encienda.
o Al momento de encenderse la luz subir o bajar anote el valor del
voltaje en la tabla y vuelva el voltaje al valor de referencia.
o Repita la maniobra 2 veces más para completar un total de 3 tanto para
subir como para bajar.
• Calcule el voltaje promedio (V ) y con este valor calcule el valor ∆V% Real
• Calcule el error con la fórmula:
%100adsensibilid de Ajuste
Real %Vadsensibilid de AjusteError ×
∆−=
• Llene el modelo de la Tabla 3.3
39
Ajuste de
sensibilidadManiobra
Voltaje
medidoV
∆V%
RealError
Bajar
Subir
Tabla 3.3: Medidas de ajuste de sensibilidad
3.2.1.4 Prueba 4: Ajuste para Bloqueo a Tensión Reducida
Para realizar esta prueba se requiere la conexión de un circuito adicional entre los
terminales 22 y 23 del MK-20:
Figura 3.2: Diagrama de conexión para prueba de
bloqueo del regulador de tensión
• Varíe el ajuste para bloqueo a tensión reducida al valor 70%.
• Simule tres maniobras bajar para este valor de ajuste de bloqueo:
o Baje lentamente, la magnitud del voltaje en la fuente variable hasta
que el equipo se bloquee (La lámpara indicadora se apagará cuando el
equipo se bloquee)
40
o Al momento de bloquearse anote el valor del voltaje en la tabla y
vuelva el voltaje al valor de referencia.
o Repita la maniobra 2 veces más para completar un total de 3.
• Calcule el voltaje promedio ( V ) y con este valor calcule el valor % Bloqueo
que representa el valor práctico del porcentaje de bloqueo.
• Calcule el error con la fórmula:
%100adsensibilid de Ajuste
Bloqueo %adsensibilid de AjusteError ×
−=
• Repita la prueba para los ajustes de 80 y 90 %
• Llene el modelo de Tabla 3.4
Ajuste de
bloqueo
Voltaje de
bloqueo
medido
V%
Bloqueo Error
Tabla 3.4: Medidas de ajuste de bloqueo
3.2.2 Ajustes del regulador de tensión para su puesta en marcha
Resumiendo la información contenida en el manual del MK 20, se exponen a
continuación los ajustes necesarios para la puesta en funcionamiento del regulador de
tensión MK-20:
a) Colocar el selector de modalidades de trabajo en la posición manual.
c) Medir el voltaje real proveniente del TP en los bornes frontales 1 y 2
d) Determinar el voltaje de operación deseado y ajustar manualmente el cambiador
de tomas con carga hasta que el voltímetro mida dicho valor deseado.
e) Ajustar el voltaje de operación escogido en el equipo con la ayuda de las perillas
de ajuste basto y fino.
41
f) Equilibrar el regulador: para hacer esto se ejecuta el proceso siguiente:
- Colocar la sensibilidad en 0,6 % (Sensibilidad máxima).
- Verificar si hay alguna señal de subir o bajar en uno de los diodos indicadores.
- De existir señal en uno de los diodos, el regulador se equilibra moviendo la
perilla de ajuste fino lentamente hacia la dirección adecuada (Si el diodo subir
está encendido, se debe subir la referencia con la perilla de ajuste fino. Si el
diodo bajar es el que está encendido, se debe bajar la referencia con la perilla
de ajuste fino.). Tan pronto se apague el diodo en cuestión, el equipo está
equilibrado.
g) Ajuste la sensibilidad de acuerdo a la tensión de paso utilizando la expresión:
Un
Ust100)00,1...75,0()E( ⋅⋅=±
E = Sensibilidad
Ust = Tensión de paso del cambiador de tomas con carga (reflejado al lado de
baja)
Un = Tensión nominal del transformador de potencial (lado de baja)
h) Ajustar el tiempo de retardo al valor deseado. Según las condiciones de trabajo
existentes, el tiempo de retardo no puede ser determinado sino después de un
tiempo de observación prolongado. Se recomienda comenzar con 100 segundos
(recomendación del manual del equipo) y luego reajustar este tiempo en base los
cambios de toma diarias.
