como dimensionar un generador

7/22/2019 Como Dimensionar Un Generador

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DIMENSIONAMIENTO DE LOS

MOTORES Y GENERADORES EN

APLICACIONES DE ENERGA

ELCTRICA

GU A DE APLICACI N E INSTALACI N


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Contenido

Consideraciones de clasificacin de grupos electrgenos ............ 2

Definiciones de clasificacin ................................ ..................... 2Factor de carga del grupo electrgeno ................................ . 3

Potencia auxiliar de emergencia ................................ .......... 3

Potencia auxiliar...................................................................3

Potencia principal.................................................................3

Potencia continua ................................ ................................ 3

La norma ISO 8528-1 (2005) de la Organizacin de ........... 4Potencia de operacin continua (COP) ................................ 4

Potencia de funcionamiento principal (PRP) ........................ 4

Potencia de funcionamiento de tiempo limitado (LTP) ......... 4

Administracin de carga ................................ ........................... 4

Aislado de la empresa de servicios pblicos de energa

menos de 500 horas por ao ................................ ............... 5Aislado de la empresa d e servicios pblicos de energa ms

de 500 horas por ao ................................ ........................... 5

Operacin en paralelo con la empresa de servicios pblicos

de energa durante menos de 500 horas por ao ................ 5

Operacin en paralelo con la empresa de servicios pblicos

de energa durante ms de 500 horas por ao .................... 6Normas................................ ................................ ..................... 6

Capacidad de clasificacin del generador ............................ 7

Lmites de tolerancia del generador ................................ ..... 8

Impacto de las condiciones del sitio en las clasificaciones de

los grupos electrgenos ................................ ........................... 9


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Altitud................................ ................................ ................... 9

Calor ................................ ................................ .................... 9

Ambientes corrosivos ................................ ........................... 9

Humedad ................................ ................................ ............. 9Polvo................................ ................................ .................. 10

Respuesta transitoria ................................ .............................. 10

Criterios para dimensionamiento................................ ........ 11

Arranque del motor ................................ ............................ 12

Carga de bloque ................................ ................................ 13

Normas de respuesta transitoria ................................ ............. 13Consideraciones del motor ................................ ................ 14

Configuracin del motor ................................ ..................... 19

Sistema de aire ................................ ................................ .. 19

Motores de gas ................................ ................................ .. 20

Capacidad de carga en bloque o respuesta transitoria ...... 20

Interaccin del sistema ................................ ...................... 21Reguladores de voltaje ................................ ...................... 21

Regulador de voltaje digital ................................ ................ 22

Requisitos del cliente ................................ ................................ .. 24

Demanda de potencia ................................ ............................ 24

Requisitos de potencia en el sitio ................................ ....... 24

Administracin de carga ................................ ..................... 24Perfiles de carga ................................ ................................ 24

Estimacin de datos de carga ................................ ............ 26

Clasificacin de las cargas................................ ................. 26

Clculo de la carga VA/pies 2................................ .............. 27

Pasos de carga ................................ ................................ ...... 28


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Priorizacin ................................ ................................ ........ 28

Desconexin de cargas................................ ...................... 29

Cargas intermitentes ................................ .......................... 29

Categoras adicionales de carga................................ ........ 29Estrategias de administracin de carga ............................. 29

Corte de crestas.................................................................30

Carga fundamental ................................ ............................ 30

Importacin cero/Exportacin cero ................................ ..... 31

Comparticin de crestas ................................ .................... 32

Cogeneracin ................................ ................................ .... 32Curvas de duracin de carga ................................ ............. 33

Pautas para estimacin de cargas ................................ ..... 33

Crecimiento de la carga ................................ ..................... 34

Factor de demanda ................................ ................................ 35

Factor de diversidad ................................ ............................... 36

Factor de demanda y factor de diversidad en la determinacindel tamao................................ ................................ .............. 37

Cadas de frecuencia ................................ ......................... 37

Carga en bloque y normas ................................ ................. 37

Requisitos de arranque ................................ .......................... 38

Aceptacin de carga ................................ .......................... 38

Arranque de 10 segundos ................................ .................. 38Centros de atencin mdica y NFPA 99 ............................ 39

Seleccin del combustible................................ .................. 39

Rendimiento ................................ ................................ ........... 40

Emisiones ................................ ................................ .......... 40

Factores de correccin ................................ ...................... 41


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"Nominal" comparado con "No exceder" ............................ 42

Equilibrio trmico ................................ ............................... 42

Uso de cogeneracin ................................ ......................... 43

Anlisis de carga ................................ ................................ ......... 44Cargas de sistemas de iluminacin ................................ ........ 45

Cargas lineales de sistemas de iluminacin ....................... 45

Sistemas de iluminacin ................................ .................... 45

Iluminacin incandescente ................................ ................. 46

Corriente interna de lmparas de tungsteno ...................... 46

Cargas no lineales de sistemas de iluminacin .................. 46Lmparas fluorescentes ................................ ..................... 47

Lmparas de descarga de gas ................................ ........... 47

Cargas de motores ................................ ................................ . 47

Motores de induccin ................................ ......................... 48

Rotor de devanado (anillo colector) ................................ ... 49

Definicin de deslizamiento ................................ ............... 50Motores sincrnicos ................................ ........................... 51

Motores CC................................ ................................ ........ 51

Motores monofsicos ................................ ......................... 52

Motores trifsicos ................................ ............................... 53

Rendimiento del motor ................................ ........................... 53

Clase de diseo ................................ ................................ . 53Arranque del motor ................................ ............................ 55

Factor de potencia de arranque ................................ ......... 58

Carga de arranque del motor ................................ ............. 59

Par del motor ................................ ................................ ..... 59

Voltaje del motor ................................ ................................ 64


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Tcnicas de arranque del motor ................................ ............. 65

Arranque a voltaje pleno ................................ .................... 65

Arranque suave - Arranque amortiguado del motor con

carga................................ ................................ .................. 68Arranque de voltaje reducido ................................ ............. 68

Mtodos de arranque reducido ................................ .......... 70

Arranque intermitente ................................ ........................ 77

Tcnicas de localizacin y solucin de problemas de

arranque del motor................................ ............................. 77

Cargas variadas ................................ ................................ ..... 78Mandos de velocidad ajustable (variable) .......................... 78

Sistemas de Rectificador Controlado de Silicio (SCR) ....... 79

Cargas de soldadura ................................ .......................... 80

Suministro de Potencia Ininterrumpida (UPS) .................... 81

Potencia regenerativa ................................ ........................ 87

Transformadores................................ ................................ 88Cargas crticas ................................ ................................ ... 90

Consejos tiles de aplicacin de carga .............................. 91

Cargas monofsicas ................................ .......................... 94

Equilibrio de la carga ................................ ......................... 94

Diagramas de una lnea................................ ..................... 96

Consideraciones de seleccin de grupos electrgenos ............. 101Tipos de carga................................ ................................ ...... 101

Cargas lineales ................................ ................................ 101

Cargas no lineales ................................ ........................... 102

Contenido de armnicas ................................ ....................... 103

Consideraciones del generador ................................ ............ 105


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Calentamiento del generador ................................ ........... 105

Impacto de reactancia del generador............................... 105

Distorsin de onda ................................ ........................... 106

AVR y excitacin del generador ................................ ....... 108Determinacin de la distorsin ................................ ......... 109

Paso del generador................................ .......................... 109

Paso de 2/3................................ ................................ ...... 109

Cargas no lineales y paso de 2/3 ................................ ..... 110

Operacin en paralelo y paso de 2/3 ............................... 110

Aplicaciones que requieren paso de 2/3 .......................... 110Otras consideraciones de seleccin de grupos

electrgenos ................................ ................................ .... 111

Gama de voltaje/Nmero de cables ................................ . 111

Seleccin de voltaje del grupo electrgeno ...................... 112

Instalaciones con varios motores ................................ .......... 113

Operacin en paralelo ................................ ...................... 113Cadas y reguladores ................................ ....................... 116

Compensacin del regulador ................................ ........... 117

Control de carga ................................ .............................. 118

Orden de carga ................................ ................................ 118

Apagado de la unidad ................................ ...................... 118


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2005 CaterpillarTodos los derechos reservados.

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PrlogoEsta seccin de la Gua de Aplicacin e Instalacin describe la seleccin de

motores y generadores en aplicaciones de energa elctrica, en sistemas conmotores Caterpillar. Otros sistemas de motores, componentes y principios setratan en otras secciones de esta Gua de Aplicacin e Instalacin.

La informacin y los datos especficos de cada motor se pueden obtener dediferentes fuentes. Consulte la seccin Introduccin de esta gua para obtenerreferencias adicionales.

Los sistemas y los componentes descritos en esta gua pueden no estardisponibles o no aplicar a todos los motores.


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Gua de Aplicacin e Instalacin Dimensionamiento de Motores y Generadoresen aplicaciones de Energa Elctrica

2005 CaterpillarTodos los derechos reservados. Pgina 1

Dimensionamiento de Motores y Generadores enAplicaciones de Energa Elctrica

Los grupos electrgenos, en el mismo sitio de trabajo, se usan en una variedadde aplicaciones. Se usan cada vez ms en aplicaciones de administracin de

carga gracias a la desregulacin y a la privatizacin de las empresas deservicios pblicos. Algunos grupos electrgenos se usan estrictamente como"respaldo" para emergencias y, en otros casos, como l a fuente principal deenerga elctrica.

