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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DEPOTENCIA

Título: Rediseño de sistemas de excitación y regulación de voltaje engrupos generadores.

Tesis previa a la obtención del título de Ingeniero Eléctrico en SistemasEléctricos de Potencia

Jaime Octavio Andrade Jácome

Julio del 2000

Certificación:

Certifico que el presente trabajoha sido realizado, en su totalidad por elseñor Jaime Octavio Andrade Jácome,bajo mi direccií

t-ToapantaDirector de Tesis

Julio 2000

Dedico este trabajo a mis padres,Susana y Octavio; a mis hermanos, Cattyy Patricio y a mi director de tesis Ing.Milton Toapanta.

:

Agradezco al Ing. Milton Toapanta,director de tesis, quien con su guía hizoposible la ejecución del presente trabajo.

un

Sumario

El presente trabajo hace un análisis de un sistema de generación en forma general,describiendo los principales componentes del mismo y la forma de operación de cadauno de ellos.

Posteriormente se realiza en estudio de un grupo generador particular, el cual esgrupo electrógeno y su función principal es operar en emergencia

Para este estudio se procedió a rehabilitar un generador que disponía de sistemas decontrol y excitación electromecánicos, no disponía de máquina motriz y el alternadorpresentaba las bobinas del inducido quemadas.

Se procedió arebobinar el estator, a acoplar un motor de combustión interna a gasolina,y a cambiar el sistema de regulación de voltaje antiguo por un sistema de regulación devoltaje automático, él cual se basa en componentes electrónico y de estado sólido.

Como trabajo destacado de esta tesis se presenta el diseño del regulador automático devoltaje (RAV), el cual se encarga de mantener el voltaje generado, en terminales,constante.

Todos los cálculos y procedimientos desarrollados en este trabajo, para poner enfuncionamiento a este grupo generador se presentan en los diferentes capítulos delmismo.

En los anexos se presentan datos técnicos que se relacionan directamente con estetrabajo, fotografías del proceso de reconstrucción y puesta en marcha del grupogenerador, las curvas de magnetización y de pruebas de carga y el esquema deconexiones y lista de elementos del regulador automático de voltaje.

índice General

Capítulo l1.1 Introducción..., 11.2 Objetivo.. 11.3 Alcance. 21.4 Descripción del fenómeno físico... 3

Capitulo 2 Descripción general de un grupo generador.2.1 La máquina motriz........ 13

2.1.1 Calderas 132.1.2 Turbinas de vapor. 152.1.3 Turbinas hidráulicas..... 162.1.4 Turbinas a gas 172.1.5 Motores de combustión interna 19

2.2 El alternador 222.2.1 Construcción de los generadores.... .., 23

2.3 Sistemas de control, excitación y regulacióa..., 262.3.1 El sistemade control 262.3.2 Sistemade excitación....... 272.3.3 Los sistemas de regulación........... , 30

2.4 El regulador de velocidad 302.4.1 Clasificación de los reguladores...... 34

2.5 El regulador de voltaje.. , 382.6Laexcítatriz. 42

Capítulo 3 Descripción del grupo generador particularDescripción del grupo generador particular... 453.1 La máquina motriz: Parámetros y características.......... 49

3.1.1 Características mecánicas del motor. 503.1.2 Partes constitutivas ' 503.1.3 Funcionamiento de sus principales componentes..... 51

a) El carburador 51b) El sistemade encendido... 51c) Elgobernor.. 53d) El sistemade arranque....... 54e) El sistemade lubricacióa 55f) El sistema de enfriamiento 56

3.1.4 Justificación parausar este motor. 563.2 El reductor de velocidad: características mecánicas 57

3.2.1 Demostración de estas relaciones 583.2.2 Diseño y cálculo de las poleas.. 61

3.3 El alternador: Características eléctricas y sus parámetros 623.3.1 Datos de placa. , , 633.3.2 Estado de funcionamiento del sistema antiguo 633.3.3 Redísefío y repotenciación del alternador..... 65

a) Disposición constructiva y características eléctricasoriginales 66

b) Determinación de las áreas , 68c) Redisefío... 68

3.3.4 Curva de magnetización del generador. 703.4 El sistemade excitación y regulación de voltaje existentes 71

3.4,1 El sistema de excítacióa.,... 71a) Principios básicos de funcionamiento „ , 72b) Circuito magnético de la dínamo 73c) Excitación de campo 75d) Tipos de dínamos... 75e) Dínamo shunt...... , 76f) C ar acterí sti cas de vol taj e en una dínam o

shunt.... 773.4.2El antiguo sistemade excitación. 783.4,3 El sistema de regulación.... 79

Capítulo 4 £1 nuevo sistema de regulación de voltajeEl nuevo sistemade regulación de voltaje..., 814.1 Análisis de la curva de magnetización 824.2 Descripción del sistema de regulación de voltaje. 83

4.2.1 Diagrama de bloquee... 854.2.2 Principales componentes del regulador de voltaje 864.2.3 Funcionamiento del regulador de voltaje y sus componentes.... 88

4.3 Diseño del regulador automático de voltaje. 904.3.1 Especificaciones.... 914.3.2 Diseño del transformador de referencia de voltaje 91

a) Primario 93b) Secundario 94c) Justificación... 95

4.3.3 Diseño del circuito de control 96a) El circuito de selección de frecuencia.... 96b) El circuito divisor de voltaje.. 98c) El conversor AC/DC.... 99d) El comparador de voltaje 102e) El circuito de disparo....... 105

4.3.4 Diseño del circuito de potencia.... 1104.4 Análisis de resultados de funcionamiento ., 112

a) Funcionamiento del grupo 114b) Funcionamiento del motor........ 115c) Funcionamiento del alternador 116d) Funcionamiento del RAV 117

4.5 Análisis económico 1184.6 Análisis de Iosresultados de las pruebas. 120

Capítulo 5 Conclusiones y recomendaciones5.1 Conclusiones 1245.2 Recomendaciones ,. 126

Indice de anexos

Anexo # 1Datos técnicos del regulador de velocidad Woodward

Anexo # 2Datos técnicos de los reguladores de voltaje Nupart SX421 y Grameyer

Anexo # 3- Esquema del motor de combustión y ciclo de trabajo- Datos técnicos del motor a utilizarse en el grupo

Anexo # 4Fotografías del grupo generador en proceso de reparación

Anexo # 5Curva de magnetización del generador

Anexo # 6Hojas de datos técnicos de los elementos de estado sólido empleados en laconstrucción de la tarjeta reguladora

Anexo # 7Esquema de conexiones y lista de elementos usados en la construcción del EAV

Anexo # 8Curvas de las pruebas de generación

Anexo # 9Fotografías del grupo terminado y en operacióa

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Capitulo 1

1.1 Introducción

El estudio de las máquinas sincrónicas, desde sus inicios., ha sido de gran relevancia

debido a su amplia participación en la mayoría de procesos industriales, en lo que se

refiere principalmente a producción y conversión de energía, es por esta razón que el

presente trabajo pretende hacer una descripción general de una máquina sincrónica

trabajando como un grupo generador de energía eléctrica del tipo electrógeno para

emergencia.

La máquina sincrónica que opera como un generador de corriente alterna (ca) impulsada

por una máquina motriz para convertir la energía mecánica en eléctrica es la principal

fuente de generación de potencia eléctrica en el mundo. Al trabajar como motor

sincrónico., la máquina convierte la energía eléctrica en mecánica . El objetivo de este

trabajo es tratar sobre la máquina sincrónica como generador y no como motor.

1.2 Objetivo

El objetivo de este trabajo es determinar las condiciones eléctricas y mecánicas

mínimas necesarias, en un grupo generador de emergencia del tipo electrógeno, para

realizar el cambio del sistema de control electromecánico de regulación de voltaje por

sistemas de control basados en componentes electrónicos.

1 Referencia #1

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ÍCRealizar la construcción de un regulador electrónico de voltaje de estado sólido y

analizar su comportamiento ante diferentes condiciones de carga".

Los sistemas de control se refieren a todo sistema que actúa sobre la máquina tanto en la

parte eléctrica como en la parte mecánica, por ejemplo el regulador de voltaje, el

sistema de excitación, controles de sobre y baja velocidad, controles de temperatura,

controles de bajapresión de aceite, temporizadores, etc. En la actualidad estos sistemas,

en la mayoría de los casos, son sistemas electromecánicos.

Es importante contar con buenos sistemas de control en estas máquinas porque esto

garantiza su protección; y proteger una máquina como estas resulta fundamental ya que

el costo de las mismas es muy elevado.

Actualmente, los sistemas de control y protección de los grupos generadores de

emergencia son en su mayoría electromecánicos o presentan una combinación de

sistemas electromecánicos con componentes electrónicos.

Debido al alto costo de equipos electrónicos importados que sirven para desempeñar las

funciones de control y protección de este tipo de máquinas y que a la vez puedan ser

adaptados a las mismas; se justifica plenamente el objetivo arriba descrito.

1,3 Alcance

En este trabajo se pretende realizar una descripción lo más completa posible de los

grupos generadores de emergencia del tipo electrógeno., pero no sólo el aspecto

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relacionado con la electricidad y la electrónica sino también realizar una descripción

general de la parte mecánica. Para que aquellos lectores que estén interesados en

conocer algo más acerca de las maquinas motrices, el presente trabajo les pueda servir

como una introducción a este fascinante mundo de los motores de combustión interna.

Primero se realizará una descripción de la maquina motriz con sus componentes más

importantes como son: el regulador de velocidad, el sistema de lubricación, el sistema

de combustible, el sistema de refrigeración, etc.

Luego se hará una descripción del generador de cay sus componentes principales tales

como: la excitatriz, el regulador de voltaje, los devanados de armaduray campo., etc.

Posteriormente se realizará el análisis del grupo electrógeno particular, donde se

describirá el tipo de máquina motriz, el sistema mecánico de acople entre el motor y el

generador, y por último el generador y sus componentes.

Es importante anotar que sólo se realizará un análisis del sistema de excitación del

generador particular y no se realizará el disefío o la construcción de un nuevo sistema de

excitación.

1,4 Descripción del fenómeno físico

Debido a que se trata del estudio de una máquina sincrónica trabajando como generador

de ca, a continuación de realizará una explicación resumida de cómo se genera energía

eléctrica en este tipo de máquinas.

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La conversión electromagnética de energía relaciona las fuerzas eléctricas y magnéticas

del átomo con las fuerzas mecánicas aplicadas alamateriay con el movimiento1.

Prácticamente toda maquinaria eléctrica emplea materiales magnéticos para conformar

y dirigir los campos magnéticos, los cuales actúan como medio para la transferencia y

conversión de energía

La Ley de Faraday dice: t£El valor de la tensión inducida en una sola espira de hilo

conductor es proporcional a la velocidad de variación de las líneas de fuerza que la

atraviesan o concatenan con ella"2.

La ley de Faraday describe en forma cuantitativa la inducción de voltajes mediante un

campo magnético variable en el tiempo3.

e = d-1)dt

donde:e = fuerza electromotriz (fem)X = encadenamiento de flujo del devanadot = tiempo

El término fuerza electromotriz (fem) se usa con frecuencia en lugar de voltaje inducido

para indicar la componente de voltaje debida a un flujo encadenado que varía con el

tiempo.

1 Referencia #2a Referencia #23 Referencia #3

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La conversión electromagnética de energía se produce cuando un movimiento mecánico

se asocia al cambio de un flujo magnético. En las máquinas rotativas, los voltajes se

generan en devanados o grupos de bobinas al hacerlos girar mecánicamente a través de

un campo magnético.

Cuando se tiene un grupo de bobinas que se interconectan de manera tal que sus voltajes

generados contribuyen positivamente al resultado deseado, este grupo de bobinas se

llama devanado de armadura. En la generalidad de los casos para alternadores

sincrónicos, la armadura es la parte estática (estator) de la máquina.

El arrollamiento de las bobinas se realiza sobre núcleos de hierro para aumentar al

máximo el acoplamiento entre bobinas y aumentar así la densidad de energía magnética

asociada con la interacción electromecánica.

El hierro de la armadura está constituido por laminaciones delgadas para reducir al

mínimo las pérdidas debidas alas corrientes parásitas que se inducen en el núcleo. Estas

corrientes parásitas se producen porque el núcleo está sujeto a un flujo magnético

variable en el tiempo.

Puesto que los materiales constitutivos de la armadura y del campo sonferromagnéticos

se hace necesario describir las implicaciones y efectos de un campo magnético al

producir una fuerza magnetomotriz (finm) y su influencia sobre el circuito magnético.

Al considerar la relación de la densidad de flujo magnético B y la intensidad de campo

magnético H en materiales ferromagnéticos, se establece una curva de B vs H para

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dichos materiales, los que están completamente desmagnetizados; ambos, B y H9 son

cero.

Al aumentar la fuerza magnetomotriz (finm), la densidad de flujo también aumenta,

pero no iinealraente, como se puede ver la figura 1.1

O ÍOO 300 500 700

- H(A-vM)

900

Fig. 1.1 Curva de magnetización de una muestra de hoja de acero al silicio

Cuando H aumenta desde cero hasta aproximadamente 100., la densidad de flujo B se

incrementa rápidamente, a partir de 100 ésta aumenta más lentamente y para valores

altos de H comienza a saturarse hasta llegar al punto x.