i) El control para conexión/desconexión del integrador inverso se coloca en la
posición lin.
j) Ajustar el bloqueo de tensión reducida al valor deseado. El manual del MK-20
recomienda empezar con 80% posteriormente se modifica de acuerdo a lo
requerido en el área de trabajo.
k) Ajustar el LDC (perillas UX y UR) a cero (La topología de la red hace que sea
innecesario compensar la caída de las líneas puesto que el transformador de
potencial se encuentra conectado directamente a las barra regulada.
42
CAPITULO IV
RESULTADOS
Como ya se ha dicho a lo largo de esta investigación; la subestación LAMPO,
ubicada en C.V.G. ALCASA, provee de energía eléctrica principalmente al área de
laminación de dicha empresa. Esta energía debe ser suministrada de forma continua,
confiable y lo más estable posible. Es por ello que se busca regular los perfiles de
voltaje y esta misión se logra gracias a la puesta en marcha del regulador del MK-20.
En el Capítulo III se describió la metodología a seguir en el presente trabajo la cual
comprendió los puntos siguientes
4.1 Revisión del manual del regulador MK-20.
4.2 Revisión de los planos del circuito cambiador de tomas con carga.
4.3 Levantamiento de cableado.
4.4 Pruebas de funcionamiento al regulador MK-20.
A continuación se exponen los resultados obtenidos de la ejecución de cada uno de
estos procedimientos.
4.1 Revisión del manual del regulador MK-20
De la revisión del manual del equipo se obtuvo el conocimiento de su correcto
funcionamiento como un todo asimismo de las partes configurables que conforman al
regulador. Este conocimiento ayudó a diseñar las pruebas de funcionamiento
expuestas en el capítulo III.
43
4.2 Revisión de los planos del circuito cambiador de tomas con carga
De la revisión de los planos mencionados en el Capítulo 3, página 33, del circuito
cambiador de tomas con carga se pudo conocer el lugar que ocupa el MK-20 dentro
del lazo de control al que está asociado. Se observó el circuito del cambiador de
tomas como un todo y se obtuvo el conocimiento necesario para poder observar con
sentido crítico el circuito existente en los planos y compararlo con el diseño original
de éste a fin de ofrecer soluciones razonables en caso de detectarse alguna anomalía.
4.3 Levantamiento de cableado
En función de la revisión de los planos N° 688-613-41-E-719 (Anexo B); 688-613-
41-E-720 (Anexo C) “y” 688-613-41-E 724/1 se hizo el levantamiento de cableado
para cada uno de los reguladores MK-20 asociados a los transformadores T1 y T2 de
la Subestación LAMPO.
El levantamiento de cableado se hizo por etapas, es decir, se sudividió a la bornera
del MK-20 de la manera expresada en la Figura 12. Luego partiendo de cada uno de
esos bornes se verificó la existencia y nomenclatura de cada uno de los cables hasta
llegar al cambiador de tomas asociado al transformador (T1 ó T2 según el caso).
Figura 4.1: Bornera del regulador de MK-20 subdividida en etapas
para facilitar el levantamiento de cableado
44
Otro levantamiento que también se realizó fue el del circuito asociado al control
manual del cambiador de tomas con carga, este circuito se puede observar en los
planos Nº 688-613-41-E-719 “y” 688-613-41-E-720 página 45, columna 1
respectivamente.
4.3.1 Levantamiento de cableado asociado al Regulador de Tensión Automático
tipo MK-20 del transformador T1.
A continuación se muestran y explican las tablas de datos recolectados cuya
presentación se hizo enseñando primeramente la tabla en una página y a continuación,
en la página siguiente se describieron las observaciones hechas a ésta. Esto se hizo
con el fin de lograr una mejor visualización de la data recolectada.