Aunque pueden usarse programas de computadora para un dimensionamientoadecuado del grupo electrgeno, es provechoso comprender las frmulas,clculos y factores no numricos para determinar los requerimientos de t amao.

Se deben considerar los siguientes temas, tratados especficamente en estaseccin.

Clasificaciones del motor

Aplicaciones del cliente

Anlisis de carga

Criterios de seleccin de los grupos electrgenos

Instalaciones con varios motores

CONTENIDO DE LA SECCIN

Consideraciones de clasificacin de

los grupos electrgenos .................. 2 Definiciones de clasificacin

Administracin de carga

Normas

Impacto de las condiciones del sitioen las clasificaciones de los gruposelectrgenos

Respuesta transitoria

Normas de respuesta transitoria

Requisitos del cliente ..................... 24 Demanda de potencia Pasos de carga

Factor de demanda

Factor de diversidad

Factores de demanda y diversidaden el dimensionamiento

Requisitos de arranque

Rendimiento

Anlisis de carga ............................. 44 Cargas de sistemas de iluminacin

Cargas de motores

Rendimiento del motor

Tcnicas de arranque del motor

Cargas variadas

Seleccin de grupos electrgenosConsideraciones............................ 101 Tipos de carga

Contenido de armnicas

Consideraciones de generadores

Instalaciones con varios motores


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Dimensionamiento de Motores y Generadores Gua de Aplicacin e Instalacinen Aplicaciones de Energa Elctrica

2005 CaterpillarPgina 2 Todos los derechos reservados.

Consideraciones de clasificacin de gruposelectrgenos

Definiciones de clasificacinUn grupo electrgeno se compone

de un motor y un generador. Sinembargo, es mejor considerar el motory el generador como un sistema.Individualmente, cada uno tienecaractersticas nicas; pero comosistema, estas cualidades tienen unimpacto significativo en e l rendimientoy en el dimensionamiento del sistemade grupo electrgeno.

Las capacidades del motor y el

generador se consideran individual yconjuntamente cuando se seleccionangrupos electrgenos. Los motoresproducen potencia al freno (okilovatios) mientras controlan lavelocidad o la frecuencia. Losgeneradores determinan elcomportamiento del motor, pero sonresponsables, principalmente, detrasformar la potencia del motor en

kilovoltios-amperios (kVA) y kilovatioselctricos (kW). stos tambin debensatisfacer los flujos altos de "corrientede magnetizacin" (kVAR) o lascondiciones de corrientes transitoriasdel equipo elctrico.

Generalmente, un grupo electrgenodispone de un generador quecorresponde con la capacidad desalida del motor. El dimens ionamientode los motores se relaciona con lapotencia actual en kW requerida paracumplir con las necesidades de lainstalacin. El generador, por otraparte, debe poder manejar la potenciaaparente mxima medida en kVA. Lapotencia real puede identificarse devarias maneras. Puede calcularsetomando las clasificaciones de laplaca del equipo que impulsar el

generador. Si se hace sto, tambindeben considerarse las eficiencias del

equipo. La potencia real puededeterminarse mediante un anlisis decarga de la instalacin. sto implicaun estudio de los requisitos depotencia durante un perodo detiempo.

ekW = pf x kVA

ekWbkW =

eff

+ Demandadel

ventilador

kVA = kVA de salida del generadorpf = factor de potencia de la carga

conectada

ekW = energa elctrica (kWelctrico)

bkW = potencia del motor (kW alfreno)

eff = eficiencia del generador

Cuando los kW no se indican como

elctricas (ekW) ni como al freno(bkW), es importante aclarar cul delas dos aplican cuando se realizanclculos o comparaciones deproductos.


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Factor de carga del grupoelectrgeno

El factor de carga de un grupoelectrgeno se usa como criterio declasificacin. Se calcula hallando elproducto de varias cargas:

Factor de carga = % de tiempo x % decarga

tiempo en cargaespecfica

% de tiempo =tiempo de

operacin total

carga especfica

% de carga = carga nominal

El tiempo extendido de velocidadbaja en vaco y el tiempo en que elgrupo electrgeno no est enoperacin, no se incluye en el clculodel factor de carga.

Por ejemplo, suponga que unainstalacin tiene un grupo electrgenoclasificado a 550 kW y opera doshoras a la semana. Durante estas doshoras, opera a 400 kW por 1,5 horasEncuentre el factor de carga.

Las frmulas indican lo siguiente:

400 kW% decarga = 550 kW

= 0,73

90 min.% detiempo = 120 min.

= 0,75

Factor de carga = 0,73 x 0,75 =54,75%

Este factor de carga indicara que elgrupo electrgeno podra usarse comoauxiliar, debido a que cumple con elfactor de carga y con otros criterios declasificacin.

Las definiciones de clasificacin depotencia de los grupos electrgenosCaterpillar se basan en el factor decarga tpico, las horas de uso por ao,la demanda mxima y el uso en laaplicacin. A continuacin se indicanlas clasificaciones de potencia de losgrupos electrgenos Caterpillar:auxiliar para emergencia, auxiliar,principal y continua.

Potencia auxiliar de emergenciaUso tpico de 50 horas por ao con

un mximo de 200 horas por ao. Elfactor de carga variable tpico es 70%.

Potencia auxiliar

Uso mximo de 500 horas por ao,hasta 300 horas continuas y operacincon cargas variables. Sin sobrecargadisponible. La clasificacin esequivalente a la Principal +10%. Elfactor de carga mximo es 70% de laclasificacin auxiliar.

Potencia principalHoras ilimitadas de uso. Factor de

carga (70%, mximo/80% si no hay

costo adicional) de la potenciaprincipal publicada, en un perodo de24 horas. La sobrecarga de 10% estlimitada a 1 hora en 12 horas, pero sinexceder 25 horas por ao. Lasobrecarga de 10% est disponible enconformidad con la norma ISO 3046-1(2002). La vida til hasta elreacondicionamiento del motordepende de la operacin, como sedescribe en la norma ISO8528 (2005).

El tiempo de operacin con cargamayor a 100% puede afectar la vidatil hasta el reacondicionamiento.

Potencia continuaHoras ilimitadas de uso. Factor de

carga de 100% de la potenciacontinua publicada. Generalmente, enconformidad con la norma ISO 8528(2005) de potencia continua.


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Nota:La operacin que exceda estasdefiniciones de clasificacin resultaren una menor vida til y mayorescostos del generador y del motor porao.

La norma ISO 8528-1 (2005) de laOrganizacin deNormas Internacionales (ISO) define

tres tipos de servicio:

Potencia de operacin continua(COP)

Potencia de funcionamientoprincipal (PRP)

Potencia de funcionamiento detiempo limitado (LTP)

Potencia de operacin continua(COP)

La potencia de operacin continuaes la potencia que un grupoelectrgeno puede operar en cargacontinua para un nmero ilimitado dehoras bajo condiciones ambientalesdefinidas. Para cumplir estas normas,debe seguirse el mantenimientoestipulado por el fabricante.

Potencia de funcionamientoprincipal (PRP)

La potencia de funcionamientoprincipal es la potencia de un grupoelectrgeno durante una secuenciade potencia variable para un nmeroilimitado de horas bajo condicionesambientales definidas. Para cumplirestas normas, debe seguirse elmantenimiento estipulado por elfabricante.

Potencia de funcionamiento detiempo limitado (LTP)

La potencia de funcionamiento detiempo limitado es la potenciamximaque un grupo electrgeno entrega enun perodo de hasta 500 horas porao bajo condiciones ambientalesdefinidas. Slo 300 horas pueden ser

de funcionamiento continuo. Paracumplir estas normas, debe seguirseel mantenimiento estipulado por elfabricante.

Con frecuencia, las especificaciones

se indican en trminos y normas ISO.La Tabla No. 1muestra lasclasificaciones ISO de gruposelectrgenos y la correlacin con lasclasificaciones de grupos electrgenosCaterpillar.

Clasificaciones de grupos electrgenos

ISO Caterpillar

ESPPotencia auxiliar de

emergencia

LTPAuxiliar deemergencia

PRP Principal

COP Continua

Tabla 1

Administracin de cargaLa administracin de carga es el

control cuidadoso de las cargas delgrupo electrgeno y/o de la empresade servicios pblicos de energa, conel fin de tener los costos elctricosms bajos posibles. Adems,Caterpillar tiene dos categorasamplias de clasificacin, en trminosde administracin de carga:

Aislado de la empresa deservicios pblicos de energa

Operacin en paralelo con laempresa de servicios pblicosde energa


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Aislado de la empresa de serviciospblicos de energa menos de 500horas por ao

Salida disponible con carga variabledurante menos de 6 horas por da*.

* Potencia de emergencia con combustible enconformidad con las normas ISO 3046/1, AS2789,DIN6271 y BS5514.

Factor de cargatpico = 60% o menos

Horas tpicas porao = Menos de 500

horas

Demanda mximatpica = 80% de ekW

nominal con100% declasificacindisponible parala duracin deunainterrupcin decorrienteelctrica deemergencia.

Aplicacin tpica = Tasasininterrumpiblesde la empresade serviciospblicos deenerga,comparticin decrestas.

Aislado de la empresa de servicios

pblicos de energa ms de 500horas por ao

Salida disponible con carga variabledurante ms de 500 horas por ao ymenos de 6 horas por da*.

**Potencia principal en conformidad con la norma ISO8528. Potencia de sobrecarga en conformidad con lanorma ISO 3046/1, AS2789, DIN6271 y BS5514.