Al reducir #, a partir del punto x} comienzan a aparecer los efectos de la histéresis

provocando que no se pueda trazar la curva original. Aun cuando £f sea cero, B = Br¡ es

la densidad de flujo remanente. Como los cambios en H se invierten., entonces regresa a

cero. Trazando varias veces el ciclo completo se obtiene el circuito de histéresis de la

figura 1.2


Hx H

• - -Bx

Fig. 1.2 Lazo de histéresis donde se indican la fuerza coercitiva ífc y la densidad de flujo remanente Br

La fuerza magnetomotriz (fmm)que se requiere para reducir la densidad de flujo a cero

se identifica como Hc? es l&juerza coercitiva .

El circuito magnético se completa a través del rotor en el cual se devanan las bobinas de

excitación o devanados de campo, el cual actúa como fuente de flujo magnético.

Normalmente el devanado de armadura de una máquina sincrónica está en el estator y el

devanado de campo en el rotor.

Una idea general del funcionamiento, como generador, de la máquina sincrónica se

puede obtener del siguiente gráfico (figura 1.3), el cual explica como se produce el

voltaje inducido en un generador de corriente alterna (ca).

1 Referencia #21

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El devanado de campo se excita mediante corriente continua a través de escobillas de

carbón que se aplican a anillos rozantes o colectores. Es conveniente tener un devanado

de bajapotenciaen el rotor.

ESTATOR

Fig. 1.3 Generador sincrónico elemental

Devana dode carreo

Trayectonasde flujo

Para este gráfico, el devanado de armadura consta de una sola bobina de N vueltas o

espiras, indicadas en sección transversal mediante los dos lados de la bobina a y -a

diametralmente opuestas dentro de ranuras angostas en el estator. Las bobinas del

estator se conectan en serie. El rotor gira a la velocidad sincrónica debido a la acción de

una fuente de energía mecánica que se acopla a su eje. Las trayectorias de flujo se

representan por líneas punteadas.


En la figura 1.4 - a se muestra una representación radial idealizada de la densidad de

flujo B en el entrehierro como función del ángulo espacial O en la periferia del

entrehierro. Cuando gira el rotor la onda de flujo barre los dos lados a y -a de la bobina,

el voltaje de bobina resultante (figura 1.4 — b) es una función variable en el tiempo que

tiene la misma forma de onda que la distribución espacial de B. El voltaje de la bobina

pasa por un ciclo completo de valores por cada revolución de la máquina de dos polos.

Su frecuencia en ciclos por segundo es .la misma que la velocidad del rotor en

revoluciones por segundo, es decir, la frecuencia eléctrica está sincronizada con la

velocidad mecánica

C») (b)

Fig, 1.4 a) Distribución espacial de la densidad de flujo, yb) fcrrna de onda coirespendiente al voltaje generado

Existe en el mercado una gran cantidad de máquinas sincrónicas que tienen más de dos

polos que corresponden a diferentes usos y aplicaciones y de acuerdo a las necesidades

particulares.

Un par de polos o un ciclo de distribución de flujo, en una máquina con P polos es igual

a 360 grados eléctricos o 2?í radianes eléctricos y como hay P/2 longitudes de onda

completas o ciclos en unarevolución completa, se tiene que:

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*=-+*„ (1-2)2 y

donde:9 = ángulo en unidades eléctricasP = numero de polos6m= ángulo mecánico

Puesto que el voltaje generado en la bobina pasa por un ciclo completo cada vez que

pasa a un par de polos, la frecuencia de la onda de voltaje es:

(1-3)2 60

donde:f = frecuencian = velocidad mecánica en revoluciones por minuto

La frecuencia co de la onda de voltaje en radianes por segundo es:

—2

donde:com = velocidad mecánica en radianes por segundo

Existen máquinas sincrónicas que tienen una .construcción como la anteriormente

estudiada que presenta un rotor de polos salientes o proyectantes o puede ser una

estructura de rotor cilindrico o sin polos salientes.

Una estructura tipo rotor de polos salientes se usa en generadores que trabajan a

velocidades relativamente bajas y una estructura tipo rotor cilindrico se usa en

generadores que trabajan a altas velocidades.

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El siguiente cuadro resume las relaciones velocidad - frecuencia para diferentes

números de polos en una máquina sincrónica

Número de polos

24681012

Velocidad en rpm25 Hz1500750500375300250

50 Hz300015001000750600500

60 Hz360018001200900720600

Tabla #1 -1 ; Relaciones velocidad— frecuencia

Cuando un generador sincrónico suministra energía eléctrica a una carga, la corriente de

la armadura crea una onda de flujo magnético en el entrehierro, que gira a la velocidad

sincrónica. Este flujo reacciona con el flujo creado por la corriente del campo

provocándose un torque electromagnético, estos dos campos magnéticos presentan una

tendencia a alinearse. En un generador este torque se opone al giro, entonces, la máquina

motriz debe suministrar el torque mecánico para sostener la rotación. Este torque

electromagnético es el mecanismo mediante el cual el generador sincrónico convierte la

energía mecánica en energía eléctrica

Se pueden establecer como características generales de los alternadores las siguientes:

1. El torque electromagnético, desarrollado en el conductor del inducido por el que

circula corriente, se opone a la rotación del campo magnético del rotor respecto al

inducido, de acuerdo a la ley de Lenz.

2. La tensión generada en el inducido produce una corriente en éste. La fase de la

corriente del inducido respecto a la tensión generada por el alternador depende de la

naturaleza de la carga eléctrica conectada entre los bornes del alternador.

3. La tensión generada por fase, Egp, de un alternador polifásico o monofásico puede

establecerse mediante la suma vectorial:


donde:Egp = la tensión generada por faseVp = tensión en bornes por fase del alternadorIpZp = es la caída de tensión debida a la impedancia sincrónica interna delalternador

Una ecuación importante en la construcción de las máquinas sincrónicas es la siguiente:

Eff = 4.44 * <f> + ü? + / + *, **rf[fr] (1-6)

donde:<j> = es el flujo máximoNp = es el número total de espiras por fasef = es la frecuencia en Hzkp = es el factor de pasoka = es el factor de distribución

Ley de Lenz: En todos los casos de inducción electromagnética, la tensión inducida

tenderá a hacer circular en un circuito cerrado una corriente en un sentido tal que su

efecto magnético se oponga a la variación que la ha engendrado1.

Dado que el objetivo de este trabajo no es explicar el proceso de la generación de

energía eléctrica, en este breve resumen del mismo, se han considerado los aspectos más

relevantes de dicho proceso y de esta manera continuar con los siguientes capítulos, los

cuales tratan sobre grupos electrógenos, máquinas motrices, sistemas de regulación y

control, características eléctricas y mecánicas, etc.

Referencia#2

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Capitulo 2

Descripción general de un grupo generador

2.1 La máquina motriz

En la actualidad existen diferentes formas de impulsar alternadores o generadores

sincrónicos con diferentes máquinas motrices entre las que se destacan principalmente:

• Las turbinas hidráulicas• Turbinas a gas• Turbinas a vapor• Motores de combustión interna

2.1.1 Calderas

Entre las principales formas de producir energía eléctrica está la producción de vapor

para impulsar turbinas que se acoplan a generadores, es por esta razón que las calderas

se consideran dentro de este análisis de máquinas motrices.

Las calderas tienen como uno de sus objetivos producir vapor para su aprovechamiento

en la obtención de energía, pueden ser de diferentes tipos, entre otros, calderas de tubos

de humo, de tubos de agua, etc. En general, las llamas y los gases calientes procedentes

de la cámara de combustión pasan por bloques de tubos que son rodeados en toda su

superficie, comunicando así su calor al agua del interior de los tubos.

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Existen calderas capaces de generar potencias de entre cientos de kilovatios hasta

cientos de megavatios. Se pueden utilizar combustibles como carbón, diesel y bunker

para producir calor y de esta manera generar vapor y agua caliente para uso industrial.

Las calderas producen vapor que puede ser utilizado a una gran variedad de presiones,

dependiendo de la necesidad del usuario. Dependen de la sección de los tubos para

transferir el calor generado por los gases de combustión al agua.

La combustión se realiza en el quemador, un ventilador de tiro forzado suministra aire

el cual se mezcla con el combustible seleccionado en el quemador, el proceso de

combustión empuja los gases por las diferentes etapas de la caldera hasta la chimenea

Las partes principales de una caldera son: la cubierta, los tubos de fuego y las láminas

de tubos, el quemador y su sistema de control. La cubierta es una nave de presión que

contiene el vapor y/o el agua caliente.

En la actualidad existen calderas muy eficientes, ya que estas poseen economizadores,

precalentadores, recirculación de aire, agua y vapor, etc. Estos diferentes métodos de

tratamiento de los combustibles y el agua aumentan considerablemente el rendimiento

de las calderas, incluso existen centrales de ciclo combinado que combinan vapor y gas.

Las calderas de las centrales eléctricas suelen producir vapor a presiones altas y a

temperaturas que resultan ser muy altas1.

Referencias # 4 y 5

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En las modernas centrales térmicas se condensa el vapor que sale de las turbinas o las

máquinas de vapor y se transforma en agua caliente que se utiliza una y otra vez en la

caldera. Esto permite aprovechar una buena parte de la energía calorífica del vapor de

escape, reduciendo los costos de tratamiento del agua y aumentando el rendimiento de

la turbina

2,1,2 Turbinas de vapor

En una turbina de vapor, éste es admitido por una válvula, primero en un extremo del

cilindro y después en el otro, de modo que su expansión empuja el émbolo hacia atrás y

hacia delante. Este émbolo está unido a la biela, la cual, a su vez, está articulada a la

manivela fijada al eje que hace girar el volante.

Cuando se abre la válvula de admisión y se deja penetrar vapor en el extremo del

cilindro, se abre la válvula de escape en el extremo opuesto, permitiendo escapar al

vapor que se ha expansionado y ha realizado su trabajo en este lado del cilindro. Las

turbinas de vapor son de dos tipos generales: turbinas de acción y turbinas de reacción.

En las turbinas de acción, el vapor vivo es dirigido desde pequeñas toberas directamente

contra las paletas o alabes de los miembros rotativos o rodetes de la turbina. En la

turbina de reacción el vapor pasa primero a través de una serie de paletas directrices

fijas que lo dirigen formando un ángulo determinado contra una serie de paletas

rotativas situadas muy cerca de las fijas. Las turbinas grandes tienen varios grupos de

estas paletas fijas y rotativas, a los que se les da el nombre de saltos depresión.

15


De esta manera se puede extraer al vapor toda su energía a medida que va

expansionándose de un salto a otro, con una pérdida de presión y de velocidad en cada

salto.

2,1,3 Turbinas hidráulicas

Las centrales hidroeléctricas suelen exigir algún tipo de presa, las presas pueden ser de

diversos tamafíos, aprovechar embalses naturales o puede ser una pequefía presa para

contener un curso de agua a gran altura en una región montañosa y almacenar agua en

un embalse natural en esta elevación.

El agua sale a presión de la presa por un conducto forzado., o gran tubería de presión, y

que la conduce a las turbinas acopladas a los generadores. El agua pasa a través de

válvulas a los alabes del rodete de las turbinas hidráulicas.

La potencia desarrollada en caballos por la turbina será proporcional a la altura en

metros o a los kilogramos de presión por centímetro cuadrado desarrollado por esa

altura y al volumen de agua que pasa por la turbina.

Las turbinas hidráulicas para funcionar con grandes volúmenes de agua a presión baja

son del tipo de reacción, o Francis^ con paletas algo parecidas a las de las hélices que

impulsan los barcos, y funcionan dentro de una envoltura y de un grupo de paletas

directrices que dirigen el agua contra los alabes del rodete. Este tipo de turbina se utiliza

en saltos de agua medianos.

16


En las centrales que utilizan grandes cargas o desniveles, en las cuales la presión y la

velocidad del agua son mucho mayores, el agua llega por una tobera cónica en forma de

un chorro de gran velocidad que choca contra los alabes de una rueda de acción o

turbina Pelton y hace que gire la rueda y el generador a una velocidad mayor que las

turbinas Francis. Este tipo de turbinas se utiliza en grandes caídas de agua.

Adicionalmente existen las turbinas Kaplan que utilizan admisión axial en lugar de una

admisión radial como la que se utiliza en los otros tipos de turbinas. Los alabes de esta

turbina son móviles, están en menor número y tiene forma de hélice. Se utilizan en

lugares de poca caída de agua

2.1.4 Turbinas a gas

El motor de gas es una máquina alternativa en la que la transformación del calor en

trabajo se realiza mediante la inflamación de una mezcla de gas y aire que previamente

ha sido comprimida por un émbolo. Generalmente el combustible gaseoso se produce en

un generador especial denominado gasógeno,

El gasógeno es un dispositivo para convertir un combustible sólido en un combustible

gaseoso., en este se suministra menos aire al combustible sólido para que pueda arder

completamente, lo que provoca la gasificación del combustible sólido, es decir, su

transformación en combustible gaseoso.

El gasógeno consta de un cuerpo cilindrico en cuyo interior, sobre una parrilla, se

di&pone el combustible en tres capas o zonas. En la primera zona o zona inferior el

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carbón se halla en estado incandescente. Al atravesar el aire esta zona se obtiene

anhídrido carbónico, desprendiéndose calor, estazonase llama de oxidación.

La zona intermedia se denomina de reducción ya que se forma aquí oxido carbónico y

se absorbe calor. Este gas obtenido se denominaban de aire, pero tiene una potencia

calorífica baja Se suele utilizar una mezcla de gas de. cure y gas de agua, en la tercera

zona para mejorar la potencia calorífica de este combustible gaseoso. Esta mezcla de

gases producto de la combustión de combustibles sólidos sirven como combustible en

motores de gas.