45
46
Analizando la Tabla 4.1 del levantamiento se observa lo siguiente:
- El sistema de identificación de cables no se corresponde con la ruta de cableado
real, es por ello que resulta difícil, en algunos casos, determinar el origen y ruta
de los cables tan solo por la etiqueta de identificación. A manera de ejemplo en el
ítem 3 de la Tabla 4.1 el ID de origen del conductor de la regleta B50-X1, punto
19 es X01-19-B50-X1-T2-19, sin embargo al llegar a la regleta X01.BM, punto
19 llega como 20-P2-X01-19. Este problema existe en todo el cableado de la S/E
LAMPO, por lo tanto no se volverá a mencionar para las próximas tablas
- El cableado asociado a la Etapa TP de este regulador está bien hecho, llegando
una tensión de 113 V línea-línea a los puntos 1 y 2 del MK-20 proveniente de los
transformadores de potencial conectados a las fases S y T de la S/E.
47
48
Analizando la Tabla 4.2 del levantamiento se observa lo siguiente:
- En la enumeración de sus puntos a la derecha del 10, la enumeración debería
continuar con el 11, 12, 13… sin embargo la enumeración en sitio es como sigue:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
- En el ítem 4 de la Tabla 4.2, el cable con ID en el origen de M5T-11-B50-X2-68
llega al punto 1 que está a la derecha del punto 10 de la regleta M5-T con ID en
destino de B50-X1-68-M5T-11. Este punto corresponde al número 11 tal y como
está expresado en los planos.
- En el ítem 5 de la Tabla 4.2, hay una conexión errónea del cable con ID en el
origen de K1BT122 que conecta el punto 1 (que corresponde al punto 11) con el
contactor K1B-T1. Ese cable debería estar conectado en el punto 10 de la regleta
M5T.
- De acuerdo con el plano 688-613-41-E-719, página 45, columnas 3 y 4 (Anexo B)
hay una conexión desde los puntos 9 y 11 de la regleta M5T hasta los puntos 8 y
10 de esa misma regleta. En sitio no existe tal conexión. Esta conexión es
primordial ya que allí de conecta el circuito de regulación automático con el
circuito de control del cambiador de tomas con carga.
49
50
Analizando la Tabla 4.3 del levantamiento se observa lo siguiente:
- En el ítem 2, el cable con ID en origen de M5T-12-B50-X1-69 llega con ID de
destino B50-X1-69-M5T-12 al punto 2 de la regleta M5T. Éste es el punto 2
ubicado a la derecha del 10, es decir, corresponde al punto 12 según lo expresado
en planos.
- En el ítem 4 hay un cable sin ID que interconecta los puntos 1 y 6 del selector
S43-T1.
- En el ítem 10, el cable con ID en destino de K1BT122 que llega al punto 1
(correspondiente al 11) de la regleta M5T, está conectado de manera errónea. Esta
es la conexión errónea mencionada en el ítem 5 de la Tabla 4.2. Este cable debe ir
conectado al punto 10 de la regleta M5T, de acuerdo con los planos.
51
52
El levantamiento de cableado que se expresa en la Tabla 4.4 no presenta ninguna
observación y se corresponde correctamente con lo expresado en los planos.
Para una mejor comprensión de los datos recolectados en las tablas 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4,
se ubicaron en la página 45 del plano 688-613-41-E-719 los nombres de los cables.
Cabe destacar que los cables puede poseen dos ID, uno para un extremo, otro para el
otro extremo; el origen y el destino respectivamente.
53
Figura 4.2: Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-719
Pág. 45, Col. 1
54
Figura 4.3: Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-719
Pág. 45, Col. 2
55
Observación 1: Esta es la conexión errónea de la que se habla en el ítem 5 de la
Tabla 4.2, ya que el cable con ID M5T10/K1BT122 interconecta al punto 22 del
contactor K1B-T1 con el punto 1 (que corresponde al punto 11) de la regleta M5T.
Este cable debería estar conectado al punto 10 de dicha regleta.
Figura 4.4: Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-719
Pág. 45, Col. 4
56
Observación 2: Estos cables deberán colocarse con el fin de que las órdenes de
cambio de tomas emitidas por el MK-20 puedan llegar a los cambiadores de toma con
carga.