Factor de cargatpico = 60% a 70%

Horas tpicas porao = Ms de 500

horas

Demanda mximatpica = 100% de

clasificacinprincipal ms10% declasificacinusadaocasionalmente.

Aplicacin tpica = Comparticin de

crestas ocogeneracin.

Operacin en paralelo con laempresa de servicios pblicos deenerga durante menos de 500horas por ao

Salida disponible sin carga variabledurante menos de 500 horas por ao.


Horas tpicas porao = Menos de 500

horas

Demanda mximatpica = 100% de

clasificacinprincipal usada

ocasionalmente.Aplicacin tpica = Comparticin decrestas.


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Operacin en paralelo con laempresa de servicios pblicos deenerga durante ms de 500 horaspor ao

Salida disponible sin variacin decarga por tiempo ilimitado***.*** Clasificacin de potencia continua en conformidad

con las normas ISO 8528, ISO 3046/1, AS2789, DIN6271y BS5514.


Horas tpicas porao = Sin lmite

Demanda mxima

tpica = 100% declasificacincontinua usada100% deltiempo.

Aplicacin tpica = Carga base,empresa deserviciospblicos deenerga,

comparticinde crestas,cogeneracin,operacin enparalelo.

Dependiendo de la aplicacin delgrupo electrgeno se determinar eltamao requerido. Por ejemplo, sipara un carga dada, el grupoelectrgeno slo se usar comoauxiliar para slo una carga crtica,entonces puede usarse un grupoelectrgeno kW ms pequeo, enlugar que el usado para potenciaprincipal.

NormasLos grupos electrgenos Caterpillar

estn en conformidad con laOrganizacin de NormasInternacionales (ISO) y con lasnormas de la Sociedad de IngenierosAutomotrices (SAE). Cadaorganizacin usa diferentes tcnicas ytolerancias para las clasificaciones depotencia y consumo de combustible.

La norma ISO 3046-1 es especficapara motores y la norma ISO 8528para grupos electrgenos.

La norma ISO 8528 tiene 12secciones. La primera seccin

describe las aplicaciones,clasificaciones y rendimiento. Lassecciones restantes se indican acontinuacin por nmero de seccin.

2. Caractersticas especficas delmotor

3. Generadores de corrientealterna

4. Especificaciones deconmutadores y arrancadores

5. Especificaciones de gruposelectrgenos

6. Mtodos de prueba7. Declaraciones tcnicas para

especificacin y diseo8. Grupos electrgenos de

potencia baja9. Requisitos para la medicin y la

evaluacin de la vibracinmecnica

10. Normas sobre ruido

11. Sistemas de suministro depotencia dinmica eininterrumpida

12. Suministro de potencia deemergencia para servicios deseguridad


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Capacidad de clasificacin delgenerador

Los grupos electrgenos estnlimitados en sus clasificaciones por lascondiciones y aplicaciones delgenerador y el motor.

Generalmente, las clasificaciones delos generadores estn limitadastrmicamente. Estn limitadas por lacantidad de calor interno generado ypor la cantidad de calor disipado. Unadefinicin ms precisa es el aumentode la temperatura del devanado porencima de la temperatura ambiente.En otras palabras, la unidad retieneparte del calor, lo que aumenta la

temperatura de la unidad. Laclasificacin de generadores de laAsociacin de Fabricantes Elctri cosNacionales (NEMA) se basa en ellmite de "aumento de temperatura" delos generadores. Adems de losEstados Unidos, la ComisinElectrotcnica Internacional (IEC)tiene lmites para el aumento detemperatura de los generadores, que

pueden consultarse en IEC 6034-22(1996) y IEC 6034-1 (2004).

El aumento de temperatura es elaumento de la temperatura deldevanado por encima de latemperatura ambiente. La temperaturaambiente es la temperatura del aire deenfriamiento que ingresa por lasaberturas de ventilacin de lamquina.

Este aumento de temperatura sepresenta debido al flujo de corrienteen los devanados y a las prdidasinternas que ocurren durante laoperacin de la mquina.

Las clases ms comunes degeneradores son la clase "F" y "H".Para todas las clases, NEMA asumeque la operacin se realiza a una

temperatura ambiente menor o igualque 40C. Los lmites de aumento detemperatura tambin permiten unmargen de 10C en puntos desobrecalentamiento. Un punto desobrecalentamiento es el punto de losdevanados del estator con latemperatura ms alta.

La Tabla No. 2muestra el aumentode temperatura para los generadoresde clase F y H en diferentesclasificaciones.

Clase degenerador

Aumento detemperatura

(C)

Clasificacindel paquete

de grupo

electrgenoF 80 ContinuaH F 105 PrincipalH 125 PrincipalF 130 Auxiliar H 150 Auxiliar

Tabla 2

Para potencia principal, la clase Ftiene un aumento de 105C o un lmite

de temperatura total menor o igual que155C (temperatura ambiente de 40C+ margen en puntos desobrecalentamiento de 10C +aumento de temperatura de 105C).

La clase H permite un aumento de125C o un lmite de temperatura totalmenor o igual que 175C:

40C + 10C + 125C

Para potencia principal, la c lase Ftiene un lmite de aumento detemperatura de 130C o unatemperatura total de 180C:

40C + 10C + 130C


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La clase H tiene un aumento detemperatura de 150C o un lmite detemperatura total de 200C:

40C + 10C + 130C

El voltaje juega un papelfundamental en la clasificacin delgenerador y debe tenerse en cuenta.En algunos casos, el voltaje delgenerador no corresponder con elvoltaje de operacin preferido. Unregulador de voltaje puedeproporcionar la capacidad de ajustedel voltaje, sin embargo, si sedisminuye el voltaje del generador, la

corriente aumentar para unaclasificacin dada. sto aumentar latemperatura del generador y puedenecesitarse reducir la potencia delgenerador. Una solucin alterna a lareduccin de la potencia delgenerador es usar un generador msgrande para mantener la clasificacinestndar.

La norma establecida por NEMA

permite ajustar un generador ms omenos cinco por ciento ( 5%) cuandose instala. Generalmente, losgeneradores Caterpillar tienen unacapacidad mnima de disminucin de10%; en algunos casos esto puederesultar en una reduccin de potencia.Algunos generadores se diseanespecficamente como de gamaamplia y podran no requerirdisminucin de potencia. Se

recomienda revisar los datos delfabricante cuando se usengeneradores con voltaje diferente alespecificado en el diseo.

Lmites de tolerancia del generadorLa Figura No. 1es un grfico de

capacidad reactiva de un generadorde polo saliente. Un punto de carga enesta rea define:

La potencia activa La potencia reactiva

La potencia aparente

La corriente

El factor de potencia

La excitacin

La lnea oscura y gruesa con lospuntos m-n-p-s-q-u-t, indica los lmitesabsolutos tolerados en una mquina.Los generadores se clasifican dentrode estos lmites (Consulte la Seccin"Generador" para obtener msinformacin

Figura 1


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Impacto de las condiciones delsitio en las clasificaciones delos grupos electrgenos

La clasificacin de un motorgeneralmente est limitada por lmit es

trmicos y estructurales. Estos lmitesincluyen la presin mxima del cilindrodurante la combustin, la velocidaddel turbocompresor, la temperatura delgas de escape, y en los motores degas natural, el tipo de combustible.Cuando un motor opera con relacin aestos lmites determinar la altitud ytemperatura ambiente mximas parauna clasificacin determinada. Si unmotor excede la altitud o temperaturaambiente mximas, deber reducirsela potencia del motor.

El entorno o las condiciones del sitiotambin afectan la clasificacin de unmotor o de un generador, situacinque afecta la clasificacin de todo elgrupo electrgeno. Las condicionesque pueden afectar una clasificacinincluyen la altitud, la temperatura,ambientes corrosivos y el polvo.

La altitud y la temperatura son losfactores que mayor influencia tienenen las clasificaciones del motor. Amayor altitud, menor densidad delaire. Se necesita aire denso y limpiopara una combustin eficiente. Unaumento de temperatura disminuye ladensidad del aire. Por tanto, debepresentarse una disminucin depotencia del motor en condiciones de

altitud alta y/o temperatura alta paraque el grupo electrgeno cumpla conlas expectativas de rendimiento.

AltitudLos generadores que operan a

altitudes mayores que 1.000 m (3.281pies) requieren una reduccin deaumento de temperatura de 1% porcada 100 m (328 pies) por encima del

valor base (1.000 m 3.281 pies).Est disponible una tabla de reduccinde potencia en Informacin deMercadotecnia Tcnica (TMI) para losgeneradores y para cada motorespecfico. La Figura No. 2 muestrauna tabla TMI de ejemplo dereduccin de potencia del motor.

CalorCuando la temperatura del aire de

ventilacin que va al generadorexcede los 40C (104F), podra sernecesaria una reduccin de potenciadel generador. La tabla de reduccinde potencia debida a laaltitud/temperatura encontrada en TMIpuede usarse para obtener lainformacin de reduccin de potenciaapropiada.

Ambientes corrosivosLa sal y otros elementos corrosivos

pueden daar el aislamiento deldevanado, y puede llevar a que elgenerador falle. La proteccin deestos elementos incluyerecubrimientos de aislamiento

adicionales para los devanadosdurante el proceso de fabricacin ycompuestos de epoxi pararecubrimiento final del devanado.

HumedadLa condensacin que resulta de la

humedad representa un problemapara todos los generadores, a menosque estn completamente protegidos.El aumento de temperatura de la

mquina y la circulacin de aire deenfriamiento con una adecuadaoperacin de carga evitarngeneralmente la condensacin. Debenusarse calentadores de espacio paraaumentar la temperatura 5C porencima de la temperatura ambiente yevitar as la condensacin en reas dehumedad alta.