La evolución de los motores térmicos ha permitido construir turbinas en las cuales seaprovecha? directamente la energía desarrollada en la combustión, almacenada en losgases producidos "que se expansionan, de forma parecida que el vapor en las turbinas devapor, estos modernos motores se denominan turbinas a gas. La turbina de gas mássimple es la denominada dé ciclo abierto simple la que consta de loa siguienteselementos:• Compresor de aire• Cámara de combustión• Turbina propiamente dicha• Dispositivos auxiliares:

• Lubricación• Regulación de velocidad• Alimentación de combustible• Puesta en marcha, etc.

El aire atmosférico aspirado por el compresor alimenta la cámara de combustión a una

presión de entre 5 a 8 atmósferas. En la cámara de combustión se inyecta el combustible

de forma continua, la combustión que se inicia eléctricamente durante el arranque,

continúa a presión constante, con temperaturas que oscilan entre los 750 grados

centígrados.

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El gas obtenido se expansiona sobre el rotor de la turbina y sobre el rotor del compresor.

Este gas suministra la potencia necesaria para la compresión y la potencia útil en el

árbol de la turbina

Existen turbinas de gas de diferentes tipos, entre oirás las siguientes:

• Turbinas de gas con regeneración. -./.• Turbinas de gas con refrigeración y regeneración.• Turbinas de gas con refrigeración, regeneración y recalentamiento.• Turbinas de gas de ciclo cerrado.

2.1.5 Motores de combustión interna

En los sitios donde abunda el petróleo y sus derivados son baratos, es conveniente

emplear a los motores diesel como máquinas motrices (centrales diesel). Estas máquinas

se adaptan muy bien a su uso en las centrales de reserva que solo se emplean en

emergencias o durante las horas pico de la carga.

Una central diesel puede ponerse en marcha rápidamente y no se requieren de procesos

previos de calentamiento de calderas etc., permitiendo de esta manera, que el arranque y

la puesta en servicio se realice inmediatamente.

Las centrales diesel no requieren de grandes centros de almacenamiento de carbón o

lugares de tratamiento del agua, solo requieren de poca agua para refrigeración y de

tanques de almacenamiento de combustible, necesitan pocos cuidados y pocas

reparaciones ya que estos motores tienen una construcción muy robusta y su

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funcionamiento es sencillo1. Las centrales diesel ocupan muy poco espacio y trabajan

con derivados de petróleo de muy bajo costo.

El motor diesel es un motor de combustión interna en el cual se consigue la ignición del

combustible por el calor desarrollado al comprimir aire hasta un grado de compresión

muy elevado.

La ignición por compresión permite suprimir el equipo de encendido, necesario en los

motores de explosión, pero la principal causa de que se utilicen los motores diesel es el

hecho de que una alta compresión permite elevar el rendimiento del motor y reducir el

volumen de combustible consumido por unidad de trabajo efectuada

La alta compresión es utilizable por que se ejerce sobre el aire puro y no sobre la mezcla

de combustible y aire. El combustible se inyecta sobre el aire fuertemente comprimido

que, por esta causa, está sometido a una alta temperatura, produciéndose la inyección

durante un corto tiempo que empieza un poco antes del final de la carrera de

compresióa

Como esta inyección de combustible se realiza en el seno del aire comprimido,, el

combustible se atomiza, por lo que no necesita ser tan volátil como el que requieren los

motores a explosión.

El motor diesel es una máquina motriz completamente independiente. Otras

instalaciones de vapor, gas o hidráulicas requieren de accesorios como calderas,

gasógenos, presas, etc., mientras que el motor diesel no lleva ninguna instalación

Referencia #5

20


complementaria, basta con disponer recipientes para el combustible y para el aire

comprimido.

El motor diesel consta, en esencia, de uno o varios cilindros dentro de los cuales se

desplazan los émbolos o pistones impulsados por los gases que se expansionan al

producirse la combustión, cada émbolo arrastra, en su carrera, la extremidad de una

biela, articulada al émbolo, que determina el giro de un eje acodado o cigüeñal. En el

extremo del cigüeñal va montado un volante que almacena energía durante las carreras

motrices para cederla después en las carreras no motrices.

Los motores diesel se clasifican de la siguiente forma:

Según la disposición de los cilindros.

• De construcción vertical.• De construcción horizontal.

Según la velocidad.

• Rápidos.• Medios.• Lentos.

Por la forma de trabajar los émbolos.

• De simple efecto.• De doble efecto.

Por laformadel ciclo de funcionamiento.

• Motores de 4 tiempos.• Motores de 2 tiempos.

En pocas aplicaciones se utilizan motores de explosión a gasolina como máquinas

motrices., se utilizan en sistemas de emergencia y para bajas potencias; sin embargo en

21


el capítulo 3 se estudiará, en detalle esta máquina motriz., ya que el grupo generador en

estudio cuenta con un motor a gasolina

2.2 El alternador

Dependiendo de la literatura que se emplee para el estudio de los alternadores, 'se

encontrarán nombres como generador, grupo generador, turbogenerador,

turboalternador, alternador, máquina sincrónica, generador sincrónico, generador de

corriente alterna (ca), etc.; todos estos términos son sinónimos y se refieren a las

máquinas eléctricas capaces de convertir la energía mecánica en energía eléctrica; en el

presente trabajo simplemente se utilizará el término "generador".

Dado que el principio de producción del voltaje alterno ya se describió en el capítulo 1;

aquí se hará una descripción de la máquina sincrónica, sus características mecánicas,

eléctricas., constructivas y de funcionamiento.

Los generadores se construyen en diferentes tamaños desde 1 kVA hasta 50 kVA en

potencias pequeñas y sobre los 200000 kVA.en grandes potencias, pueden estar

acoplados a diferentes tipos de máquinas motrices sea por conreas o directamente,

impulsados por motores o turbinas, etc.

Se clasifican, básicamente, en:

• De inducido giratorio o de inductor giratorio• Los de tipo vertical o los de tipo horizontal• Los impulsados por turbinas, motores o máquinas de vapor

22

ESCUELAPOLTTECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIAELECTRICA

Con pocas excepciones, todos los generadores se construyen con inductor rotativo,

porque este tipo de construcción permite engendrar voltajes mucho más altos en los

devanados fijos del inducido y también porque elimina la necesidad de tomar energía de

alto voltaje de un miembro giratorio por intermedio de contactos deslizantes. Esto

simplifica la construcción de la máquina y reduce las dificultades relacionadas con el

aislamiento,

No influye para nada en la naturaleza del voltaje engendrado por la máquina el que sean

los polos inductores los que giren pasando delante de los conductores fijos del inducido

o que sean los conductores del inducido los que giren y pasen delante de los polos

inductores fijos. Mientras se mantenga la misma intensidad del campo inductor y la

misma velocidad de rotación, el corte de las líneas de fuerza por los conductores

producirá en ambos casos el mismo voltaje y la misma frecuencia

Los términos vertical u horizontal se refieren a al posición del eje del generador . Los

términos turbina y motor o máquina, aplicados para definir a los generadores, se

refieren al tipo de máquina motriz con la que se impulsa al generador.

2.2.1 Construcción de los generadores

Las dos partes que hay que tomar en cuenta en un generador son el inducido (estator o

armadura) y el inductor (rotor o devanado de campo).

1 Referencia #7

23

ESCUELAPOLITECNICANACIONAL FACULTAD DE INGENIERIAELECXRICA

Los devanados de armadura de los generadores son esencialmente iguales a los

devanados de los motores de inducción, es por esta razón que, un motor de inducción

puede convertirse en generador y viceversa, realizando en ellos ligeras modificaciones.

En las máquinas grandes se desarrollan enormes fuerzas magnéticas entre los

conductores del devanado cuando los generadores están muy cargados de corriente, es

por esta razón que es necesario anclar y fijar firmemente las bobinas a la armazón del

estator.

Los generadores de baja velocidad suelen tener los polos inductores montados en un

rotor. Los polos consisten en grupos de láminas firmemente sujetas unas a otras y

provistas de una zapata o ensanchamiento de hierro dulce. Las bobinas inductoras están

conectadas en serie o en grupos serie - paralelo, están siempre conectadas para

alternativamente producir polos norte y sur alrededor de todo él inductor; los inductores

de los generadores tienen siempre un número par de polos.

En los inductores de generadores de gran velocidad, que son largos y de diámetro

pequeño, los polos inductores se devanan en ranuras cortadas en la superficie del rotor.

Los generadores con devanados de este tipo en el rotor se llaman máquinas de rotor

cilindrico. Mientras que la otra disposición se llama máquina con rotor de polos

salientes.

Las partes principales de un generador son estructuras ferromagnéticas. El aislamiento

que se utilice en los generadores, siempre deberá estar de acuerdo con los límites de

voltaje y corriente que éste pueda manejar.

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE JNGENIERIAELECXRICA

Al alimentar el devanado de campo con corriente directa, la fuerza magnetomotriz

(fmm) de muy alta intensidad producida por esta corriente en el devanado de campo se

combina con la fuerza magnetomotriz producida por la corriente en los devanados de

armadura; el flujo resultante en el enírehierro, genera voltaje en los devanados de

armadura y produce el torque electromagnético entre el rotor y el estator1.

Puesto que toda máquina eléctrica produce calor debido a las pérdidas, su refrigeración

es un aspecto importante que hay que considerar. En la actualidad, los generadores

tienen rendimientos de entre 95 y 98%, el calor producido por las pérdidas,

principalmente en grandes maquinas, puede alcanzar valores altos de temperatura

El calor debe ser evacuado con la misma rapidez con que se produce, o el aislamiento

de los devanados se verá afectado y podría dafíarse. Dado que la resistencia de los

conductores de cobre depende directamente de las variaciones de temperatura, esto

implicaría que el rendimiento de los generadores disminuya

Es por esta razón que existen diferentes métodos de enfriamiento de los generadores,

entre los que se destacan:

• La circulación natural de aire• Ventilación forzada de aire• Enfriamiento por hidrógeno• Enfriamiento por circulación forzada de agua

Son accesorios complementarios de un generador el sistema de excitación, los sistemas

de regulación de voltaje y frecuencia, aparatos de medida, tableros de control y

protección.

1 Referencia # 1

25


2.3 Sistemas de control, excitación y regulación

2.3.1 El sistema de control

El sistema de control en un grupo generador se encarga de mantener todos los

parámetros (mecánicos y eléctricos) del mismo en condiciones óptimas de

funcionamiento, es decir., los sistemas físicos empleados para controlar y proteger a los

generadores siempre pueden ser representados como un sistema de control; ya sea este

un sistema de control de lazo cerrado o un sistema de control de lazo abierto.

Los sistemas de regulación de voltaje, reguladores de velocidad y excitación son

sistemas de íazo cerrado; mientras que los controles de presión de aceite, temperatura de

la máquina, niveles de agua y combustible son controles de lazo abierto.

Por lo tanto, los parámetros a controlar son: el voltaje de salida, la frecuencia y/o el

número de revoluciones, temperatura, presión, la corriente de excitación, la potencia

activa de salida, etc.

Un efectivo control de todos estos parámetros permitirá que el grupo generador trabaje a

su máxima capacidad, en forma económica de operación y adicionalmente se podrá

proteger al mismo de posibles contingencias y daños.

De acuerdo al desarrollo tecnológico de los generadores, al igual que otro tipo de

máquinas y herramientas usadas por el hombre, los sistemas de control han tenido

también un gran desarrollo, a tal punto que, el principio físico básico de conversión de

26


energía mecánica en energía eléctrica no ha variado mucho durante largo tiempo; sin

embargo, los sistemas de control y protección son una parte importante en la

construcción de estas máquinas.

El siguiente gráfico resume al sistema de control, de un grupo generador general, con

sus características principales.

Vodereferencia

FdesafidaRegulador de velocidad

Fig. 2,1 Esquema general de un sistema de control para un generador

2,3,2 Sistema de excitación

El sistema de excitación es la fuente que alimenta de corriente continua al bobinado de

campo del generador, es decir, en el modelo general de generadores que poseen rotor

inductor, sea de polos salientes o de rotor cilindrico, a este rotor se le alimenta con

corriente continua para que se produzca la inducción magnética en el devanado de

armadura y obtener, de esta manera, el voltaje generado en los terminales del generador.

27


La evolución de los sistemas de excitación ha obtenido un gran desarrollo en lo que se

refiere a tratar de conseguir una mejor respuesta y estabilidad del sistema a

perturbaciones causadas por variaciones de carga., operación y maniobra o fallas en el

sistema.

En la figura 2.2 se puede ver un esquema simplificado del rotor y el estator de un

generador en el que se incluye un modelo básico de la excitatriz, la cual está

representada por la fuente de corriente continua

EXCITACIÓN ^ Ir

ESTATOR

Fig. 2.2 Diagrama elemental de un generador sincrónico

A través del sistema de excitación se pueden controlar magnitudes como:

• Potencia reactiva generada Q• Voltaje terminal Vi• Factor de potencia

El inductor de un generador siempre se excita con corriente continua (CC.)

manteniéndose, de esta manera, la polaridad constante en cada polo; en ocasiones, ésta

corriente continua se produce en generadores independientes a los que se les da el

nombre de excitatrices.

28

ESCUELAPOLITECNfCA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

La excítaíriz puede ser una maquina independiente impulsada por motores eléctricos.,

por correas o bandas, o estar directamente acopladas al eje de los generadores, en

algunas centrales se emplea una excitatriz grande para alimentar a varios generadores

los que toman la corriente inductora de la barra colectora de la excitatriz.

Las excitatrices suelen ser del tipo compouñd y de voltajes variados, no es necesario

emplear voltajes elevados ya que estas corrientes solo se emplean para crear flujos

magnéticos cuya intensidad depende de los amperios - vuelta de los polos inductores1.