Observación 3: A este punto llega un cable con ID K1BT122, éste cable se debe
desconectar de este lugar y reconectarlo al punto 10 de la regleta M5T. (Es el caso del
ítem 5 de la Tabla 4.2 anteriormente discutido)
4.3.2 Levantamiento de cableado asociado al Regulador de Tensión Automático
tipo MK-20 del transformador T2.
De manera análoga a como se realizó el levantamiento de cableado asociado al T1, a
continuación se muestran y explican las tablas de datos recolectados.
57
58
El levantamiento de cableado que se expresa en la Tabla 4.5 no presenta ninguna
observación importante. El levantamiento de esta etapa se corresponde
correctamente con lo expresado en los planos, además cabe destacar que el
sistema de identificación de los cables utilizado en el MK 20 asociado al T2 es
mucho más organizado que aquel utilizado en el T1. Por otra parte las regletas
están correctamente enumeradas.
59
60
La única observación que se hace a los datos recolectados en la Tabla 4.6 es que de
acuerdo con el plano 688-613-41-E-720, página 45, columnas 3 y 4 (Anexo C) hay
una conexión desde los puntos 9 y 11 de la regleta M4T hasta los puntos 8 y 10 de esa
misma regleta la cual, de manera análoga a lo observado en los datos de la Tabla 4.2,
esta conexión conectaría el circuito de regulación automático con el circuito de
control del cambiador de tomas con carga.
61
62
La única observación apreciable en la Tabla 4.7 es que en el ítem 4 hay un cable
sin ID que interconecta los puntos 1 y 6 del selector S43-T1.
63
64
La Tabla 4.8 no presenta ninguna observación importante, se corresponde con lo
expresado en los planos.
De manera similar a como se hizo para el Circuito Cambiador de Tomas del T1, se
ubican en el plano 688-613-41-E-720 página 45 (Anexo C) los nombres de los cables
asociados al Circuito Cambiador de Tomas asociado al T2.
65
Figura 4.5: Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-720
Pág. 45, Col. 1
66
Figura 4.6: Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-720
Pág. 45, Col. 2
67
Figura 4.7: Levantamiento de cableado, plano 688-613-41-E-720
Pág. 45, Col. 4
68
Observación 4: De manera análoga a la observación 2 hecha para la Figura 4.7, estos
cables deberán colocarse con el fin de que las órdenes de cambio de tomas emitidas
por el MK-20 puedan llegar a los cambiadores de toma con carga.
4.4 Pruebas de funcionamiento al regulador MK-20.
Se realizaron los montajes de la Figura 3.1 (Pág. 36) y de la Figura 3.2 (Pág. 39) para
los Reguladores MK-20 asociados a los Transformadores T1 y T2 respectivamente y
se obtuvieron los siguientes resultados:
4.4.1 Resultados de las pruebas aplicadas al Regulador de Tensión Automático
MK-20 asociado al T1
Ajuste de tiempo de retardo
ManiobraTiempo medido
T Error (%)
20,8720,8220,8020,6020,6120,5379,2378,7878,8078,8878,5978,60136,64135,89135,82136,96136,27135,60
140
Bajar 136,12 2,77
Subir 136,28 2,66
4,15
2,90
80
Bajar 78,94 1,33
Subir 78,69 1,64
20
Bajar
Subir
20,83
20,58
Tabla 4.9: Resultados de la aplicación de la Prueba 2 (Ajuste del tiempo de retardo)
al Regulador MK 20 del T1
69
De los resultados obtenidos en la Tabla 4.9 se observa que para el regulador MK- 20
asociado al T1, los tiempos de retardo reales tienen un error por debajo del ±5% del
valor de ajuste que marca el equipo. El valor más alto obtenido fue de +4,15%. El
promedio de los errores es del ±2,575%. En líneas generales este error es aceptable.