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Figura 2

PolvoEl polvo conductivo o abrasivo que

fluye a travs del ventilador deenfriamiento puede ser muy perjudicialpara el generador. Ejemplos de polvoabrasivo son: polvo de hierro fundido,polvo de carbn, arena, grafito enpolvo, polvo de coque, polvo de cal,

fibra de madera y polvo de canteras.Cuando estas partculas extraasfluyen a travs del generador, actancomo una lija que raya el aislamiento.Estas abrasiones pueden causar uncortocircuito en el generador. Laacumulacin de estos materiales enlas aberturas del sistema deaislamiento actuarn como un aislanteo un elemento que atrae la humedad.

Los filtros que se instalan en lasaberturas de aire de admisin oventilacin de la unidad pueden evitarel dao. Cuando se usan fil tros esimportante cambiarlos regularmentepara que no obstaculicen el flujo deaire. El uso del filtro de aire de ungenerador har que el generadorreduzca la potencia debido al mayoraumento de temperatura que resulta

del menor flujo de aire deenfriamiento. Los interruptores depresin diferencial pueden seroptativos en muchos gruposelectrgenos.

Respuesta transitoriaSiempre que se aplique o quite una

carga de un grupo electrgeno, lasrpm de velocidad del motor, el voltajey la frecuencia cambiantemporalmente de su condicin deestado estacionario. Este cambiotemporal se conoce como respuestatransitoria. Cuando se aplica unacarga significativa, la velocidad delmotor se reduce temporalmente(generalmente se conoce como cadade frecuencia o de voltaje) y luego

regresa a su condicin de estadoestacionario. El grado de esta cadadepende del cambio de potenciaactiva (kW) y de potencia reactiva(kVAR), basado en el ajuste delregulador de voltaje, la capacidadtotal, las caractersticas dinmicas d elgrupo electrgeno y la inercia elctricade las dems cargas del sistema. Al


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quitar la carga, la velocidad del motoraumenta momentneamente(generalmente se conoce comosobretensin), y luego regresa a sucondicin de estado estacionario. Eltiempo requerido para que el grupoelectrgeno regrese a su velocidadnormal de estado estacionario seconoce como tiempo de recuperacin.Esto se muestra en la Figura No. 3.

Figura 3

Criterios para dimensionamientoSe requieren tres criterios para

determinar de manera precisa el

tamao de un grupo electrgeno: El porcentaje aceptable de

cada de voltaje y de frecuencia

La duracin aceptable deltiempo de recuperacin de lacada de voltaje y de frecuencia

El porcentaje de un paso decarga y el tipo de carga que seconectar

Cuanto mayor sea la cada devoltaje que un grupo electrgenopuede tolerar, ms pequeo yeconmico ser el grupo electrgeno.Una cada de voltaje mxima de 30%es un lmite tpico para los centros decontrol de motores industriales. Lascargas sensibles pueden indicarse enlas especificaciones para cadas devoltaje mucho ms bajas. UPS,

mandos de velocidad variable yequipo mdico son todos ejemplos decargas que necesitan pequeascadas de voltaje.

El ojo humano es sensible a leves

fluctuaciones de iluminacin. Inclusopuede percibir una disminucin de 1/2voltio en una bombilla incandescentede 110 voltios. Una cada de un voltio,repetida, comienza a ser molesta. LaFigura No. 4 muestra la gama decadas de voltaje observables ymolestas, suponiendo que se usa unsistema de iluminacin directa ybombillas medianas.

Si se usa un sistema de iluminacinindirecta sin bombillas incandescentesde menos de 100 vatios, estos valorespueden ampliarse. Esto tambin aplicasi todo el sistema de iluminacin esfluorescente y no incandescente.

Los compresores reciprocantesafectan seriamente la calidad de lailuminacin. Las pulsaciones de parvaran la corriente del motor, lo quecausa una fluctuacin de voltaje

suficiente para hacer titilar las luces.Desafortunadamente, esta frecuenciaes muy sensible para los ojos.

Una cifra comnmente aceptadapara los lmites de variacin decorriente de los compresoresreciprocantes impulsados por motor esdel 66% de la corriente nominal totaldel motor. sto limita la clasificacinde potencia de los motores del

compresor a cerca de 6% de laclasificacin kVA del generador, valorque se encuentra en el lmite de titileomolesto de luz. Por ejemplo, un motorde 30 hp puede usarse en siste masque tienen ms de 500 kVA decapacidad del generador en operacin(30 es el 6% de 500).


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Figura 4

Los lmites de cada de voltajetpicos se encuentran en laTabla No.3para varias instalaciones.

Lmites de cada de voltaje tpicos

Instalacin AplicacinVoltaje

permisible

Cada

Hospital, hotelmotel,apartamentos,bibliotecas,escuelas ytiendas.

Carga delsistema deiluminacin,carga depotencia alta,titileo muymolesto.

2% - Pocofrecuente

Cines (el tono

del sonidorequierefrecuenciaconstante. Lucesintermitentes denen errticas)

Carga del

sistema deiluminacin, titileomuy molesto.

3% Poco

frecuente

Bares y centrostursticos

Carga elctrica,titileo algoaceptable

5% - 10%Pocofrecuente

Tiendas,fbricas,fresadoras,lavanderas.


3% - 5%frecuente

Minas, campospetrolferos,canteras, asfalto,plantas.


25% - 30% -Frecuente

Las mayores fluctuaciones de voltaje se per miten con lossistemas de energa de emergencia.

Tabla 3

Arranque del motorLa capacidad del grupo electrgeno

para arrancar motores grandes singrandes cadas de frecuencia o voltajedepende de todo el sistema. Losfactores del sistema incluyen:

Potencia disponible del motor

Capacidad del generador Energa almacenada en la

inercia de giro del grupoelectrgeno

Aceleracin del motor y sucarga (caractersticas delmotor)

Componentes elctricos entreel grupo electrgeno y el motor.


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El generador del tamao apropiadosoportar los kVA de arranque alto(skVA) que se requieren y mantendrel voltaje de salida adecuado para elmotor, de modo que producir el parnecesario para acelerar su carga a lavelocidad nominal.

Despus de la cada de voltajeinicial, es importante que el generadorrestaure el voltaje a un mnimo de90% para generar el par adecuado yacelerar su carga a la velocidadnominal. El arranque con voltaje plenoes causa de la mayor cada de voltaje.Por esta razn, las empresas deservicios pblicos no siempre permiten

el arranque a voltaje pleno de motoresgrandes. Ms adelante se presentarinformacin detallada sobre elarranque del motor en la seccin"Anlisis de Carga" de esta gua.

La respuesta transitoria de un grup oelectrgeno es una descripcin decambio mximo de voltaje y frecuenciaen la aplicacin de una carga y eltiempo de recuperacin que lo regrese

a las condiciones de voltaje yfrecuencia nominales. Generalmente,la cada de voltaje mxima permitidaes de 30%. La cada de frecuenciamxima es aproximadamente 25%,pero el equipo moderno restringe estevalor a mrgenes ms estrechos.

No siempre es necesario tener larespuesta transitoria ms rpidaposible; sino la mejor respuesta para

la necesidad de la aplicacin. Todoslos grupos electrgenos actan deforma diferente de acuerdo con eldiseo de los sistemas del motor, deregulacin y de regulacin de voltaje.Las caractersticas de la respuestatransitoria deben compararse con elequipo que se usar en la instalacin;sto garantizar que el tamao del

grupo electrgeno est enconformidad con las cargas aplicadas.

Para ms informacin, consulte lassecciones "Cargas de Motores yRendimiento de Motores" en las

pginas 43 47 y 4853.Carga de bloque

Una carga de bloque se refiere alporcentaje de potencia nominal en elfactor de potencial nominal que seaade instantneamente al grupoelectrgeno. Cuando las cargas debloque son grandes, algunas vecesdeben aceptarse en cantidades mspequeas en varios pasos. La carga

por pasos es muy comn cuando serequiere cumplir los criterios derendimiento de aceptacin de carga.Por ejemplo, si un grupo electrgenoest clasificado en 1.000 ekW a 0,8 pfy se aplica una carga de 250 ekW a0,8 pf, se aplicar una carga debloque de 25% [(potenciaaplicada/potencia nominal) x 100%].

Normas de respuesta

transitoriaHay normas de respuesta transitoria

en varios pases e industrias querequieren que los grupos electrgenospuedan aceptar y recuperar el paso decarga completo. Sin embargo, muchasde estas normas no especifican lasdesviaciones de frecuencia y voltaje.La norma ISO 8528 establece lasnormas de respuesta transitoria.

Cuatro clases rendimiento estndesignadas en la norma ISO 8528 -1-7para describir un grupo electrgeno entrminos de voltaje y frecuencia. Lasiguiente tabla muestra la clase derendimiento y sus criterios y ejemplosde aplicacin. Debe seguirse la clasede rendimiento relevante para laaplicacin con el fin de ajustarse a la


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norma y lograr un rendimiento mximo.

G1 Se requiere para aplicaciones en donde lascargas conectadas son tales que slo serequiere especificar parmetros bsicos de

voltaje y frecuencia.

Aplicaciones de usogeneral, cargas deiluminacin y elctricas

G2 Se requiere para aplicaciones en donde lademanda de voltaje es similar a la de lossistemas de energa comercial. Cuando lacarga cambia, son aceptables desviacionestemporales de voltaje y frecuencia.