Debido a que existen diferentes modelos de sistemas de excitación, nombrar a todas las

partes constitutivas de cada modelo sería imposible, por esta razón se listan a

continuación las principales partes que constituyen un sistema de excitación.

• Una fuente primaria de corriente continua La cual puede estar compuesta porgeneradores de DC o generadores de AC con sistemas de rectificación.

• Un reostato de campo. Que puede ser accionado manual o automáticamente, paracontrolar la corriente de excitación.

• Un sensor de voltaje.• Un regulador de voltaje.

En cuanto a modelos de excítatrices, éstas se clasifican de la siguiente manera:

De acuerdo con la referencia # 14, los sistemas de excitación se clasifican en:

• Sistemas primitivos, los de respuesta lenta Con control manual o automático.• Sistema de excitación con generador DC.• Excitatriz con alternador y sistema de rectifícacióa• Excitatriz con alternador y rectificación con SCRs.• Excitatriz compouñd

De acuerdo con lareferencía# 10, éstas se clasifican en:

• Excitatriz independiente- Dínamo autoexcitada

Dínamo excitada independientemente

1 Referencias#7 v 10


Generador de comente alterna- Excitatriz de corriente alterna auíoexcitada con rectificadores estáticos

Sistema BrushlessSistema de excitación con rectificación- Excitatriz estática

Según la referencia # 22 los tipos de sistemas de excitación son:

• Sistema de excitación tipo DC. El cual utiliza un generador de corriente directa conun conmutador como la fuente del sistema de excitación

• Sistema de excitación tipo AC. Usa un alternador y un rectificador rotativo oestacionario para producir la corriente directa necesaria para el campo del generador

• Sistema de excitación tipo ST. En el cual la excitación es suministrada a través detransformadores y rectificadores.

2.3.3 Loa sistemas de regulación

Hablar de sistemas de regulación en una máquina, implica referirse a varios sistemas de

regulación y control de dicha máquina; en el presente caso se refiere a los sistemas de

regulación de los generadores, y específicamente al regulador de velocidad y regulador

de voltaje, los que serán analizados con más detalle en las siguientes secciones.

2.4 El regulador de velocidad

Al producirse una variación de carga en un generador, en la máquina motriz se registra

una variación en el torque resistente produciéndose una variación de velocidad en dicha

máquina, esta variación de velocidad será inversamente proporcional al torque

resistente, es decir, cuando aumenta el torque resistente disminuye la velocidad y

cuando disminuye el torque resistente aumenta la velocidad

30


En los motores diesel, por ejemplo, la bomba de inyección regula la potencia del motor

controlando la cantidad de combustible inyectado en las cámaras de combustión y las

bombas son controladas a su vez por un regulador.

La función del regulador es mantener cualquier velocidad deseada en la máquina motriz

independientemente de la carga que se le aplique. Debe efectuarse una regulación de la

velocidad y de la potencia de las máquinas motrices para que, en todo momento, su

funcionamiento se ajuste alas exigencias de la carga conectada a la red.

El objetivo final es el de mantener la frecuencia del generador constante, y ya que ésta

depende de la velocidad del generador, y que a su vez, depende de la velocidad de la

máquina motriz, se hade procurar, en lo posible, que la velocidad de la máquina motriz

también sea constante.

En la mayoría de los generadores, se realiza una regulación automática por medio de

reguladores automáticos, que pueden ser mecánicos, electromecánicos o electrónicos;

yaque la regulación manual, realizada por un operador, es lenta y poco precisa.

En el caso de turbinas a gas, turbinas a vapor y motores de combustión interna, el

regulador controla la velocidad de la máquina motriz, regulando la cantidad de

combustible suministrado a dicha máquina Es decir, que el regulador controla el flujo

de carburante de modo que la velocidad del motor permanezca constante cualquiera que

sea la carga, regulación astática:, o que para cada carga, el motor adopte una velocidad

predeterminada, regulación estática.

31


Eo los motores diesel se conecta el regulador al vastago que controla la cantidad de

carburante inyectado.

En los motores de gas y motores de gasolina, el regulador va acoplado con el

dispositivo de admisión de carburante del motor.

En las turbinas de vapor, el regulador actúa sobre las válvulas que regulan el flujo de

vapor a la turbina.

En las turbinas de gas, la salida del regulador está acoplada a la válvula de carburante.

En los motores hidráulicos, puede aplicarse la regulación astática o la regulación

estática. En estas máquinas motrices, el regulador controla el flujo de agua que va hacia

la turbina.

Los reguladores automáticos pueden ser de acción directa cuando actúan directamente

sobre la magnitud que han de controlar, o de acción indirecta cuando actúan sobre dicha

magnitud a través de un dispositivo amplificador o servomotor.

El regulador inventado por James Watt en el siglo XVTII, es el más antiguo, y se puede

decir que todos los reguladores de máquinas motrices se derivan de éste.

La explicación del funcionamiento de regulador de Watt será más clara con un gráfico,

se analizará el regulador de Watt de la referencia # 6, pagina 330, capítulo 15.

32

E3CUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE MGENIERIAELECXRICA

En la figura 2.3, el regulador de Watt consta de un eje vertical OE> acoplado al eje

vertical de la máquina por medio de engranajes, por lo tanto, la velocidad de este eje

será proporcional ala velocidad de la máquina motriz.

Sobre este eje se articulan dos brazos OB y OB\s en dos masas metálicas M

yM' de forma esférica. Los brazos se enlazan por medio de dos varillas ÁD yAD', con

un manguito D que se desliza a lo largo del eje OE. El manguito tiene una garganta en

la que encaja el extremo de una palanca articulajda CLD, con un punto fijo en L. El

movimiento de esta palanca se transmite al órgano K, que puede ser-cualqoier tipo de

válvula de admisión de combustible, de esta manera, el manguito abre y cierra ia

válvula de combustible en todo su recorrido.

Fíg. 2,3 Regulador de Watt

Para la velocidad de régimen^ las masas esféricas tendrán una posición de equilibrio

dinámico., el cual se determina por la variación de la carga conectada al generador. Si la

33

ESCUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIAELECXRICA

carga disminuye el generador tendrá que entregar menos potencia, por lo tanto,

disminuirá el trabajo motor de la máquina motriz y ésta tenderá a aumentar su

velocidad. El regulador aumentará su velocidad de giro, accionando las masas esféricas,

provocando que el brazo articulado cierre la válvula de admisión de combustible y por

consiguiente, la potencia de la máquina motriz será igual a la potencia absorbida por los

receptores, en que el trabajo motor será igual al trabajo resistente y las masas esféricas

habrán alcanzado su nueva posición de equilibrio dinámico.

Si aumentara la potencia absorbida, la velocidad de la máquina motriz y del regulador

disminuiría, disminuyendo la fuerza centrífuga de las masas esféricas, abriendo de esta

manera la válvula de admisión de combustible y por lo tanto aumentando la potencia de

la máquina motriz hasta que ésta se iguale con la potencia absorbida de la red

2.4,1 Clasificación de los reguladores

Generalmente los reguladores se clasifican de acuerdo a dos criterios:

• Por la disposición constructiva• Por su forma de funcionamiento

Por su disposición constructiva los reguladores pueden ser de manguito y tipo plano.

Los reguladores de manguito son los del tipo del regulador de Watt, y estos reguladores

pueden ser de masas giratorias o de resortes; mientras que en los reguladores planos las

masas giratorias o ios resortes oscilan alrededor de un eje paralelo al eje de rotación y

producen un giro directo o la traslación de una leva, disponiéndose sobre un eje

horizontal.

34

ESCUELAPOI^TECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENTERIAELECXRICA

Por laforma de funcionamiento, los reguladores se clasifican en: Reguladores de acción

directa y de acción indirecta

Los reguladores de acción directa actúan directamente sobre el órgano de distribución

de la máquina motriz. Los de acción indirecta actúan a través de un reforzador o

servomotor sobre el órgano de distribución.

El órgano de distribución puede ser una válvula de admisión de vapor, combustible, o

un mecanismo de control de la inclinación de las paletas en una turbina hidráulica.

En los motores de combustión interna (motores diesel) existen reguladores del tipo

centrífugo o de resortes y del tipo de vacío.

Según la referencia # 11, de la IEEE, los modelos básicos de reguladores de velocidad

para estudios de estabilidad pueden representar cualquier sistema de unidades

hidráulicas., térmicas, o nucleares.

El siguiente diagrama de bloques proporciona una idea general de la localización e

interrelación entre el regulador de velocidad y la turbina.

35


Süftnu dt

i , ITurbibw. y sistema

ck

Fíg. 2,4 Diagrama de bloques que muestra la Idealización del sistemaregulador de velocidad con respecto al sistema completo

Un diagrama de bloques que representa el sistema de regulación de velocidad de una

turbina a vapor es el que se muestra en Iafigura2.5.

Mecanismo de control de velocidad

posición, del reg.¿t v*l. : Relevado! da

Servomotor

.. . I

Válvulas conl roladaspoz «1 regalador

Ifcf

Posición d«]nguladordavelocidad.

KejoladojdeVolocidad

Fig. 2.5 Diagrama de bloques de un regulador de velocidad

Esta representación esquemática puede ser apropiada para máquinas térmicas en

general, con los respectivos cambios, de acuerdo al tipo de maquina motriz.

36


El siguiente esquema muestra la forma de comportamiento de en regulador de velocidad

cuando, sobre el generador., existen variaciones de carga.

Aplicación dt carea

Cambio iemporal.de

A

30%

0,8%

^JL \

Velocidad estable A ¿á

w

fkí>

&k

i'WHM /

10%

_i

>

\

c

7Velocidad estable \n

Í y o V y í i

T~^-x* *x,(^ . ^1"udbio ttmpocii d*

vílocüad

/

D

mttU itlad.5*/.

\. 2.6 Variación de velocidad debido al comportamiento del regulador

Si la actualidad existen reguladores de velocidad controlados electrónicamente, es

decir, un control electrónico sensa las variaciones de velocidad, y por medio de un

control de lazo cerrado realiza la regulación de la misma Un servomotor se comporta

como actuador y realiza el trabajo físico sobre la válvula de combustible. Ver anexo # 1,

Un ejemplo claro de este tipo de reguladores electrónico es el regulador Woodward, que

se emplea en generadores de varias marcas como son: RG. Wiison, Caterpillar, Kohler,

etc. y del cual se presenta información adicional en el anexo # 1.

37


2.5 El regulador de voltaje

Los generadores están sometidos a variaciones continuas de carga, es por esta razón que

se exige de ellos mantengan, en todo momento, un voltaje terminal constante; pues las

variaciones de voltaje ocasionan daños en los equipos y es una muestra de falta de

calidad de servicio.

Para limitar las variaciones de voltaje, antiguamente, se construían los generadores con

reactancias de dispersión pequeñas y pequeña reacción del inducido (gran entrehierro).

En la actualidad se construyen los generadores con grandes reactancias de dispersión y

pequeño entrehierro, a este tipo de construcción de máquinas se la conoce como

máquinas blandas., en las cuales, al oscilar la carga, la excitación tiene que variarse en

cuantía sensiblemente superior.

La regulación manual es imperfecta, por lo que se recurre a los reguladores rápidos., los

cuales son reguladores automáticos que responden lo más rápido posible a las

variaciones de carga

Puesto que el objetivo de los reguladores es mantener constante el voltaje en terminales

del generador, se hará un análisis del generador en régimen transitorio.

Para facilitar el estudio se supondrá que el generador se mantiene a velocidad constante

cualquiera sea la carga

38


Suponiendo que el generador está trabajando a la velocidad sincrónicay en vacío, por lo

tanto, el voltaje en terminales es constante., la excitatriz posee un reóstato de excitación

que actúa sobre el campo inductor de la misma excitatriz. Al conectar la carga, en forma

instantánea la tensión cae bruscamente como muestra la figura 2.7. La parte vertical

AB, que es la caída instantánea, se debe a la reactancia del generador, y la parte BC (en

que ya interviene el tiempo), es el efecto de la reacción de inducido del generadpr. Esta

reacción de inducido depende de la componente reactiva de la carga.

Si no se actuara sobre el reóstato de campo, la tensión continuaría bajando, tal como se

muestra en la línea de trazos de la figura 2.7.

En el instante en que se pone carga al generador la tensión baja, para poder recuperar

los niveles de tensión preestablecidos se deberá cortocircuitar el reóstato de campo, el

tiempo transcurrido en ir de AhastaD en Iafigura2.7, no es despreciable.

Para poder compensar la caída de tensión debida a la reactancia del generador, hay que

aumentar el flujo magnético emitido por el inductor, para esto hay que aumentar

también la tensión de la excitatriz, y para aumentar esta tensión hay que aumentar la

intensidad de corriente que circula por los arrollamientos de excitación de la excitatriz.

39

ESCUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE MGENIERIAELECTRICA

O

Fig. 2,7 Curva de funcionamiento de un regulador de tensión

Puesto que se trata del estudio en estado transitorio, los circuitos del generador y la

excitatriz tienen inductancias considerables e intervienen, por lo tanto, los- efectos de las

corrientes de autoinducción; por esta razón la ecuación completa del circuito cuando se

tiene en cuenta el efecto de las corrientes de autoinducción es:

7 = £*í1_e^l (2-1)

donde:I = intensidad de corrienteE = tensiónR = resistenciaL = inductanciat = tiempo

El término R / L es la constante de tiempo del circuito.