Ajuste de sensibilidad
ManiobraVoltaje medido
V ∆V% Real Error %
113,30113,70113,60110,20110,00110,20115,00114,90115,20107,80108,00107,90116,90116,80116,80105,70105,50105,70
5%
Bajar 32,15
Subir 30,38
116,83
105,63 6,52
3,39
3%
Bajar 40,02
Subir 50,44
115,03
107,90
1,80
4,51
52,80
153,69
1%
Bajar
Subir
113,53
110,13
0,47
2,54
Tabla 4.10: Resultados de la aplicación de la Prueba 3 (Ajuste de sensibilidad)
al Regulador MK-20 del T1
Como se expresó anteriormente, esta prueba nos da información respecto a qué tanto
por ciento por exceso o por defecto (∆V%), del voltaje de referencia programado en
el equipo, son suficientes para que el regulador ordene una señal de maniobra.
Se observa pues que las pruebas arrojan un error muy grande para cada una de los
valores de ajuste escogidos siendo el mayor error el de la maniobra subir para el
ajuste de 1% con un valor del 153,69 %.
70
El error promedio de la Tabla 4.10 es del ±59,91% lo cual es un error inaceptable que
nos informa de la imprecisión del equipo en la etapa de ajuste de sensibilidad.
Ajuste de bloqueo
Voltaje de bloqueo medido
V%
Bloqueo Real
Error %
78,2077,9078,0088,3088,3088,20100,00100,20100,20
90 1,54100,13 88,61357
80 2,3688,27 78,112
1,3570 78,03 69,06
Tabla 4.11: Resultados de la aplicación de la Prueba 4 (Ajuste para bloqueo a tensión reducida)
al Regulador MK-20 del T1
Observando los errores obtenidos para la Tabla 4.11 tenemos valores menores al 3%,
siendo el promedio de errores de ±1,53%. Este valor de error en la etapa de bloqueo
es aceptable.
71
4.4.2 Resultados de las pruebas aplicadas al Regulador de Tensión Automático
MK-20 asociado al T2
Ajuste de tiempo de retardo
ManiobraTiempo medido
T Error (%)
23,7323,6223,6023,5123,4323,32122,26120,50114,97100,67100,37103,51136,49163,81146,47140,55139,72136,24
140
Bajar 148,92 6,37
Subir 138,84 0,83
18,25
17,10
100
Bajar 119,24 19,24
Subir 101,52 1,52
20
Bajar
Subir
23,65
23,42
Tabla 4.12: Resultados de la aplicación de la Prueba 2 (Ajuste del tiempo de retardo)
al Regulador MK 20 del T2
De los resultados obtenidos en la Tabla 4.12 se observa que para el regulador MK- 20
asociado al T2, los tiempos de retardo reales presentan un error bastante elevado. El
comportamiento del error según la tabla es que a menor valor de ajuste de tiempo de
retardo, mayor es el error. Por otra parte el error presenta un valor mayor para la
orden de maniobra “Subir” del MK-20.
El valor más alto obtenido fue de +19,24% para el ajuste 100 segundos. El promedio
de los errores es de ±10,55%. En líneas generales este error no es aceptable y se
recomienda revisar este control del equipo.
72
Ajuste de sensibilidad
ManiobraVoltaje medido
V ∆V% Real Error %
113,00113,20113,20110,10110,10110,20115,50114,90115,00108,30108,20108,30117,30117,10117,40106,00105,70105,4
88,20
153,69
1
Bajar
Subir
113,13
110,13
0,12
2,54
3
Bajar 37,07
Subir 39,63
115,13
108,27
1,89
4,19
5
Bajar 24,48
Subir 29,20
117,27
105,70 6,46
3,78
Tabla 4.13: Resultados de la aplicación de la Prueba 3 (Ajuste de sensibilidad)
al Regulador MK-20 del T2
La Tabla 4.13 muestra que las pruebas realizadas presentan un error bastante elevado
en todos los valores de ajuste escogidos para ésta. El mayor error obtenido fue el de la
maniobra subir para el ajuste de 1% con un valor del 153,69 %.