Sistemas deiluminacin, bombas,ventiladores ylevantamiento.

G3 Se requiere para aplicaciones en donde elequipo conectado puede presentardemandas severas de voltaje, frecuencia yformas de onda.

Equipo detelecomunicaciones

G4 Se requiere para aplicaciones don de lasdemandas de voltaje, frecuencia y formasde onda son muy severas.

Equipo decomputadoras yprocesamiento de datos

La Tabla No. 4muestra losparmetros de aceptacin (cada) yrechazo (punto desobrecalentamiento) identificados en

la norma ISO 8525-5. La Clase G4est reservada para lmites especialesque deben acordarse entre elfabricante y el cliente. La norma ISO8528-5 tambin establece los lmitesde los tiempos de recuperacin paracada clase e indica cmo se mide eltiempo de recuperacin.

Lmites acordados entre el

fabricante y el cliente (AMC)Clase G1

Clase G2

Clase G3

Clase G4

%FrecuenciaAceptacin

15 10 7 AMC

%FrecuenciaRechazo

18 12 10 AMC

% de VoltajeAceptacin

25 20 15 AMC

% VoltajeRechazo

35 25 20 AMC

Tiempo(segundos)

5 5 3 AMC

Tabla 4

La norma SAE J1349 especifica lascondiciones de prueba de suministrode combustible y de aire de admisin.Tambin describe un mtodo paracorregir la potencia observada paralas condiciones de referencia y unmtodo para determinar la potencia

neta del motor a carga plena con undinammetro para motores.

Consideraciones del motor

Presin Media Efect iva al Freno(BMEP)

En el dimensionamiento del grupoelectrgeno, puede ser necesario lacomparacin de los motores paradeterminar el rendimiento ptimo,


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especialmente durante el arranque delmotor. El par y la potencia sonmediciones necesarias, pero no sontiles cuando se comparan motores dediferente diseo y tamao. En lugar deeso, los motores pueden compararseusando la presin media efectiva alfreno (BMEP).

La "presin media efectiva" es elpromedio de la presin necesaria en elcilindro del motor para que seproduzca par y potencia especficos.La BMEP se conoce como MEP alfreno o el trabajo ti l realizado en elvolante del motor.

La BMEP es un indicador del pardisponible en el motor. La BMEPindica si la presin del cilindro seencuentra en un parmetro derendimiento ptimo. La BMEP es unnmero relativo usado como estndarpara comparar los motores dediferente diseo o tamao. La BMEPpuede expresarse en lb/pulg, kPa obar.

Paso de carga del BMEPDos motores de diferente tamaos

trabajan de forma similar si operancon la misma BMEP.

En las siguientes figuras y en el

texto se describe una carga de BMEP.Sucesos paso a paso - Cargaapl icada

Las Figuras No. 5 y No. 6muestranla adicin de carga plena a un grupoelectrgeno con turbocompresin yposenfriamiento (TA) con un reguladorde voltaje 1:1 voltios/Hz. La FiguraNo. 5muestra la variacin de losparmetros en funcin de la velocidad

del motor; La Figura No. 6presentalos mismos sucesos en funcin deltiempo.

Nota:La lectura del tema, antes derevisar las figuras, ayudar a entenderel contenido.


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Figura 5

1. El punto 1 es el inicio del suceso.

El grupo electrgeno est establesin carga, en velocidad alta envaco y la BMEP es cero. Lacarga plena se aplicainstantneamente.

2. La velocidad cae y el reguladoraumenta el flujo de combustible,lo que a su vez aumenta la BMEPde salida del motor. A medidaque aumentan el error de

velocidad y el tiempo, elregulador rpidamente aumentala BMEP.

3. En el punto 3, el motor alcanzauna relacin de equivalencia de1,0 y la potencia alcanzatemporalmente el mximo. Eltiempo es tan corto que ha

ocurrido una pequea aceleracin

del turbocompresor.4. A medida que el regulador

contina aumentando el flujo decombustible hacia el tope de lacremallera, el combustibleadicional ocasiona exceso decombustible, humo y prdida depotencia.

5. En el punto 5, el reguladoralcanza el tope de la cremallera y

no hay ms flujo de combustible.6. El turbocompresor acelera, lo que

aumenta el flujo de aire y lapotencia del motor, usando partedel exceso de combustible.Debido a que el turbocompresores tan lento como el regulador, lapotencia aumenta mucho mslenta.


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7. En el punto 7, la BMEP de salidadel motor f inalmente correspondecon la carga exigida por elgenerador. Debido a que lapotencia y la carga sonexactamente iguales, no hayaceleracin o desaceleracin y lavelocidad es constante por uninstante en la cada de velocidadmxima.

8. Debido a que el error develocidad contina siendogrande, la cremallera permanecetotalmente abierta. La BMEP delmotor aumenta, excediendo lademandada por la carga. El

exceso de BMEP permite que elgrupo electrgeno acelere paraobtener la velocidad nominal. Lapotencia an est limitada por elaire.

9. En el punto 9, la BMEP del motoralcanza su nivel mximo en la

curva de capacidad desobrecarga del motor, aunque lavelocidad contina por debajo dela velocidad nominal. Ahora lapotencia est limitada por elcombustible.

10. El motor contina acelerando,con la BMEP limitada por el topede la cremallera, a medida que lalnea de carga aumenta paraobtener la carga especfica. Laaceleracin disminuye debido aque el exceso de BMEP tambindisminuye.

11. La velocidad alcanza la velocidadnominal y el regulador reduce laentrada de combustible hasta quela salida BMEP del motor seajusta exactamente a la demandade la BMEP de carga. Lavelocidad vuelve a ser constanteen la nueva carga.


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Figura 6

Debido a que slo se requiere laaccin del regulador, el motor puedealcanzar el punto 3 enaproximadamente 0,2 segundos. LaBMEP de los motores TA puedealcanzar aproximadamente 140lb/pulg sin que se requiera respuestadel turbocompresor. Luego, laaceleracin del turbocompresor

permitir que la BMEP del motoraumente, ms o menos, de 20 a 60BMEP por segundo; la respuestaprevista del turbocompresor semodifica para el error de velocidadbaja del motor, exceso decombustible, altitud, arranque en fro eimpacto del aire. Debido al aumentode 20 a 60 BMEP por segundo, el

ejemplo requiere aproximadamente1,5 segundos para llegar al punto 7, yaproximadamente 4 segundos parallegar al punto 9.

Debido a que los motores de unacilindrada especfica estn diseadospara salidas cada vez ms altas, noaumenta la capacidad para aceptar

cargas en bloque. Aunque un motorcon turbocompresin puede producirms potencia que un motor deaspiracin natural de cilindradasimilar, necesariamente no aumentasu capacidad de aceptar cargas enbloque. La Norma ISO (Organizacinde Normas Internacionales) sobregrupos electrgenos ha consideradoeste fenmeno y el resultado son los


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datos de la Figura No. 7,correspondiente a la norma ISO 8528 -5.

Figura 7

Expl ic acin de la Figura No. 7Usando la Figura No. 7, se puede

determinar el nmero de pasos decarga requeridos para la potenciadeseada. Primero, encuentre la BMEPdel motor a velocidad nominal; losniveles de BMEP se muestran paracada clasificacin en los datos derendimiento de la Informacin deMercadotecnia Tcnica (TMI).

Si el porcentaje de la carga enbloque es menor que la curva del

primer paso de carga, la carga enbloque puede obtenerse en un paso.

Si el porcentaje de la carga enbloque es mayor que la curva delprimer paso de carga, pero menor quela curva del segundo paso de carga,se necesitarn dos pasos de cargapara obtener la potencia deseada.

Si el porcentaje de la carga enbloque es mayor que las curvas de los

dos primeros pasos de carga, peromenor que la curva del tercer paso decarga, se necesitarn tres pasos paraobtener la potencia deseada.

Los bloques de carga y la respues tapara bloquear la carga son aspectosque deben considerarse paradeterminar el tamao del grupoelectrgeno. Muchos motores diesel

de cuatro tiempos conturbocompresin y posenfriamiento noaceptarn la carga en bloque de 100%en un solo paso. Asegrese siemprede que el grupo electrgenoseleccionado cumplir con losrequisitos de la aplicacin.

Configuracin del motorLa forma en que se configura el

motor puede afectar el tamaorequerido del grupo electrgeno.

Sistema de aireEl comportamiento de aceptacin de

carga de un motor tambin dependedel tipo de suministro de aire al

sistema de combustin. La potenciamxima del motor puede estarrestringida de aire. La potencia slopuede aumentarse si el flujo de aire yla tasa de combustible se aumentan.El flujo de aire del motor se determinapor la cilindrada del motor, lavelocidad del motor y la densidad delaire de admisin del motor. Cuantoms denso el flujo de aire, permitirque el grupo electrgeno funcione

ms eficientemente, para proporcionaruna respuesta ms rpida con cargasvariables.

Para una cilindrada determinada oun tamao de motor determinado, unamayor velocidad requiere un mayorflujo de aire. La mejor forma deaumentar el flujo de aire a velocidadescompatibles con 60 Hz o 50 Hz esaumentar la densidad del aire que

ingresa a los cilindros. Unturbocompresor puede aumentar lapresin del aire, lo que aumentar sudensidad. La densidad del airetambin puede aumentarse al enfriarel aire caliente y comprimido con unintercambiador de calor, llamadoposenfriador. Para este enfriamientopuede usarse un suministro de agua


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separado, el agua de las camisas o elflujo de aire del radiador.