La rapidez de respuesta de un regulador depende de:

• La inercia de sus componentes• La distancia a recorrer• El torque del órgano motor

40

ESCUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIAELECTRICA

Si el regulador actúa demasiado rápido., en relación con el tiempo que necesita el

generador síncrono para excitarse, se obtiene una función periódica no amortiguada, que

provoca oscilaciones de tensión, con grandes amplitudes alrededor de la tensión

nominal. Por lo tanto, hay que dar al regulador un amortiguamiento apropiado para

retardar la regulación.

El correcto funcionamiento de un regulador depende de:

• Si la tensión remonta muy rápidamente aparecerán oscilaciones amortiguadas.• Si la tensión remonta lentamente, puede suceder que la duración total del

restablecimiento de la tensión se alargue innecesariamente.

Un regulador, para que sea calificado como de buena calidad deberá tener las siguientes

cualidades:

» Rapidez de respuesta,• Exactitud.• Sensibilidad.• Amortiguación eficaz.• Sobrerregulación.

Entre los principales modelos de reguladores están;

• Reguladores de sectores rodantes.» Regulador automático Tirril.• Reguladores electrónicos.

De los reguladores citados arriba, los dos primeros están constituidos por elementos

electromecánicos., relés, motores, etc. y se trata de modelos antiguos; mientras que los

reguladores electrónicos constituidos por elementos de estado sólido son los modelos

que se están utilizando actualmente en la mayoría de grupos generadores.

Según la referencia # 14, dentro de la misma clasificación anterior, existen los

siguientes reguladores de voltaje:

41

ESCUELAPOLITECNECA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

• Reguladores electromecánicos, de acción directa y de acción indirecta. (Tiposectores rodantes y Tirril).

• Los primeros reguladores electrónicos basados en tubos de vacío.• Reguladores de amplificador rotativo.• Reguladores con amplificador magnético.• Reguladores de estado sólido.

En el anexo # 2 se puede ver las características y especificaciones técnicas de dos

reguladores automáticos de voltaje que existen en el mercado.

2,6 La excitatríz

Dada la importancia que tiene el sistema de excitación y la excitatriz en si misma, en el

comportamiento de un generador, es conveniente profundizar en este tema. En el

apartado 2.3.2 de este capítulo se realizó una explicación general de lo que son los

sistemas de excitación pero no se profundizó en características particulares de

funcionamiento y construcción de las excitatrices.

La excitatriz es considerada como uno de los principales sistemas de control. Si se

considera a un generador sin pérdidas, el sistema de excitación controla la fe.m.

generada y en consecuencia, controla el voltaje de salida en terminales, el factor de

potencia y la corriente.

Al hacer una analogía con el regulador de velocidad, el cual controla el torque o la

potencia de entrada al eje; el sistema de excitación controla el voltaje generado Eg> o

fe.m. interna generada según se muestra en lafigura.


' / " AJorque Va / - \g ^ excitación

V_ ^/

4-

Fig 2,8 Circuito equivalente de la máquina sincrónica

El diagrama fasorial que muestra la situación de "el antes y el después" de una variación

en Eg se puede ver en la figura 2.9. Se puede determinar que en la nueva posición de

equilibrio el ángulo de torque ha disminuido, la corriente se ha incrementado, el factor

de potencia está más retrasado, pero el voltaje terminal y la potencia de salida son los

mismos, para un incremento de Eg.

Fig. 2.9 Diagrama fasorial para un incremento de Eg con V y P constantes

El siguiente diagrama de bloques muestra la configuración básica de una excitatriz con

sus componentes principales.

43


Salida de voltaje y corriente

EaciUirizFuente

Fig. 2.10 Componentes del sistema de excitación

Para la descripción del iuncionamiento de la excitatriz se va a considerar un sistema de

respuesta lenta como el que se muestra en la figura 2.11, la cual muestra la excitatriz

principal con un control manual del campo (del reóstato de campo).

CoiunrUdorCampo de liErcií-kirix danpo

Rbóftkio Íi

—W- H

AniHos

SY\s

Fig. 2,11 Esquema básico de una excitatrjz

Con esta descripción general de un sistema de generación y de sus componentesprincipales, en el capítulo 3, se hará el estudio del generador particular con suscaracterísticas principales.

44

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGKNJERIA ELÉCTRICA

Capítulo 3

Descripción del grupo generador particular

Puesto que se trata de un grupo generador impulsado por una máquina motriz de

combustión interna a gasolina, se realizará una explicación introductoria del

funcionamiento general de este tipo de grupos generadores.

El motor a gasolina se emplea en pequeñas instalaciones fijas de grupos electrógenos, la

elección de este tipo de motor es aconsejable cuando se trata de pequeñas potencias, de

forma que el alto costo del combustible quede compensado por el bajo precio del motor.

En instalaciones de hasta 5 CV (3.7 k"W) es preferible el motor a gasolina, entre 5 y 10

CV (3.7 a 7.4 kW) se puede recomendar el motor a gasolina solo en uso intermitente^ en

instalaciones de más de 10 CV (7.4 kW) de potencia siempre es preferible el motor a

diesel.

Los motores de gasolina empleados como máquinas motrices de los generadores son de

cuatro tiempos, a continuación se hará, una explicación del funcionamiento del motor de

4 tiempos.

Se supone que el émbolo está situado en el punto muerto superior y que la válvula de

admisión de combustible está abierta, en estas condiciones el émbolo se mueve hacia

abajo1, arrastrado por el cigüeñal, llenándose el cilindro con la mezcla aire-combustible

1 Ver Anexo #3.a

45

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENIERIA ELÉCTRICA

que entra por el conducto de admisión; a este tiempo se le denomina tiempo de

admisión.

Para el tiempo de compresión., una vez que el émbolo llega a la parte inferior del

cilindro, éste está lleno de la mezcla aire-combustible, en este momento se cierra la

válvula de admisión y, empujado por el cigüeñal., el émbolo sube hasta la parte superior

del cilindro comprimiendo la mezcla.

En este instante se inicia la combustión que es explosiva, y el émbolo es empujado

hacia abajo por la fuerza de expansión de los gases quemados, empujando el cigüeñal y

produciéndose el movimiento; a este tiempo se le conoce como de explosión.

Con el émbolo en la parte inferior del cilindro y lleno de gases quemados, se abre la

válvula de escape y el émbolo, empujado por el cigüeñal, expulsa del cilindro los gases

quemados; a este tiempo se le denomina escape. En el anexo # 3 se presenta un

esquema del funcionamiento en los cuatro tiempos del motor de combustión interna.

Este tipo de motores solo produce trabajo en el tiempo de explosión, debiéndose

guardar la energía en un volante, con el objeto de que el cigüeñal siga girando en los

otros tres tiempos.

Las características de un motor de gasolina son:

• Aspiración de una mezcla aire-gasolina,• Compresión de la mezcla, reduciendo su volumen,• Encendido por chispa, eléctrica.

1 Referencia # 6Ver Anexo #3.a


• Combustión avolumen constante.

El diagrama de trabajo de un motor de gasolina está representado por lafigura 3.1

Escape Volúmenes

Fig. 3.1 Diagrama de trabajo de un motor a gasolina

Resulta fundamental la mezcla de la gasolina con el aire en la proporción aproximada de

1 parte de gasolina por 15 partes de aire., la mezcla aire-gasolina se realiza vaporizando

la gasolina en un dispositivo llamado carburador.

Puesto que la temperatura alcanzada por la mezcla, durante la compresión, es

insuficiente para provocar el encendido del combustible es necesario aportar más calor y

para elevar un punto de la. mezcla a la temperatura de ignición se produce una chispa-

eléctrica que salta entre los electrodos de una bujía

Es por esta razón que el motor a gasolina requiere de una fuente auxiliar de energía

eléctrica y un circuito de encendido que suministre una corriente eléctrica, de hasta unos

18000 voltios, necesaria para producir la chispa de encendido. Se utilizan dos

procedimientos de encendido:

47

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL . FACULTAD DE EINGENJERIA ELÉCTRICA

• Encendido por magneto y» Encendido por delco.

Para el arranque de los motores agasolínaes necesario poner en movimiento al cigüeñal

mediante un agente exterior, con el objeto de que el motor aspire la mezcla combustible

y la comprima.

El impulso que hace girar al motor para que éste pueda realizar la preparación de la

mezcla debe durar hasta que el motor alcance el número de vueltas necesario para que

se produzca el encendido; en el motor a gasolina, el número mínimo de revoluciones

necesario para que se produzca el encendido es de 40 a 90 rpm.

En los motores estacionarios de gasolina se utilizan los siguientes sistemas de arranque:

• Arranque a mano por manivela• Arranque a mano por cuerda arrollada al volante.• Arranque por motor eléctrico.

El combustible más empleado es la gasolina, que se obtiene por la destilación del

petróleo natural. La potencia calorífica de la gasolina es de 10.000 a 10.500 kilocalorías

por kilogramo de combustible.

Se usan también otros combustibles como el benzol (9.500 a 9.600 kcaMcg), el alcohol

metílico (4.800 kcal/kg), el alcohol etílico (6.400 kcal/kg) o una combinación de éstos

con la gasolina; siempre tratando de mejorar el nivel de compresión de la mezcla

La potencia mecánica del motor de gasolina de cuatro tiempos se calculada acuerdo con

las siguientes fórmulas.

48

^SCUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENIERIA ELÉCTRICA

120 *75

120+75

[CV indicados]

[CV efectivos]

(3-1)

(3-2)

donde:s = superficie del émbolo

Pmi — presión media indicadad = carrera del émbolon = velocidad en rpmZ = número de cilindrosTfo =Ne /Ni = rendimiento mecánicoNe = potencia efectivaNi = potencia indicada

Estas relaciones pueden ser expresadas en otras unidades de potencia como HP o kW

realizando la reducción de unidades respectivas.

3.1 La máquina motriz: Parámetros y características

Como ya se ha señalado anteriormente, el generador particular posee un motor de

gasolina como máquina motriz, el cual cumple con las características mencionadas en

los párrafos anteriores de este capítulo.

El motor que se instalará en el grupo generador es un motor a gasolina de un cilindro de

4 tiempos convencional parauso estacionario de una potencia mecánica de 8 HP a 3600

ipm a nivel del mar. La curva de rendimiento establece que esta potencia se obtiene

cuando el motor esté funcionando a plena carga La curva de rendimiento del motor se

puede ver en el anexo # 3.c

49

ESCUELAPOLITEOÍTCA WACIOHAL FACULTAD HE EINGENffiRIA ELÉCTRICA

3.1.1 Características mecánicas del motor

Motor marca; BRIGGS & STRATTONI/C (Industrial / Comercial Engine)Modelo #: 195432Tipo #: 4002-05Código*: 90042010Número de cilindros: 1Combustible: GasolinaAceite de motor tipo: 25W-50Centímetros cúbicos: 319 cePotenciamecánicanominal: 8HPRevoluciones por minuto: 3600

3,1.2 Partes constitutivas

Las principales partes constitutivas de este motor son las siguientes:

• Cámara de combustión• Válvulas de admisión y de escape .• Bloque del cilindro y cilindro• Bastidor de bancada y cárter• Cigüeñal• Biela• Eje de levas y levas• Embolo o pistón• Culata o cabezote• Carburador• Regulador de velocidad o gobernar mecánico• Circuito de encendido• Sistema de lubricación• Sistema de arranque• Dispositivos adicionales para operación y control• Protector de bajo nivel de aceite

En el anexo # 3 b y c se pueden ver esquemas de las características del motor y de laspartes constitutivas de un motor de combustión interna

50

ESCUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENIERIA ELÉCTRICA

3.1.3 Funcionamiento de sus principales componentes

El carburador funciona por diferencia de nivel, el tanque de combustible se ubica en la

parte alta del motor; la gasolina llega,, por gravedad, al carburador y se almacena en un

tanque de nivel constante, este nivel se mantiene constante debido a que en el interior

del tanque existe un flotador, que al subir el nivel de gasolina cierra la entrada de la

misma mediante una válvula cónica

En el ducto de admisión existe un estrechamiento llamado dijusor en cuyo centro se

halla el surtidor de combustible del carburador. Cuando el motor aspira el aire éste

arrastra la gasolina en la proporción antes mencionada lográndose, de esta forma, la

vaporización de la gasolina y su intima mezcla con el aire. Una válvula de mariposa,

denominada estrangulador de la mezcla, limita la cantidad de la mezcla aire-gasolina

que se introduce en el cilindro variando, por lo tanto, la potencia del motor.

b) El sistema de encendido

La temperatura alcanzada por la mezcla en la compresión es insuficiente para provocar

el encendido del combustible en forma espontánea, es por esta razón que se requiere de

una fuente auxiliar de energía eléctrica para, que por medio de una chispa eléctrica,

llevar a la mezcla a la temperatura de ignición.

ESCUELAPOUTECNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENEERIA ELÉCTRICA

Este motor posee un encendido por magneto que tiene las siguientes partes

constitutivas:

• Generador de corriente• Arrollamiento primario de la bobina• Arrollamiento secundario de la bobina• Bujía

La magneto es un generador de corriente continua que está constituido por un imán

permanente montado sobre el volante de hierro., el cual induce corriente en los

arrollamientos: primario de baja tensión y secundario de alta tensión de la bobina

Como puede apreciarse en la figura 3.2 el secundario tiene una conexión a tierra en el

un extremo, y el otro extremo se conecta a la bujía a través de un cable de alta tensión.

Este sistema permite disponer del voltaje de alta tensión (8000 a 12000 V) en los

electrodos de la bujía para, de esta manera, elevar un punto de mezcla a la temperatura

de ignición y provocar la combustión de la misma

Hacia Control

Cable de Áíta Tensión.