El error promedio de la Tabla 4.13 es del ±62,045%. Este error es inaceptable y
también muestra la imprecisión del equipo en la etapa de ajuste de sensibilidad.
73
Ajuste de bloqueo
Voltaje de bloqueo medido
V%
Bloqueo Real
Error
78,5077,5077,3090,0089,9090,50100,00100,4099,90
1,6970 77,77 68,82
80 0,2990,13 79,76
90 1,57100,10 88,58
Tabla 4.14: Resultados de la aplicación de la Prueba 4 (Ajuste para bloqueo a tensión reducida)
al Regulador MK-20 del T2
La Tabla 4.14 arroja errores cuyos valores son inferiores al 2%, siendo el promedio
de errores de ±1,18%. Este valor de error en la etapa de bloqueo es aceptable.
4.5 Resumen General de las Pruebas realizadas a los reguladores
El equipo MK-20 asociado al T1 presenta errores aceptables para sus ajustes de
retardo y bloqueo, sin embargo para el ajuste de sensibilidad el error escapa fuera de
un rango aceptable lo cual compromete el buen funcionamiento de este equipo.
El equipo MK-20 asociado al T2 presenta errores inaceptables en sus ajustes de
tiempo de retardo y de sensibilidad lo cual también compromete al buen
funcionamiento de este equipo.
Ahora bien, en toda investigación ocurren errores a la hora de hacer pruebas
experimentales, los errores obtenidos en este caso pueden deberse a las siguientes
causas:
- Desajuste general de los equipos ya que han estado inactivos durante más de 10
años.
- Ausencia de una escala más precisa para hacer los ajustes ya que la que existe en
los instrumentos consiste en diales continuos con una marca de indicación que
apunta a una cubierta plástica con los datos impresos en ella.
74
- Debido a la causa anterior, los valores que se escogieron no pudieron ser
correctamente configurados en el equipo, por lo tanto se obtuvieron resultados
erróneos.
- Escogencia de un rango de valores muy pequeño para realizar las pruebas por
parte del investigador.
- Errores sistemáticos en el diseño y aplicación de las técnicas de recolección de
datos.
- Ausencia de una instrumentación más adecuada para realizar las pruebas.
En el capítulo destinado a las conclusiones y recomendaciones se hicieron
sugerencias de cómo solventar las carencias de este equipo.
4.6 Propuesta de Funcionamiento
Para poner en funcionamiento los reguladores de tensión MK-20 asociados a los
transformadores T1 y T2 de la subestación LAMPO se debe, primeramente, calcular
y ajustar las variables de control de éste. La determinación de ciertas variables escapa
del alcance de esta investigación ya que ameritan un análisis más a fondo del
comportamiento de la subestación como tal. Para solventar este problema se
utilizarán los datos por defecto que el fabricante especifica en el manual.
• Ajuste del valor del voltaje de referencia: Esta variable se obtiene de los datos
de la S/E LAMPO:
a. En el secundario de los transformadores T1 y T2, la magnitud de
voltaje de 13.800 V.
b. Ahora bien, 13800 es referido al lado de baja de los transformadores
de potencial ubicados en la S/E LAMPO. Estos transformadores de
medición tienen una relación de transformación de 3
kV 8,13a
3
V 110.
Entonces, la magnitud del voltaje que se requiere para ajustar los MK-
75
20 es de 110 V, ya que ellos están alimentados de la tensión línea a
línea de los TP asociados a las fases S y T de la S/E LAMPO.
• Ajuste de la sensibilidad: Como fue expresado en el capítulo 3, el ajuste de
esta variable se hace de acuerdo a la tensión de paso utilizando la expresión:
Un
Ust100)00,1...75,0()E( ⋅⋅=±
Donde E = Sensibilidad
Ust = Tensión de paso del cambiador de tomas (reflejado al lado de baja)
Un = Tensión nominal del transformador de potencial (lado de baja)
Los valores son:
670,013800
110
115000
13800700 Ust =××= V
Un = 110 V
61,0110
670,010000,1)E( ±=××=± V
La sensibilidad se ajusta en 0,6. Vale la pena destacar que este es el valor
mínimo de la sensibilidad que garantiza un cambio de tomas tan pronto el
voltaje varía dentro del rango de una toma. También es cierto que es el valor
más pequeño de la escala de la perilla de ajuste de la sensibilidad. El autor
recomienda una observación minuciosa del comportamiento del MK-20 al
funcionar en este nivel pudiendo cambiar el valor de este parámetro de
acuerdo a las necesidades de la empresa.