La configuracin de los sistemas deaire tambin puede afectar larespuesta transitoria. Un

turbocompresor equipado con unavlvula de derivacin de gases deescape permite el uso de unturbocompresor ms grande, perolimita la presin de refuerzo del turboen condiciones de operacinnormales. El motor opera ms rpido yaumenta el flujo de aire sinsobrevelocidad. Otro ejemplo es lacapacidad de disminuir la respuestatransitoria al aumentar el nmero de

turbocompresores. sto permitira queel motor opere en la misma BMEP,pero con una respuesta transitoriadiferente. La presin de aire deadmisin de un turbocompresortambin afecta la densidad del aire.Un inyector ms pequeo en la cajade la turbina de un turbocompresoraumenta la velocidad del aire, lo quepermite que el turbocompresor opere

a una velocidad ms alta y, por tanto,aumente el refuerzo y el flujo de aire.Un motor equipado con mltiples deescape enfriados por agua transferirmenos calor al turbocompresor, lo quelo hace menos eficiente duranteperodos cortos de aceleracin.

Motores de gasLos motores de gas Caterpillar son

de aspiracin natural (NA) o con

turbocompresin y posenfriamiento(TA). Las condiciones atmosfricasafectan la forma en que un motor NApuede hacer fluir el aire en su sistema.La capacidad de carga de un motorNA est afectada directamente por laaltitud y la temperatura ambiente. Losmotores TA tienen un turbocompresorque comprime el aire, lo que aumentasu temperatura. Se usa un

posenfriador separado de modo que ladensidad del aire y el margen dedetonacin aumenten. Puededisminuirse la potencia de los motoresTA de modo que no experimentendetonacin prematura.

Capacidad de carga en bloque orespuesta transitoria

La capacidad de carga en bloque orespuesta transitoria del paquete delgrupo electrgeno del motor de gas esmenor que la de su contraparte, elmotor diesel. La mayor parte de estadiferencia se atribuye directamente alos sistemas de combustible diferentesde los dos motores. Cuando elregulador requiere ms potencia, unmotor diesel reacciona inyectandocombustible directamente al cilindro.Este mtodo permite que el motordiesel acepte cargas en bloque de100% con cadas de voltaje y cambiosde frecuencia aceptables. Cuando elregulador de un motor de gas requierems potencia, el acelerador se abre yun mayor flujo de mezcla de

aire/combustible comienza a moversea travs del ncleo del posenfriador, elmltiple de admisin de aire y luego alcilindro. Esta demora de tiempodesmejora la capacidad de losmotores de gas para aceptar cargasen bloque ms grandes.

Se ha hecho un gran esfuerzo paramejorar el rendimiento elctrico detransiente de los grupos electrgenos

G3516B y G3516C. El G3516B usa unenriquecimiento de transiente. Elenriquecimiento de transiente seprograma en fbrica en el software decontrol lo que mejora la absorcin dela carga en bloque. Tambin hay unatubera de derivacin desde elposenfriador a la entrada delturbocompresor que est equipadacon una vlvula electrnica. Este


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sistema es llamado derivacin delturbocompresor que, junto con elsoftware programado de fbrica,permite obtener descargas en bloquesin crestas del turbocompresor(cambios de velocidad rpida delturbocompresor). Estos dos sistemaspermiten el uso de los gruposelectrgenos G3516B para operacinisla. Los grupos electrgenos G3516Btambin pueden aceptar pasos decarga transitoria de 10%. Los gruposelectrgenos pueden rechazar pasosde carga transitoria de hasta 25% depotencia nominal desde cualquierpunto de carga dado.

Interaccin del sistemaEl generador y el regulador de

voltaje son responsables de ladesviacin y recuperacin de voltaje.La potencia producida por elgenerador es controlada por laexcitacin del rotor. El regulador devoltaje controla la excitacin (corrienteCC).

La mayor carga hacer fluir ms

corriente desde el generador, lo quehace que caiga el voltaje delgenerador. Como respuesta, elregulador aumenta la excitacin delcampo giratorio, lo que aumenta suflujo. Este aumento de flujo regresa elvoltaje del estator a su valor original.Por tanto, el generador puede produciruna demanda ms alta de corriente ypotencia en el mismo voltaje.

Como se explic anteriormente enesta seccin, la potencia mxima delgenerador est limitada por latemperatura. El calor se produce en eldevanado debido a los cambios deflujo de corriente y de intensidad delcampo magntico. Las temperaturassuperiores a los parmetrosespecficos hacen que el generador

sobrepase el lmite establecido en eldiseo. El mejor mtodo paraaumentar la potencia del generadorsin que se produzca calor excesivo esaumentando el tamao del generador;una mayor cantidad de cobre(devanados) puede transmitir mscorriente sin aumentar la temperatura;ms hierro (laminados) puede manejarun mayor flujo sin aumentar latemperatura.

Cuando se aade una carga, elvoltaje del generador cae debido a loscambios de flujo magntico en elhierro y en el espacio vaco. Ungenerador de mayor tamao tiene ms

hierro, de modo que la desviacin deintensidad del campo y del voltaje dekW determinados son menores.

La suma de las constantes detiempo del regulador de voltaje, elexcitador, el rotor principal y el estatorprincipal, determinan la respuesta y larecuperacin de voltaje;generalmente, esto es menor a unsegundo, con tiempo adicional para

que el regulador se estabilice.Reguladores de voltaje

El regulador de voltaje es uncomponente clave para determinar lacantidad de desviacin devoltaje/frecuencia y el tiempo derecuperacin. Hay varios tipos dereguladores:

Constantes

Voltios/Hertz 2 Voltios/Hertz

Regulador de voltaje digi tal(voltios/Hz ajustables)

Un regulador de voltaje constanteintenta mantener el voltaje nominal amedida que se aplica la carga. Debidoa que el generador se mantiene en elvoltaje nominal, ste mantiene la


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carga aplicada (ekW). Anteriormente,resaltamos la importancia de larelacin entre ekW y bkW.

bkW = Velocidad x Par/lambda

Por tanto, cuando se usa un

regulador de voltaje constante, obligaa aumentar el par del motor durantelas cadas de frecuencia. Debido aque la mayora de motores de losgrupos electrgenos no estndiseados para aumentar el par,puede presentarse una cantidadsignificativa de cada de frecuencia.

Las rpm de velocidad del motordisminuyen a medida que se aplica

cualquier carga en un colector limitado(generador). sto hace que ca iga lafrecuencia/voltaje consecuentemente.Las cargas grandes aplicadas al grupoelectrgeno impondrn un porcentajemayor de cada; cargas grandestambin requerirn ms tiempo paraque el motor se recupere.

El regulador de "Voltios por Hertz"(1:1 Voltios/Hz) fue diseado para

imponer un par decreciente en elmotor durante las cadas defrecuencia. El regulador Voltios/Hzprograma el voltaje proporcionalmentecon la velocidad.

Si la velocidad cae 15%, el reguladorVoltios/Hz har que el voltajedisminuya 15%. sto reducir el flujode corriente en la carga en 15%. LoskW absorbidos por la carga sonentonces 0,85 (85% de los voltios)multiplicado por 0,85 (85% de lacorriente), o 72,25% de la potencianominal. El motor slo debe producir72,25% de los hp nominales.Matemticamente, la frmula paraeste concepto es:

0,85 voltios x 0,85 corriente = 0,7225potencia = 0,85 velocidad x 0,85 par

La tecnologa ha permitido unaumento de las clasificaciones delmotor. Este aumento crea laposibilidad de cargas transitorias msaltas. En algunos casos un reguladorVoltios/Hz no puede evitar la cadaexcesiva de frecuencia debido a losmayores cambios de carga; el par haaumentado tanto que la deceleracinen la carga es extrema. Caterpillar hadesarrollado un regulador 2 Voltios/Hzpara controlar esta situacin.

El regulador 2 Voltios/Hz disminuyeel voltaje dos veces la tasa de cadade frecuencia. A velocidad del motorde 15%, el voltaje podra caer a 30%

(2 x 15%) y la carga se reducira a70%. Los kW absorbidos po r la cargason 0,70 (70% de los voltios)multiplicado por 0,70 (70% de lacorriente), o 49% de los hp nominales.

Si el grupo electrgeno es losuficientemente grande paratransportar la carga, el regulador 2Voltios/Hz podra ayudar en elarranque del motor. Un motor de

arranque reducido podra norequerirse con el regulador 2Voltios/Hz cuando se arrancanmotores grandes, dependiendo deldiseo del sistema y de los pasos decarga aplicados. Sin embargo, sereducira el voltaje de todo el sistema,no slo del motor.

Regulador de voltaje digitalEl regulador de voltaje digital es un

regulador de voltaje basado en unmicroprocesador. Su propsitoprincipal es regular el voltaje de salidadel motor del grupo electrgeno. Estdiseado para mejorar el rendimient oal permitir la modificacin decaractersticas de regulacin queantes no podan modificarse. stopermite que el motor del grupo


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electrgeno funcione de manera mseficaz y proporcione un mejorrendimiento al cliente.

El regulador de voltaje digital puedeconfigurarse con un software para

optimizar la respuesta transitoria decualquier paquete de grupoelectrgeno Caterpillar al cambiar lascaractersticas de frecuencia baja, ascomo las ganancias del bucle decontrol. El diseo basado enmicroprocesador permite unaflexibilidad incomparable en diversasaplicaciones.