Imán permanente

/ / Bobina primaría debaja tensión

Electrodos

Fig. 3.2 Esquema del sistema encendido

52


La bobina primaría está constituida por un alambre grueso, de un calibre de entre # 20 y

# 24, con pocas vueltas necesarias para engendrar un voltaje de alrededor de 6 voltios;

mientras que la bobina secundaria esta constituida de un alambre fino de un calibre

aproximado de # 38, con muchas vueltas para poder engendrar un alto voltaje (8000 a

12000 V). La calibración de los electrodos en la bujía (separación), es de

aproximadamente 0,30 milésimas de pulgada. Separación necesaria para poder generar

el arco eléctrico que encenderá la mezcla.

El sistema por Delco para el encendido es, en esencia, el mismo sistema de Magneto

pero con la diferencia de que la fuente de energía es una batería de acumuladores.

c) El gobernor

El gobernor o regulador de velocidad que está instalado en este motor es un gobernor

mecánico que se encuentra en el interior del motor, acoplado al eje del cigüeñal;

compuesto por un pifión y excéntricas que dan movimiento a un brazo que regula el

acelerador (estrangulador) del carburador. Este sistema funciona en forma similar al

descrito en el capítulo 2 numeral 2.4.

Adicionalmente consta de un sistema de calibración de velocidad, por tornillos, que

permite regular las revoluciones alas que se quiere que el motor funcione.

El sistema de calibración de revoluciones mantendrá la velocidad del motor constante

dentro de un rango mínimo y máximo, que para el presente caso será de 3000 rpm.

53

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE EIHGENffiRIA ELÉCTRICA

En vacío el motor consumirá una cantidad mínima de gasolina, por lo tanto el gobernor

mantendrá al motor con "poca aceleración". Entregando en este momento el motor su

mínima potencia.

Al recibir carga el generador., automáticamente el motor responderá aumentando la

cantidad de combustible y produciendo más potencia para poder mantenerse a las

revoluciones requeridas (3000 rpm).

El siguiente gráfico representa el desempeño del motor según las variaciones de la

carga

Puntos cU itaKÍonutütuio átlTuertar y su demanda de EP

Ounod»íendánienlo delmotor )*{úu lacajiga solxcniada.

1000 2000T " RPM

3000 3600

Fig, 3.3 Curvas Potencia vs. rpm del motor

d) El sistema de arranque

En este motor se cuenta con un sistema de arranque manual por cuerda arrollada al

volante que funciona de la siguiente forma:

54

ESCUELAPOLITECNICANACIONAL FACULTAD DEEDÑTGENIERIAELECrRICA

En e] extremo donde se encuentra el volante "equilibrador" del cigüeñal, existe un eje

que es prolongación de éste con forma cuadrada. Este eje está inserto en una caja que

contiene en su interior un sistema de cremallera circular que permite trabarse en un

sentido y moverse libremente en el otro; transmitiendo al eje el movimiento de la cuerda

que se tira para el arranque inicial.

Adicionalmente, esta caja, contiene un resorte espiral de acero que se encarga de recoger

y enrollar la cuerda una vez que ésta a sido utilizada, dejándola lista nuevamente para

realizar posteriores arranques del motor.

Cuando el motor está en movimiento, el eje gira libre de la cremallera en el sentido de

avance del cigüeñal mientras que lacremalleray lacajase encuentran estáticas.

e) El sistema de lubricación

Este motor carece de un sistema de lubricación por bombeo, es decir, no tiene una

bomba de aceite incorporada en su interior,

Se lubrica de la siguiente manera: En la tapa inferior del brazo de biela, que esta

conectada al cigüeñal, posee una aleta y cuando el brazo de biela gira en el interior del

cárter provoca la salpicadura del aceite y su consiguiente esparcimiento, lubricando

todas las partes móviles del interior del motor.

55

ESCUELAPOLITECNIC A NACIONAL FACULTAD DE EING-ENIERIA ELÉCTRICA

Adicionalmente este sistema cuenta con un sensor de nivel y una luz piloto que sirven

de control y protección del motor. La luz piloto sirve de indicador de bajo nivel de

aceite y el sensor apaga el motor cuando se ha llegado al nivel crítico de aceite.

f) El sistema de enfriamiento

Este motor se encuentra enfriado por aire.'El cabezote y el cilindro del motor tienen en

su parte exterior aletas de enfriamiento por donde circula el aire que es impulsado por

un ventilador que se encuentra incorporado en el volante.

El volante, así como el motor están recubieríos por un blindaje metálico que encausa el

aire que es producido por el ventilador hacia las aletas de enfriamiento controlando, de

esta manera, la temperatura del motor.

3.1.4 Justificación para usar este motor

Como el alternador es de una potencia de 4 kW o aproximadamente 5.4 HP se ha

escogido este motor de 8 HP nominales por las siguientes razones:

1) El motor es de 8 HP y rendirá su potencia nominal a nivel del mar, pero en Quito

(2800 m) rendirá aproximadamente un 90% de su potencia,, es decir, 7.2 HP

disponibles, esta pérdida en la potencia del motor es debido al Derating del

generador.

2) Adicionalmente, hay que descontar la potencia que se perderá al hacer trabajar a este

motor a3000 rpm, Que comprende aproximadamente otro 10%, es decir, 6.5 HP.

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3) En el reductor de velocidad se perderá aproximadamente un 3 % de la potencia total

debido al rozamiento entre las poleas y las bandas así como en los rodamientos del

generador, quedando una potencia disponible de 6.3 HP.

En consecuencia, este motor dispone de una potencia efectiva írReal" en la ciudad de

Quito de 6.3 HP. Si el generador requiere de 5.4 HP efectivos para trabajar a su máxima

potencia (4 kW), se dispone de 1 HP de reserva.

Esta reserva así como el hecho de que el motor trabaje a 3000 rpm, y no a su máxima

velocidad (3600 rpm), permitirá protegerlo de un desgaste apresurado. Esta

característica de funcionamiento le dará al grupo un rango de tolerancia alto.

Esta tolerancia hará que el grupo funcione sin recalentamiento hasta 12 horas continuas

y que su vida útil sea mayor.

3.2 El reductor de velocidad: Características mecánicas

Puesto que el generador es de 6 polos, debe trabajar a 1200 rpm para producir un voltaje

trifásico de 220 V a. 60 Hz, de acuerdo con larelación (1-3) del capítulo 1.

120 + 6 0Yl =

n = 1200 rpm

La velocidad de giro del eje del motor es de 3000 rpm, de acuerdo a lo expuesto en los

párrafos anteriores. El acople que se realizará entre el motor y el generador será de

poleas de doble canal en V. Las dimensiones de las poleas se determinarán de acuerdo a

las revoluciones del motor y del generador, de acuerdo con la siguiente relación:

57

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D + RPM = d+rpm (3-3)

donde:D = diámetro de la polea motrizRPM = son las revoluciones de la polea motrizd = es el diámetro de la polea del generadorrpm = son las revoluciones de la. polea del generador

3.2.1 Demostración de estas relaciones

La demostración de la fórmula (3-3) se hará tomando como base la referencia # 15, la

que se basa en la potencia y energía del movimiento de rotación; se considerará

adicionalmente el principio de conservación de energía

La figura 3.4 representa, un cuerpo girando al rededor de un eje que pasa por el punto O

y es perpendicular al plano de la figura. Se ejerce sobre el cuerpo, en el punto P, una

fuerza F. Cuando el cuerpo gira un pequefío ángulo dO^ el punto P recorre una distancia

ds sobre una trayectoria circular, siendo: ds — r*d0.

Fig. 3.4 Rotación de un cuerpo debido a una fuerza F

58

ESCUELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENIERIA ELÉCTRICA

El trabajo realizado por laíuerza en la dirección de ds será:

- F + eos ^ * ds

ds = r*d6

dW = F + eos j + r * dQ (3-5)

M = F * c o s É > * r (3-6)

Pero M es el momento de laíuerza /''respecto al eje, de modo que:

dW = Mi Q (3-7)

En el movimiento de rotación, ésta expresión es análoga a la expresión Pds del trabajo

realizado por una fuerza F a lo largo de un desplazamiento ds. Esto es, momento por

ángulo., en radianes, corresponde ü.JÍ¿erzapor distancia.

El trabajo realizado en un desplazamiento angular finito es:

*tw = dw = M +d9 0-8)

Si el momento es constante:

W =M(9^-Oi) (3-9)

Dividiendo ambos miembros de la ecuación (3-7) por el intervalo de tiempo dt se

obtiene:

(3-10)dt dt

Pero dW/dt es la derivada respecto al tiempo del trabajo realizado., o sea la potencia P, y

d6/dt es la velocidad angular ¿a.

P = Ma (3-11)

Expresión análoga a la P = Fv en el movimiento rectilíneo.

Aplicando el principio de Conservación de laEnergíase establece que:

59

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donde;

Em + Ep = Ee (3-12)

Em = energía mecánica de la máquina motrizEp — pérdidas en la conversión de energía mecánica en energía eléctricaEe = energía eléctrica

Pero la energía divida para el tiempo es la Potencia; entonces, la expresión (3-12) se

puede escribir de la siguiente manera:

Em Ep _ Eet ' t t

Pm + Perd = Pe (3-13)

Para el disefío del reductor de velocidad, no se consideraron las pérdidas por rozamiento

o cualquier otro tipo de pérdidas en la conversión de energía mecánica a eléctrica ya que

se supone a este modelo como un sistema ideal; al considerar a este modelo como un

sistema real, las pérdidas no excederán el 3%.

Considerando la ecuación (3-11) y en la ecuación (3-13) haciendo Perd = O, y tomando

como referencia a la figura 3.57 que representa el modelo básico del reductor de

velocidad, se tendrá:

TI

Fig. 3.5 Esquema básico del reductor de velocidad

60

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Pm = Pe

de acuerdo a la ecuación (3-6), se tiene:

eos Tj = 2 eos

Pero FÍ es igual a í?, de acuerdo a la figura 3.5; puesto que las tensiones TI y T2 son

iguales; además cos"# y cos¿% son iguales a 1 puesto que las tensiones aplicadas son

perpendiculares al radio de giro.

/ifí?! = r2£»2 (3-14)

Al expresar la ecuación (3-14) en función de los radios de las poleas y la velocidad en

revoluciones por minuto, queda:

¿i * rpm [ = d-2 + rpm 2 (3-15)

La expresión (3-15) corresponde a la expresión (3-3); relación que permitirá

dimensionar las poleas del reductor de velocidad

3.2.2 Diseño y cálculo de las poleas

Como ya se expuso anteriormente, se disefíó del reductor de velocidad con un par de

poleas de doble canal en V, que están acopladas a los ejes del motor y del generador

respectivamente; el mecanismo de transmisión del movimiento es a través de bandas en

Como se trata de un reductor de velocidad; es decir, el número de revoluciones a las que

gira el eje del motor es mayor al número de revoluciones a las que requiere girar el eje


del generador, la polea motriz deberá ser de menor diámetro y la polea del generador

será de mayor diámetro.

Haciendo referencia a la ecuación (3-3), y considerando los siguientes datos, se tendrá:

Datos:• Velocidad de giro del eje del motor: 3000 rpm• Número de polos del generador: 6 polos• Velocidad de giro del eje del generador: 1200 rpm• Se asume que el diámetro de la'polea motriz es de 10 cm.

Cálculos:

10*3000 = ¿*1200

d = 25 cm

Por lo tanto la polea del generador deberá tener un diámetro de 25 cm para obtener en

su eje una velocidad de giro de 1200 rpm para, de esta manera, producir en voltaje

alterno trifásico de 220 V y 60 Hz. En el anexo # 4 se pueden ver fotografías del grupo

generador en construcción.

3.3 El alternador: Características eléctricas y sus parámetros

Una vez que se ha realizado una descripción general del funcionamiento de la máquina

motriz y sus partes constitutivas., ahora se procederá a describir el alternador, su

funcionamiento y sus partes constitutiva.

62

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3.3.1 Datos de placa

Estos datos son tomados de la placa original del generador.

• Marca; 1HE HOBART MFG CO. TROY OfflO USA• Amp: 20 Ciclos: 60 Volts: 125• rpm: 1200 Ph: 1 kVA: 2.5

or• Amp: 13.9 Ciclos: 60 Volts: 125• Rpm: 1200 Ph: 3 kVA: 3.0

De acuerdo a estos datos., este generador era capaz de trabajar en forma trifásica o

monofásica, con un voltaje nominal de 125 VAC en ambos casos. El dato de que las

revoluciones son de 1200 rpm, indica que el generador es de 6 polos, de acuerdo con la

expresión (1-3) del capítulo 1.

Con los cambios realizados en el alternador, estos datos de placa se verán alterados de

acuerdo al nuevo diseño, el que será detallado más adelante.

3.3,2 Estado de funcionamiento del sistema antiguo

Este generador, según su placa, es trifásico a 125 VAC y entrega una potencia máxima

de 3.0 kVA; pero adicionalmente puede trabajar en forma "monofásica", tomando dos

fases de las tres para tener una configuración fase — fase a 125 VAC con una potencia

de 2.5 kVA. En realidad esta configuración es bifásica, mas no monofásica Esto

permitiría contar con tres grupos independientes fase - fase a 125 VAC para servicio.

63

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Al realizar un análisis preliminar del generador, se encontró que estaba funcionando en

forma monofásica y por lo tanto disponía de unapotenciade 2.5 kVA, con un voltaje de

125 VAC y una corriente de 20 Amp.

Luego de las pruebas de funcionamiento en vacío, se pudo determinar que el generador

no era capaz de producir los 125 VAC, la razón para esta deficiencia era que una de las

fases del generador estaba quemada Es por esta razón que se procedió a desmontar el

alternador y rebobinarlo. En el anexo # 4 se pueden ver fotografías del alternador en

proceso de reparacióa

Debido a que el voltaje trifásico de 125 VAC no es de uso en nuestro medio, se decidió

redisefíar el embobinado del alternador para que éste sea capaz de producir un voltaje

trifásico de 220 VAC con la posibilidad de obtener voltajes fase - neutro de 127 VAC

teniendo, por lo tanto, el generador una conexión interna de sus grupos de bobinas en

estrella con neutro.