• Ajuste de la temporización: Como se dijo anteriormente en el capítulo 3, el
tiempo de retardo no puede ser determinado sino después de un tiempo de
observación prolongado. Se recomienda comenzar con 100 segundos
(recomendación del manual del equipo) y luego reajustar este tiempo en base
los cambios de toma diarias.
• Ajuste del compensador de caída de tensión en la línea: Ambas perillas se
ajustan a cero, puesto que la configuración de la S/E no amerita el uso de esta
función.
76
• Ajuste de bloqueo: El manual del MK-20 recomienda empezar con 80%
posteriormente se modifica de acuerdo a lo requerido en el área de trabajo.
• Ajuste del integrador inverso: Se coloca en la posición lin.
Una vez calculadas las variables de control de los reguladores, continuamos la
propuesta para poner en funcionamiento del MK 20 señalando las correcciones de los
errores existentes en el cableado de los equipos:
• Colocar el cable cuyo ID es K1BT122, y que está ubicado en la regleta M5T
del panel de control, en el punto 10 de dicha regleta.
• Conectar con cables el punto 9 con el punto 8 de la regleta M5T.
• Conectar con cables el punto 1 ubicado a la derecha del punto 10
(correspondiente al punto 11) con el punto 10 en la regleta M5T.
• Conectar con cables el punto 9 con el punto 8 de la regleta M4T.
• Conectar con cables el punto 11 con el punto 10 en la regleta M4T.
Una vez corregidos los errores en el cableado y determinadas las variables de control
de los equipos se recomienda hacerle mantenimiento a los reguladores con el fin de
calibrarlos y ponerlos en su punto de operación correcto. Una vez hecho esto se
procedería a ponerlos en funcionamiento siguiendo las instrucciones dadas en el
capítulo 3 las cuales se exponen nuevamente a continuación:
a) Colocar el selector de modalidades de trabajo en la posición manual.
b) Medir el voltaje real proveniente del TP en los bornes frontales 1 y 2
c) Ajustar manualmente el cambiador de tomas con carga hasta que el voltímetro
mida 110 V.
d) Ajustar el voltaje de operación en el equipo a 110 V con la ayuda de las perillas
de ajuste basto y fino.
e) Equilibrar el regulador: para hacer esto se ejecuta el proceso siguiente:
- Colocar la sensibilidad en 0,6 % (Sensibilidad máxima).
77
- Verificar si hay alguna señal de subir o bajar en uno de los diodos indicadores.
- De existir señal en uno de los diodos, el regulador se equilibra moviendo la
perilla de ajuste fino lentamente hacia la dirección adecuada (Si el diodo subir
está encendido, se debe subir la referencia con la perilla de ajuste fino. Si el
diodo bajar es el que está encendido, se debe bajar la referencia con la perilla
de ajuste fino.). Tan pronto se apague el diodo en cuestión, el equipo está
equilibrado.
f) Ajuste la sensibilidad a 0,6.
g) Ajustar el tiempo de retardo a 100 segundos.
h) El control para conexión/desconexión del integrador inverso se coloca en la
posición lin.
i) Ajustar el bloqueo de tensión reducida a 80%.
j) Ajustar el LDC (perillas UX y UR) a cero.
k) Colocar el selector de modalidades de trabajo en la posición automático.
Este proceso se realiza tanto para el MK-20 asociado al T1 como para el regulador
asociado al T2. Una vez puestos en marcha los MK-20 se debe llevar un control
acerca de la actuación de estos durante los próximos 20 días para evaluar su
comportamiento.