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Requisitos del cliente

Demanda de potencia

Requisitos de potencia en el sitio

Antes de seleccionar el modelo y laclasificacin de un motor deberealizarse un anlisis de carga. Estaseccin explicar los factores queafectan el dimensionamiento delgenerador, incluyendo lasnecesidades de administracin decarga, los lmites de cada de voltaje yfrecuencia, las consideraciones dearranque del motor, las necesidadesde arranque y todas las normasrequeridas.

Administracin de cargaLa administracin de carga es el

control cuidadoso de las cargas de ungrupo electrgeno y/o una empresa deenerga para tener los costoselctricos ms bajos posibles.

La evaluacin de los perfiles decarga del cliente es un componente

clave para establecer su perfil deadministracin de carga y el tamaodel grupo electrgeno requerido paraoperar dentro de este perfil.

Perfiles de cargaSe debe establecer la duracin y la

naturaleza de una carga paraseleccionar y operar un sistema degrupo electrgeno a eficienciamxima. Para analizar una carga, es

necesaria una familia de tablas deperfiles de carga. Los perfiles de cargacronolgicos y de duracin son mstiles para este propsito.

Nota:A menos que se conozca que lacarga es estacionaria, este promediono puede usarse para establecer losrequisitos del motor y del generador,

debido a que el promedio siempreser menor a la demanda kW mxima.

El propsito del nmero de promedio

mensual es poder graficar un aocompleto y determinar cualquiervariacin estacional.

La curva cronolgica de carga diaria,mostrada en la Figura No. 8, muestrala demanda de carga durante todo elda. Una curva cronolgica establecela demanda diaria mxima y un perfilde uso de energa que pueden ayudaren la seleccin del tamao apropiado

del motor. Esta curva de cargatambin es til en la programacin deunidades para obtener una operacineconmica.

Figura 8

Los valores mximos tpicos diarios

para varias industrias puedengraficarse basados en las cargastpicas que se muestran en la FiguraNo. 9.


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Figura 9

Las curvas de duracin, mostradasen la Figura No. 10, reacomodan lascurvas cronolgicas y resumen lacarga diaria. Estas curvas se creanpor semana, mes, estacin o ao. Elgrfico diario representa la carga dekilovatios promedio para cada da,mientras que el grfico de 12 meses,mostrado en la Figura No. 11,

representa la carga en kilovatiospromedio para cada mes.

Figura 10

Para cargas existentesproporcionadas por la empresa deenerga, las facturas de energaelctrica o los registros de consumoproporcionarn los datos necesariospara el perodo de doce meses. Lacarga kW promedio puededeterminarse mediante la siguienteecuacin:

kW total usados en el mesCarga kWpromediopor mes

= Horas mensuales totalesde operacin

Figura 11


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Estimacin de datos de cargaObviamente, los datos histricos de

carga no existen para una planta ouna instalacin que an no se haconstruido. En la Tabla No. 5 secalcula la carga promedio de variasinstalaciones. Aunque estas cifrastendrn variaciones dependiendo delas condiciones del sitio, sern fiablesy tiles para la realizacin de estudiospreliminares de factibilidad para lainstalacin.

Clasificacin de las cargasCuando se desarrolla un estimado

de carga, resulta til clasificar lascargas del sistema de iluminacin y depotencia. Estas cargas son muydiferentes.

Las cargas del sistema deiluminacin son relativamenteconstantes. Estas cargas se expresancon mayor frecuencia como densidadde carga en voltio-amperios (VA) porpie cuadrado (VA/pies2). En un edificio

comercial, las cargas del sistema deiluminacin generalmente varandesde 1,0 VA/pies2en un rea dealmacenamiento, hasta 15,0 VA/pies2

o ms en un rea de oficinas.

Las cargas de potencia involucrancargas diferentes a las del sistema deiluminacin. Algunos ejemplos sonmotores, hornos y rectificadores. Adiferencia de las cargas del sistemade iluminacin, las cargas de potenciavaran de acuerdo con diferentesfactores, como: los tiempos dearranque y parada, el porcentaje desalida y el factor de potenciarelacionado.

Adems de la clasificacin de lascargas, las cargas del sistema deiluminacin y de potencia tambin secalculan por separado. Las cargasluego se suman para determinar lacarga total aproximada.


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Datos aproximados de carga y consumo de potencia

Uso de potenciaInstalacin Vatios/pie kWh/pies2/ao

EscuelasSalones de claseVestuarios, auditorios,

Pasillos

Promedio de 4-5 (43,06-53,82W/m2(Total)

5-6 (53,87-64,58)

2-3 (21,53-32,29)20 vatios por pie (65,62 W/m)

11 a 17(1,02 a 1,58kWh/m2/ao)

Centros comercialesTiendas, tiendas grandes pordepartamento y tiendasespecializadasVitrinas

Promedio de 5 (Total)5-6 (53,87-64,58)500 vatios por pie (1.640,5W/m)

28 a 34 (2,6-3,2)

Edificios de oficinasOficinas privadas y generalesOficinas profesionalesDentistas, salas de r edaccin, etc.

Promedio de 5-64 (43,06)6-7 (64,58-75,35)7 (75,35)

28 a 34 (2,6-3,2)

Hoteles y motelesSala de esperaHabitacionesComedoresPasillos de exhibicin, tiendas,recepcin, cocina

Promedio de 3-4 (32,29-43,06)(Total)

2 (21,53)3 (32,29)4 (43,06)3 (32,29)

12 a 17 (1,1-1,58)

HospitalesRecepcin, pabellones, cafeterasHabitaciones privadas, quirfanosMesas de operacin: Cirugasdelicadas

Cirugas sencillas

1,5 kW a 2,5 kW en promedio porcama

3 vatios/pies (32,29 W/m)5 vatios/pies (53,82 W/m)3.000 vatios cada una1.500 vatios cada una

8.500 kWh a11.400 kWh porcama, por ao

Edificio de apartamentosRecepcin

ApartamentosElectrodomsticos pequeos

2-3 kW por unidad (Total)2 vatios/pies (21,53 W/m)

3 vatios/pies (32,29 W/m)1,5 kW/unidad

11 a 17 (1,20 a1,58)

Tabla 5

Clculo de la carga VA/pies 2

Para propsitos de clculo, lascargas de potencia y las cargas delsistema de iluminacin pueden

medirse en VA/pies2. Sin embargo, unanlisis detallado requiere la medicinindividual de las cargas de potenciapara garantizar la exactitud.

Un sencilla tabla, basada enVA/pies2, se usa para obtener unclculo aproximado de una carga,expresado en los kVA totales

generados; La Tabla No. 6corresponde a dicha tabla.

Ejemp lo de cargaCalcule la carga para una oficina de

10.000 pies con sistema de aire

acondicionado elctrico.Solucin

La columna de la izquierda de laTabla No. 6indica que la cargamxima del sistema de iluminacin enun edificio de oficinas es 4,0 VA/pies2.Por tanto, la carga del sistema deiluminacin equivale a:

4,0 VA/pies2x 10.000 (pies) = 40.000 VA


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Voltio-amperios por pie cuadrado(Va/pies 2)

Tipo de cargaTipo de

instalacin Sistemas deiluminacin

Potenciavariada

Aireacondicionado

(elctrico)

Aireacondicionado(no elctrico)

Edificio de

oficinas

2,5 - 4,0 2,0 4,0 - 7,0 1,5 - 3,2

Hospital 2 - 3 1,0 5,7 2,0 - 3,2

Escuela 2,0 - 4,0 1,5 3,5 - 5,0 1,5 - 2,2

Tabla 6

Al leer la tabla de izquierda aderecha:

Se requiere 2,0 VA/pies2paracargas de potencia variadas:

2,0 VA/pies2x 10.000 (pies) = 20.000 VA

Se requiere 7,0 VA/pies2para lascargas elctricas del sistema de aireacondicionado:

7,0 VA/pies2x 10.000 (pies) = 70.000 VA

Las cargas individuales debensumarse para determinar la cargacombinada:

40.000 + 20.000 + 70.000 = 130.000 VA

Cuando se use la tabla indicada, esimportante recordar que la tabla noexplica las prdidas de potenciacausadas por la resistencia de losalambres y los cables. Una prdida depotencia de hasta 6% se incluira en elclculo de VA totales cuando serealiza el clculo para una instalacin

con alto cableado.Pasos de carga

Los pasos de carga se refieren a lacantidad de carga colocada al mismotiempo en un grupo electrgeno. Ungrupo electrgeno puede aceptarcarga en un solo paso de carga opuede distribuirla en varios pasos decarga. El cliente puede identificar las

necesidades del entorno y luegopuede aplicarse un mtodo apropiadode arranque. El anlisis del paso decarga BMEP, descrito anteriormenteen esta gua, es un sistema paradesarrollar un mtodo de arranque.

La mayora de las cargas no exigirnpotencia en el modo de estadoestacionario; por tanto, es importanteconocer la secuencia de operacin ylo que estar en funcionamientocuando se conectan las cargas.

PriorizacinLa priorizacin es el proceso

mediante el cual el cliente identifica

qu cargas elctricas se requieren ycon qu prioridad. Las cargas deprioridad ms altas se ubicarn en elprimer paso; incluso si todos losgrupos electrgenos no estn listospara carga. El primer grupoelectrgeno listo para aceptar la cargatomara las cargas de primeraprioridad. El siguiente paso sera ir ala siguiente carga con la ms altaprioridad. Este proceso se repetir

hasta que se apliquen todas lascargas.