Cuando se desarmó el generador, se encontró que el embobinado del estator presentaba

las siguientes características:

• El estator tiene 54 ranuras.• El paso de las bobinas era de 8 ranuras.• Tres bobinas por grupo.• Tres espiras por bobina.• Tres alambres # 15 por bobina.• Conexión interna en estrella sin neutro.• Número de conductores de salida: 3 conductores sin neutro.

El esquema de conexiones del embobinado del estator y las direcciones relativas de la

corriente se muestran en la figura 3.6.


Entrada de A

Salida de ABobina

Fig, 3.6 modelo del embobinado antiguo

PaseaGrupocompuesto portres bobinas

3.3.3 Rediseño y repotenciación del alternador

Debido a que este generador no trabaja aun voltaje adecuado de servicio (125 VAC), el

proceso de mejoramiento del alternador implica determinar si éste cumple con los

requerimientos mínimos, eléctricos y constructivos, para satisfacer el cambio que se

propone.

Esto quiere decir que se deberá determinar sus principales características constructivas y

eléctricas originales de funcionamiento y con esta información proceder a realizar el

nuevo disefío y su posterior comprobación.


a) Disposición constructiva y características eléctricas originales

La primera consideración es determinar si la cantidad de hierro (núcleo de hierro)

disponible soportará el cambio, es decir si no se saturará el núcleo.

Considerando el circuito magnético del estator, se puede calcular el flujo magnético a

través de éste por medio de la siguiente relación.

(3-16), jmmé =y ÍR

donde:<j) = flujo magnéticofmm = fuerza magnetomotriz*& = reluctanciaN — número de espirasi = intensidad de corriente1 = longitud del circuito magnéticojj, = permeabilidadA = sección del hierro

Según la ecuación (3-16) la única forma de cambiar el flujo es variando el número de

espiras (N) y/o variando la intensidad de corriente (i); ya que, para este modelo la

sección de hierro, la permeabilidad y la longitud del hierro son constantes y no se

pueden cambiar, en otras palabras, la reluctancia del circuito magnético del alternador

permanece constante.

En el nuevo diserto, el número de espiras se duplica de 3 a 6 y la corriente nominal se

reduce de 13.9 a 10.5 A, lo que significa que el flujo magnético total se va a incrementar

en un 50% aproximadamente. Debido a que la máxima corriente que el alternador

entregaba era de 20 A sin que se sature su núcleo., y sabiendo que éste flujo es

66

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aproximadamente igual al nuevo flujo, se puede afirmar que en las nuevas condiciones

de trabajo tampoco existirá saturación del núcleo.

Esta afirmación es posible hacerla debido a que en su disposición física las bobinas no

aprovechan la máxima disponibilidad del hierro existente., es decir el hierro está

sobredimensionado con respecto al embobinado.

La figura 3.7 esquematiza el hecho de que las bobinas no aprovechan todo el hierro

disponible y por lo tanto el modelo estaba trabajando sobredimensionadamente.

Área disponible

Áisktión y separador-

Lado de la bobina 2-

Aiskción y separador—

Lado de la bobina 1

Siom

A

21mm

Fig. 3.7 Esquema de una ranura del estator

Í4E1 área disponible" en la figura 3.7 es el área que permite establecer que se pueda

redisefiar al embobinado del estator.

67

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b) Determinación de las áreas

El área total de la ranura es aproximadamente de 21 mm x 8 mm = 168 mm2 y el área

que ocupa cada lado de las bobinas es de aproximadamente 15.12 mm2, ya que cada

bobina tiene tres espiras y cada espira tiene tres alambres #15 con una sección de cada

•jalambre de aproximadamente 1.68 mm , la sección de la espirase determina, entonces,

1.68 mm2 x 3 = 5.04 mm2, y que a su vez equivale a un conductor # 10. Por lo Tanto, el

área total de un lado de la bobina es de 5.04 mm2 x 3 = 15.12 mm2. Sección que

corresponde a las tres espiras por bobina

Como en cada ranura se colocan dos lados de dos bobinas diferentes., el área total del

*J *5 •alambre es de 15.12 mm x 2 = 30.24 mm y considerando que el área ocupada por el

barniz y la aislación es de aproximadamente 30 mm2, se tiene un área ocupada total de

60.5 mm2 y restando éste valor del total del área de la ranura se tiene una "área

disponible" de 107.5 mm2 para la nueva configuración del embobinado.

c) Rediseño

Para el redisefío se han considerado como datos disponibles el voltaje de generación

(220-127 VAC) y lapotenciaaparente de 4 kVA.

La nueva corriente por fase que entregará el generador se determinara a partir de la

siguiente relación:

s = ^vi (3-17)

de donde la corriente por fase será de:

68

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4000= 10.

-v/3~+220

Esta corriente permitirá determinar el calibre del conductor que, según tablas, es de un

conductor # 12; pero para mejorar la conducción de corriente se colocaran tres alambres

# 17 que en sección total son equivalentes al # 12.

Para comprobar si el nuevo calibre del conductor puede ser colocado en la ranura se

procederá a calcular las nuevas áreas.

Se colocarán tres conductores #17 de una sección aproximada de 1.035 mm2 La sección

total de los tres conductores es de 1.035 mm x 3 = 3.105 mm , como para duplicar el

voltaje se requiere de duplicar el número de espiras por bobina, entonces serán seis

espiras por bobina las que se coloquen en cada ranura; con una sección aproximada de

3.105 mm2 x 6 ~ 18.63 mm , puesto que se colocan dos lados de dos bobinas diferentes

en cada ranura, la nueva sección de alambre será de 18.63 mm2 x 2 = 37.26 mm2

El área ocupada por el barniz y la aislamiento es de 30 mm"? por lo tanto se tendría un

área ocupada total por dos lado de dos bobinas 'diferentes más la aislación de barniz y

accesorios de 30 mm2 4- 37,26 mm2 = 67.26 mm y restando del área toral de la ranura

se tendrá una área disponible de 168 mm2 - 67.26 mm2 = 100.74 mm2.

Una vez así determinada el "área disponible", se puede ver que existe espacio físico

suficiente para realizar el redisefío y repotenciación del generador.

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Con esta modificación, el voltaje generado será de 250 VAC máximo el cual será,

controlado por el regulador de voltaje y se fijara en 220 VAC.

Finalmente los nuevos parámetros del generador serán:

Voltaje = 220/127 VACCorriente = 10.5 AmpPotencia =4.0 kVANúmero de polos = 6 polosFrecuencia = 60 HzVelocidad sincrónica = 1200 rpmNúmero de espiras por bobina= 6 espirasPaso = 8 ranurasNúmero de hilos/sección = 3 hilos #17Número de bobinas por grupo = 3 bobinasConexión interna del generador = Estrella con neutro trifásico

Con estos parámetros se puede determinar fácilmente la repotenciación del generador,

considerando que la potencia original era de 3kVA, con el nuevo diseño será de 4kVA.

El estator tiene ahora 6 terminales de salida, lo o^e permite realizar una conexión

estrella con neutro a 220/127 VAC.

En las fotografías del anexo # 4 se puede ver y'comparar el estado de funcionamiento

inicial del generador y el estado actual del alternador y sus embobinados.

3.3.4 Curva de magnetización del generador

La curva de magnetización de] generador se determinará tomando como datos la

corriente de excitación, comente continua que alimenta las bobinas del inductor, y el

voltaje en terminales del generador.

70

ESCUELAPOLITECNIC A NACIONAL FACULTAD DE EINGENIERIA ELÉCTRICA

El procedimiento para la determinación de dicha curva es el siguiente: Se colocaron, un

amperímetro de corriente continua en la alimentación de corriente de excitación y un

voltímetro de alterna en los terminales de salida del generador.

Estas mediciones se realizaron a circuito abierto y el generador funcionando a la

velocidad sincrónica.

La curva resultante de estas mediciones es la que se muestra en el anexo # 5

Los datos medidos de resistencia son los siguientes:

Generador:

• Bobinas del inductor (rotor) 9.1 Q• Bobinas del inducido (estator) 0.4 Q

Exciíatriz:

• Bobinas del inductor (estator) 15.6 Q• Bobinas del inducido (rotor) 0.7 Q

3,4 Sistemas de excitación y regulación de voltaje existentes

3.4,1 El sistema de excitación

Puesto que el sistema de excitación del generador está basado en un generador de

corriente continua (Dínamo), a continuación se procederá a describir el funcionamiento

y las partes constitutivas de laDínamo.

71

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENTERIA ELÉCTRICA

a) Principios básicos de funcionamiento

Un generador no es una máquina que engendra energía, sino más bien es un conversor

de energía, por lo que una dínamo puede convertirse fácilmente en motor de corriente

continua y un motor en una dínamo.

El voltaje o lafem de una dínamo se produce por inducción electromagnética cuando

los conductores del inducido giran cortando las líneas de fuerza del campo magnético.

El voltaje que producirá una dínamo puede calcularse por medio de la siguiente

relación:

1 0 * 6 0 * A f

donde:

(3-18)

P = número de polos magnéticos<DP = flujo magnético total útil por poloCr= número total de inductores en el inducido108 = 100.000.000 líneas de flujo a cortar por segundo y por voltio por circuito

derivado60 = 60 segundo por minutoM= número de trayectorias conductoras en paralelo o circuitos derivados entre

Las escobillas (4-) y las escobillas (-)

Esta expresión permite establecer que el voltaje generado depende de características

eléctricas, magnética y constructivas.

La única forma de variar ei voltaje de una dínamo es variando la velocidad o la

intensidad del campo magnético, o ambas a la vez.


Una forma fácil de determinar la dirección del voltaje inducido en los conductores de

una dínamo es emplear la regla de la mano derecha de Fleming, que se expresa de la

siguiente manera:

"Se colocan los dedos índice, medio y pulgar de la mano derecha en ángulo recto,

poniendo el dedo índice en la dirección del campo magnético procedente de los polos y

el pulgar en la dirección de rotación del conductor, el dedo medio indicará la dirección

del voltaje inducido".

b) Circuito magnético de la dínamo

Puesto que la variación o regulación del voltaje dependerá, principalmente., de la

variación en la intensidad del campo magnético, se determinarán los factores que

intervienen en laregulación de esta intensidad de campo.

Dado que la excitatriz es una dínamo de cuatro polos, tiene cuatro circuitos magnéticos;

y un circuito magnético se define como el camino seguido por el flujo de sus polos

magnéticos a través de los mismos polos, del núcleo del inducido y de la culata de los

polos.

Es conveniente que estas trayectorias sean continuas y cerradas a través del aire, el

circuito magnético deberá estar compuesto en su mayor parte de hierro o acero para

reducir la reluctancia y aumentar la intensidad del campo magnético.

73

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE EINGENIERIÁ ELÉCTRICA

La figura 3.8 muestra el camino del flujo magnético en una dínamo de cuatro polos.

Fig. 3.8 Circuitos magnéticos en una máquina de cuatro polos

Siempre el flujo magnético se desplaza desde el polo norte hacia el polo sur en un

circuito magnético.

En este esquemase puede ver que el flujo magnético se divide en dos partes, desde el

polo norte hacía los dos polos sur formando el circuito externo, él que está compuesto

por el entrehierro y el inducido. El circuito interno se compone de los polos norte y sur

y la culata del inductor.

El área de los polos magnéticos y la culata del inductor tiene que ser lo bastante grande

para dejar pasar el flujo sin llegar a la saturación.

Para que el rendimiento sea máximo las dinamos trabajan con densidades magnéticas

muy inferiores a su saturación.

74


c) Excitación de campo

El campo magnético de los polos de una dínamo es creado por la corriente continua que

circula por las bobinas que rodean el polo, esta corriente se llama corriente de

excitación, la intensidad del campo magnético dependerá del número de vueltas de las

bobinas inductoras y de la intensidad de la corriente que pase por ellas. Controlando la

corriente de excitación por medio de un reóstato se puede ajustar el voltaje generado.

Las dínamos se clasifican en dínamos con excitación independiente y dínamos con

autoexcitación.

Una dínamo con excitación independiente es aquella que obtiene la corriente de

excitación de una íuente distinta de la de su propio inducido.

La dínamo autoexcitada es laque recibe su corriente inductorade su propio inducido.

d) Tipos de dínamos

Las dínamos se clasifican, según la construcción de su inductor y sus conexiones, en:

dínamos shunt o excitadas en derivación, dínamos serie o excitadas en serie y dínamos

compoiind o de excitación compuesta-

Puesto que la excitatriz del generador en estudio es una dínamo shunt, a continuación se

realizará una breve explicación de la misma

75

ESCUELAPOLITECNIC A NACIONAL FACULTAD DE EBÑTGENIERIA ELECTOIC A

e) Dínamo shunt

La figura 3.9 es un esquema sencillo de una dínamo shunt, en la que se muestran sus

principales componentes y la manera de conectar el arrollamiento inductor de la dínamo

shunt en paralelo con su inducido.

Linea

Línea

Fig. 3.9 Esquema básico de una dínamo shunt

El reóstato de campo está conectado en serie con la bobina inductora shunt para regular

la intensidad del campo magnético.