78
CONCLUSIONES
Del análisis y discusión de los capítulos anteriores se pueden obtener las siguientes
conclusiones:
� El regulador de tensión electrónico tipo MK-20 es un elemento de control que
toma decisiones al comparar un valor real con una referencia interna luego, en
función de los resultados arrojados por la comparación, el equipo envía una
señal la cual accionará a su vez otros dispositivos de control que ayudarán a
realizar la maniobra de cambio de tap.
� Gracias al levantamiento de cableado y a las pruebas realizadas a los
reguladores MK-20 se determinaron las siguientes razones por las cuales los
equipos no están operativos:
a. El cableado asociado a los reguladores posee conexiones erróneas.
b. Algunas conexiones asociadas al circuito de los reguladores que están
expresadas en los planos no existen en sitio, por lo tanto no permiten
la operación correcta de los equipos.
c. Los MK-20 presentan márgenes de error muy grandes para algunos de
sus ajustes lo que sugiere que podrían estar descalibrados.
� El autor considera que la propuesta de puesta en marcha de los reguladores es
una opción viable que C.V.G. ALCASA podía realizar sin mayores
contratiempos.
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RECOMENDACIONES
De los resultados dados y las conclusiones obtenidas en el presente estudio se
recomiendan las siguientes acciones:
� Corregir la nomenclatura de identificación de los cables en la Subestación
LAMPO adoptando para ello una y solo una norma estandarizada.
� Corregir la numeración de los puntos de conexión de la regleta M5T ubicada
en el armario del panel de control de la S/E LAMPO.
� Hacer mantenimiento a los reguladores con la finalidad de calibrarlos y
ponerlos a punto.
� Hacer un seguimiento durante los 30 días siguientes a la puesta en marcha de
los reguladores a fin de evaluar el número de cambio de tomas por día y
corregir cualquier ajuste que esté erróneamente configurado.
� Hacer un estudio de flujo de carga de la subestación LAMPO para así
determinar el comportamiento de las cargas con el fin de obtener los ajustes
más óptimos de los equipos.
� En la subestación LAMPO, el circuito asociado a los MK-20 posee unos
indicadores de número de tap en que se encuentran los transformadores T1 y
T2, estos indicadores no están operativos. Se recomienda evaluar su estado y,
de ser posible, ponerlos a funcionar.
� Durante la estadía en C.V.G. ALCASA por parte del autor, éste pudo observar
el uso de otras tecnologías más modernas para controlar el cambio de taps de
los transformadores asociados a las subestaciones. Es por ello que se
recomienda la evaluación de la posibilidad de adoptar una nuevo tipo de
tecnología para realizar esta tarea en la S/E LAMPO.
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LISTA DE REFERENCIAS
• Automatic Voltage Regulation Technologies. (s.f). Power Designers [Revista
en línea]. Disponible: http://www.powerdesigners.com/InfoWeb/design_center/
articles/AVR/avr.shtm [Consulta: 2004, Junio 14 ].
• Chapman, S. (2000). Máquinas Eléctricas. Mc Graw Hill.
• Cooper – Helfrick. (1990). Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de
Medición. Prentice Hall.
• C.V.G. ALCASA (s.f.). La Mejor Razón para el Mejor Aluminio [Folleto].
Ciudad Guayana.
• C.V.G. ALCASA. (s.f.). [Página Web en línea]. Disponible: http://www.alcasa.
com.ve [Consulta: 2004, Agosto 12].
• Grainger – Stevenson. (1996). Análisis de sistemas de potencia. Mc Graw Hill.
• Obando, M. (2003). Instrucciones de Funcionamiento del Regulador de Tensión
Electrónico MK 20. Trabajo no publicado. C.V.G. ALCASA, Ciudad Guayana.
• Regulador de Tensión Electrónico MK 20. (s.f.). [Instrucciones de funciona-
miento]. Maschinenfabrik Reinhausen. Alemania.
• Sabino, C (2000). Metodología de la investigación (Sexta Edición). Lagos.
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