Los pasos de cargas ms pequeosequivalen a cargas transitorias mspequeas, lo que resulta en una fciltransicin. Por ejemplo, un centromdico puede dar prioridad al equipode salvamento como su necesidadnmero uno. Dicho equipo (o los


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tomacorrientes especiales para elequipo) sera el primero en tenersuministro de electricidad del primergrupo electrgeno disponible. Elsistema de iluminacin puedeidentificarse como la segundanecesidad ms importante ymanejarse a travs del segundo pasode carga.

Cuando se arrancan los gruposelectrgenos sin un orden de cargapreferido, se sugiere que las cargasgrandes se arranquen primero. Lacarga transitoria ms grande ocurrirantes de que el sistema est muycargado. Estas cargas grandes

tendrn un efecto mnimo en el restodel sistema.

Desconexin de cargasLa desconexin de cargas se refiere

al mtodo mediante el cual sepriorizan las necesidades despus dearrancar los grupos electrgenos.Durante perodos de demanda alta,algunas cargas pueden ser menosimportantes para la instalacin que

otras cargas. Estas cargas pueden"desconectarse" o no recibir potencia,de modo que la electricidad puedeusarse para cargas esenciales ydeterminadas con anticipacin.

Por ejemplo: En una fbrica, todo elequipo de soldadura y otras mquinaspueden operarse hasta el lmite decapacidad y al mismo tiempo entre las10:00 a.m. y las 12:00 m y luego entre

la 1:00 p.m. y las 3:00 p.m. Duranteeste tiempo, la carga para las luces dela cafetera y del estacionamientodeben desconectarse debido a que noson una prioridad.

Cargas intermitentesEquipo, como hornos y elevadores,

usan potencia intermitente y seconsideran cargas intermitentes.

Todas las cargas que siguen unacarga intermitente deben considerar lacarga intermitente como parte de sucarga total. sto aumenta losrequisitos skVA y podra requerirse ungenerador ms grande para las cargasintermitentes.

Categoras adicionales de cargaNo hay pautas oficiales para

clasificar las cargas. Los arquitectos,consultores, clientes y contratistasdeterminarn las categoras para lascargas, de acuerdo con cadaproyecto.

Por ejemplo: Las cargas de un

proyecto determinado pueden dividirseen cargas del sistema de iluminacin,de calentamiento y de enfriamiento.En otro proyecto, las cargas puedenclasificarse como normales, deemergencia e ininterrumpibles. Lascargas de un tercer proyecto puedendividirse como cargas base,intermedias y de corte de crestas.

Estrategias de adm inistracin de

cargaLas empresas de energa elctricaalgunas veces ofrecen a sus clientesdescuentos si sus cargas no varan oexceden un lmite determinado. Eldescuento ms comn es el corte decrestas, la carga fundamental y elcontrol importacin cero/exportacincero.


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Corte de crestasLa Figura No. 12 muestra cmo el

cliente de una empresa de energaelctrica puede calificar para una tasade descuento si su demanda nosobrepasa los 500 kW. Cualquierpotencia mayor que 500 kW esproporcionada por el grupoelectrgeno del cliente. Por tanto, elcliente "corta" las crestas de laresponsabilidad de la empresa deenerga elctrica. El corte de crestaspuede ser muy exigente en un motor;debe poder arrancar rpida yautomticamente paralelo a laempresa de energa elctrica. El

tiempo de respuesta del motor escrucial debido a las fluctuaciones decarga.

Figura 12

Carga fundamentalEl tipo de administracin de potencia

menos exigente en un motor es lacarga fundamental. El generadoropera a una carga constante y laempresa de energa elctrica importala potencia cuando la carga excede lasalida del generador. El usuariotambin puede exportar potencia a laempresa de energa elctrica si lacarga es menor que la salida delgenerador. La Figura No. 13 muestraun sistema de carga fundamental eindica cundo se importara oexportara la potencia elctrica.Debido a que las sobrecargas son

manejadas por la empresa de energaelctrica y el grupo electrgeno esoperado a una carga cons tante, eltamao y el tiempo de respuesta delmotor no son tan cruciales como en elcorte de crestas.

Figura 13


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Importacin cero/Exportacin cero

El tipo de administracin de carga enque el cliente proporciona potencia atodas las necesidades elctricas de lainstalacin, mientras permanezca en

paralelo con la empresa de energaelctrica se conoce como control deImportacin cero/Exportacin cero.Vea la Figura No. 14. Si los requisitosde potencia varan ampliamente,puede usarse una serie de gruposelectrgenos conectarse en lneacomo se requiera. Debido a que lainstalacin del cliente permaneceparalela a la empresa de energa

elctrica, las demandas de losmotores para este tipo de control sonsimilares a los de la cargafundamental. La fiabilidad es unasunto muy importante para estosclientes. Las empresas de energaelctrica con frecuencia sancionarncon cargo por demanda cada vez quese recurre a ellas para el suministro deenerga.

Figura 14


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Concepto de corte de crestas comparado con comparticin de crestas

Corte de crestas Comparticin de crestas

El cliente desconecta la carga o genera laenerga para reducir su propia cresta dedemanda

El cliente genera energa para ayudar a laempresa de energa elctrica a reducir suscrestas

La prctica generalmente no tiene el respaldode las empresas de energa elctrica La prctica tiene el respaldo de muchasempresas de energa elctrica con dficits encapacidad de generacin elctrica.

Ventajas para el cliente gracias a ventas queperdera la empresa de energa elctrica

Debido a los beneficios que recibe laempresa de energa elctrica, sta puederecompensar al cliente

Hay ahorros acumulados para el cliente porcargos de demanda reducidos

Los ahorros se acumulan de las tasasinterrumpibles o de los crditos por kW de lacapacidad de generacin en el sitio por partedel cliente

El concepto es factible slo cuando el cliente

experimenta "picos" severos de demanda ycargos por demanda alta.

El concepto es viable incluso para los

clientes con perfiles de carga relativamenteparejos.

El cliente decide cundo poner a funcionar losgeneradores

La empresa de energa elctrica establece laoperacin cuando no puede cumplir contodas las demandas de sus clientes

Si los generadores estn instalados con el nico propsito de aprovechar los incentivosde corte de crestas, el cliente obtiene la ventaja adicional de la proteccin de reserva

cuando se presenten interrupciones de fluido elctrico de la em presa de energaelctrica.

Figura 15

Comparticin de crestasEn una configuracin tpica de

comparticin de crestas, el clienteinstala y opera generadores decapacidad especfica cuando laempresa de energa elctrica le indicaque lo haga. En muchos contratos decomparticin de crestas, las empresasde energa elctrica compensan alcliente cada vez que ellos operan sus

propios generadores. Las diferenciasentre el corte de crestas y lacomparticin de crestas se describenen la Figura No. 15.

CogeneracinLa cogeneracin es el trmino usado

para describir el sistema deadministracin de carga que produceelectricidad para las operaciones del

sistema de iluminacin y del equipo,mientras usa el calor residualproducido en el escape del sistema decalentamiento, enfriamiento ogeneracin de vapor del proceso. Lasplantas de cogeneracin puedenoperar independientemente de laempresa de energa elctrica o enparalelo, de modo que el cogeneradorpuede comprar o vender energa de la

empresa de energa elctrica.


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Curvas de duracin de cargaLas curvas de duracin de carga

tambin pueden representar cargas.

Figura 16

Como se muestra en la Figura No.16, las cargas se organizan en ordendescendente de magnitud , basado enel porcentaje de carga total. Losgrupos electrgenos que suministranpotencia a la carga fundamentaloperan durante un perodo de 24horas. Los grupos electrgenos que

suministran potencia a la cargaintermedia se activan durante unperodo limitado cuando la cargaaumenta a un nivel especfico.

Los grupos electrgenos designadospara proporcionar potencia a la cargamxima se usan para potenciar el100% de la carga durante un perodocorto.

Cuando se conoce el tipo de

administracin de carga mseconmico para la instalacin, puededeterminarse el tamao del grupoelectrgeno requerido, basado en elfactor de carga y de la aplicacin.

Pautas para estimacin de cargasPueden usarse muchas pautas para

calcular los diferentes tipos de cargas.Por ejemplo: En la Tabla No. 7, lapotencia al freno (BHP) por hora de uncompresor de aire, clasificado en 125lb/pulg puede hallarse multiplicandolos pies cbicos nominales por minuto(pies/min) del compresor por 0,275.Las cargas de los ventiladores,sopladores, bandas transportadorasinclinadas y las mquinas para soldartambin pueden calcularse usando lainformacin de esta tabla.


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Crecimiento de la cargaDeben tenerse en cuenta las

necesidades futuras de los clientespara determinar el tamao de ungrupo electrgeno. Si el clienteanticipa el crecimiento de suaplicacin debido a un mayor volumeno mayores necesidades,sobredimensionar el motor o dejar

espacio para instalar posteriormenteotro generador , es razonable y tilpara el cliente. El crecimientoproyectado de la carga para cualquieraplicacin nunca debe ser menor que10%. La Tabla No. 8muestra elcrecimiento tpico de carga durante unperodo de 10 aos en diferentesaplicaciones.

Pautas para dimensionamiento de cargas tpicas

Compresores deaire

Ventiladores ysopladores

Bandas transportadorasinclinadas(15 a 20)

Soldadoras

Clasificacin de 90lb/pulg0,225 x pies/min =BHP100 clasificacin de100 lb/pulg0,25 x pies/min =

como dimensionar un generador

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