En Iaíigura3.10 se puede ver el esquema de conexiones de una dínamo de cuatro polos,

similar a la excitatriz del generador en estudio.

7(5


Fig. 3.10 Dínamo Shunt de cuatro polos y sus conexiones

Siendo la dínamo shunt una máquina autoexcitada, empezara a desarrollar su voltaje

partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar.

Después, a medida que el inducido va desarrollando voltaje, este envía corriente a través

del inductor, aumentando el número de líneas de fuerza y desarrollando el voltaje hasta

su valor nominal.

f) Características de voltaje en una dínamo shunt

El voltaje de una dínamo shunt varía en razón inversa con la carga, el aumento de carga

aumenta la caída de voltaje en el circuito del inducido, reduciendo así el voltaje

aplicado al inductor, esto reduce la intensidad del campo magnético y, por consiguiente,

el voltaje del generador.

77


La figura 3,11 muestra la característica de variación de carga con el voltaje de

generación.

01

Fig. 3.11 Característica de voltaje de una dínamo shunt

Se puede observar o^e en vacío el voltaje es el nominal o máximo, mientras que a

medida, que aumenta la carga, en kW su voltaje va disminuyendo gradualmente,

tomando cada vez valores mas bajos.

3,4,2 El antiguo sistema de excitación

El antiguo sistema de excitación consistía en una dínamo o generador de comente

continua que funciona de laforma que se explicó en el párrafo anterior.

En el proceso de mejoramiento del generador no se alteró este sistema de excitación y

se mantiene como la excitaíriz del modelo el cual funciona de acuerdo a las

características descritas anteriormente.

78

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3.4.3 El sistema de regulación

En el modelo antiguo del generador, en lo que respecta a la regulación de voltaje, no se

disponía de un sistema de regulación de voltaje; la regulación de voltaje se realizaba a

través de un reóstaío de campo el que estaba intercalado en la alimentación de las

bobinas del inductor de la excitatriz, al variar la posición del reóstaío variaba el voltaje

generado por la dínamo y esto, a su vez, variaba el voltaje generado en corriente alterna

La disposición del reóstato de campo es similar a la descrita en lafígura 3.9 en laque se

muestra la forma de intercalar el reóstato con las bobinas del inductor. La disposición

física del reóstaío de campo en el generador era colocado sobre el panel de control,

desde el cual se podía regular el voltaje en forma manual cada vez que se presentaba

una variación de la carga

Para la remodelación del generador se consideró realizar un cambio de este sistema de

control manual por un sistema de control automático, dicho sistema de control

constituye una tarjeta reguladora de voltaje automática^ la cual será descrita en el

siguiente capítulo, el cual trata sobre el diseño de un regulador de voltaje electrónico

para este generador.

La figura 3.12 describe la interrelación entre el regulador automático de voltaje y el

sistema de excitación.

79


Fig. 3.12 Sistemas de excitación y regulación

El regulador de voltaje realizará el mismo trabajo que el reóstato de campo, será, el que

realice el control de la corriente de excitación en las bobinas del inductor de la excitatriz

cuando se presenten variaciones de carga

En el siguiente capítulo se describirá en forma detallada-el funcionamiento del regulador

automático de voltaje y se realizará un diseño del mismo.

80


Capítulo 4

El nuevo sistema de regulación de voltaje

Descritos los principales componentes de un grupo electrógeno y su funcionamiento en

los capítulos precedentes solo resta por desarrollar, la parte más importante de este

trabajo, la cual es la descripción y diseño del reguiador de voltaje para el generador

particular.

En este capítulo se realizará un análisis de la curva de magnetización del generador, que

se obtuvo en el capítulo 3, y los resultados de este análisis servirán como parámetros de

disefío del regulador automático de voltaje.

Posteriormente se hará una breve descripción de los componentes del regulador de

voltaje y se presentará un diseño del mismo.

Finalmente se presentarán los resultados obtenidos en diferentes pruebas a través de

diferentes condiciones de cargas; estos resultados se presentarán en cuadros y gráficos

(anexo # 8) que describirán las diferentes condiciones de funcionamiento de lamáquina,

Para la descripción del sistema de regulación se utilizará toda la información

bibliográfica recopilada como son: textos de sistemas de potencia, de sistemas de

control, de electrónica de potencia, de diseño electrónico y manuales de mantenimiento

y operación de varios fabricantes de equipos de generación, adicionalmente las tesis

descritas en las referencias # 10 y 16. Toda esta información recopilada y procesada

81


servirá para presentar una explicación detallada y concisa de los principales

componentes, y su funcionamiento, en un regulador automático de voltaje (RAV).

A partir de la referencia # 16, se realizó el disefío para el regulador electrónico de

voltaje; los principales parámetros eléctricos considerados en el diseño original

sirvieron de base para el nuevo diseño con las consideraciones del caso para el

generador particular, lo que determinó mejoras en el diseño original, tales como, uso de

elementos de bajo costo y fáciles de conseguir en el mercado, un disefío más simple y

un rango de respuesta mejor.

Se pretenderá presentar un criterio de estabilidad del sistema de control y regulación de

voltaje paralo cual se determinará el diagrama de bloques y la función de transferencia

de dicho sistema de control.

4,1 Análisis de la curva de magnetización

La curva de magnetización que se presenta en el anexo # 5 se construyó de acuerdo al

procedimiento descrito en el capítulo 1, esta curva se compone de mediciones de

corriente de campo vs voltaje en terminales avelocidad constante del generador.

Como se puede ver en la curva, para los valores de 2.0 a 2.5 Amp de corriente de campo

le corresponden valores de voltaje en terminales de 219 a 240 voltios. Se escogen, por

íanto, como parámetros de diseño los valores de 2.0 Amp para la corriente de excitación

y 220 V para voltaje en terminales.

82

ESCUELA POLITÉCNICA HACIOHAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

Puesto que esta corriente de campo es la producida por la dínamo que actúa como

excitaíriz y no es la corrente entregada por el regulador automático de voltaje, se hace

necesario determinar esta corriente.

La corrente que entrega el RAV, sirve para alimentar las bobinas inductoras de campo

de la dínamo y esta se determinó durante la prueba de obtención de la curva de

magnetizad ó a

A través de una batería de acumuladores de 12 V se alimentaron las bobinas de campo

de la excitaíriz y se procedió a medir la corriente que circula por dichas bobinas. En el

cuadro No 2 del anexo # 5 se pueden ver las equivalencias de la corrente de campo del

inductor del alternador con la corriente que alimenta las bobinas de campo de la

excitatriz.

Se escoge, adicionalmente, como parámetro de disefío el rango de valores de 0.39 a

0.505 Amp.

4.2 Descripción del sistema de regulación de voltaje

De varias formas el regulador de voltaje constituye el "corazón" del sistema de

excitación. Este es el mecanismo que sensa ios cambios en las salidas de voltaje y

corriente y realiza las acciones correctivas que se toman en el sistema de excitación1.

1 Re£erencia#14

83


No importa cual es la velocidad de respuesta de la excitatriz, ésta no afectará a la

respuesta del regulador mientras se realizen las acciones de regulación y control en el

mismo. Si el regulador tiene una respuesta lenta, éste será insensible a los cambios.

En adición a la confíabilidad y a la disponibilidad de mantenimiento, es necesario que el

regulador de voltaje actúe continuamente en forma proporcional al sistema. Esto

significa que cualquier acción correctiva deberá ser proporcional a la desviación del

valor deseado en los terminales de voltaje AC, sin importar cuan pequeña sea la

desviacióa

Los primeros reguladores electrónicos y estáticos que se desarrollaron, se probaron

extensamente. Los resultados de estas pruebas indicaban continuamente que la acción

de control proporcional incrementaba los límites de estabilidad en estado estable del

generador más allá de los límites ofrecidos por el regulador reostático.

Según la referencia # 14 existen varios tipos de reguladores de voltaje entre los que se

encuentran principalmente los siguientes.

• Reguladores electromecánicos• Reguladores electrónicos primitivos• Reguladores de amplificador rotativo• Reguladores de amplificador magnético• Reguladores de estado sólido

84

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4.2.1 Diagramas de bloques

Un regulador automático de voltaje es un sistema que entrega voltaje constante a la

salida, resultando óptima su respuesta para un determinado rango de voltaje de entrada y

de carga

El generador es capaz de producir un voltaje alterno, el mismo que puede ser conectado

directamente a una carga, en estas condiciones no se tiene ningún tipo de regulacióa Al

tomar esta sefíal y realimentarla al sistema de control, permite ser comparada con una

sefíal de referencia fija, obteniéndose una sefíal de error, la misma que nos posibilita

corregir el funcionamiento del sistema, estableciéndose entonces la regulación deseada.

La figura 4.1 representa el diagrama de bloques para el sistema de control del

generador; se trata de un sistema de control por comparación de las señales de entrada y

salida,

Fíg. 4,1 Diagrama de bloques del Sistema de Control

A continuación se realizará una explicación de cada uno de los componentes de este

diagrama de bloques.

85

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• Referencia: Este sistema entrega un valor fijo de voltaje respecto del cual se

realizará la comparación y la regulación de voltaje.

• Sensado: Este sistema mide el voltaje de salida del generador y determina sus

variaciones.

• Comparador de error Compara la señal de sensado con la señal de referencia y

entrega una señal de salida llamada el error de voltaje.

• El Amplificador: Este sistema es un amplificador electrónico convencional y del que

se asume una amplificación lineal de voltaje.

• Control de potencia: Corresponde al circuito de potencia que alimentará ei campo de

excitación del generador.

• Excitación; Se trata del sistema de excitación, para nuestro caso la excitatríz de

dínamo deDC.

• Generador: corresponde al alternador, el cual es capaz de producir una señal alterna

• Carga: Cualquier tipo de carga, resistiva, inductiva o capacitiva, que se puede

conectar al alternador.

4,2.2 Principales componentes del regulador de voltaje

El esquema presentado anteriormente representa el diagrama de bloques de todo el

sistema de control del grupo electrógeno., a continuación se presentará en forma de

diagrama de bloques., las partes constitutivas y su funcionamiento, del regulador de

voltaje.

La figura 4.2 representa en forma general a cualquier tipo de EAV? y en particular al

RAV que se va ha diseñar

86


Delectar deError

Amplificador deError y Circuito

de Disparo

Circuito dePotencia

Estabilidad

Salida al Campo

Fig. 4.2 Diagrama de bloques del regulador de voltaje

Donde:

• Sensado: Es la sefíal de voltaje a ser sensada, para obtener así el voltaje en

terminales del generador regulado al valor deseado. Para el presente caso el sensor

de voltaje corresponde a un transformador de aislamiento con relación de voltajes de

lal .

• Referencia: Corresponde a un circuito fijador del nivel de voltaje basado en un

diodo Zener,

• Estabilidad: Corresponde aun circuito de realimentación negativa con el propósito

de establecer el límite mínimo de operación en estado estable del generador sin

carga, y proporcionar una respuesta rápida ante variaciones de carga

• Detector de error: Corresponde al circuito comparador de señales, está basado en un

amplificador operacional trabajando como comparador.

• Amplificador de error y circuito de disparo: La sefíal del detector de error es muy

pequeña y debe ser amplificada a un nivel utilizable a través de un amplificador de

sefíal. El circuito de disparo cambia la sefíal de error en pulsos de energía que serán

aplicados al circuito de potencia Está basado en un transistor de unijuntura.

87


• Circuito de potencia: En este caso se trata de un conversor AC/DC semicontrolado

de onda completa con diodo de conmutación y carga RL; donde L es mucho mayor

queR

• Salida al campo, F+ y F-: Son los terminales de salida del conversor AC/DC que

alimentarán las bobinas inductoras del generador.

.. • "''—;• *»'.

4.2.3 Funcionamiento del regulador de voltaje y sus componentes

Este regulador automático de voltaje se construyó sobre una tarjeta de circuito impreso

con dimensiones de 11.6 era x 16.1 cm y un peso aproximado de 156 gramos, en esta

tarjeta se comparte el circuito de potencia y de control.

Para la sefíal de sensado y la alimentación al sistema de control se utiliza un

transformador de referencia de voltaje el que tiene como característica principal que es

un transformador de aislamiento eléctrico entre el sistema de generación y el sistema de

regulación y tiene una relación de transformación igual a uno. Los terminales del

primario del transformador se conectarán, entonces, a la sefíal de 127 VAC.

Los terminales del secundario del transformador se conectan a una red RC, la cual

permite escoger la constante de tiempo adecuada para que el sistema trabaje a 50 Hz o

60 Hz? terminales 5 y 6 respectivamente. Se consideró necesario incluir esta alternativa

en el dísefío ya que existen modelos de grupos electrógenos que operan a 50 Hz con

cargas especiales. Para el presente caso, esta conexión en la tarjeta de circuito impreso

corresponde a los terminales 4 y 6,

88

ESCÜELAPOLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIAZLECTRLC A

Posteriormente la sefíal sensada es rectificada y filtrada para disminuir su rizado a través

de un conversor AC/DC no controlado monofásico y un filtro tipo RC.

Este voltaje rectificado es reducido, por medio de un divisor de voltaje, a un nivel

tolerable para ser alimentado al comparador. Este nivel de voltaje se puede ajustar con

mayor precesión por dos formas, una colocando un potenciómetro externo de ajuste

fino entre los terminales 1 y 3 de la tarjeta.y otra colocando un arreglo de resistencias y

un potenciómetro ala salida del rectificador. Para el presente caso ae escoge la segunda

opción y para ello se requiere hacer un puente entre los terminales 1 y 2.

El nivel de referencia está dado por un circuito RC y un diodo zener. Respecto de este

valor se realizará la regulación del voltaje de salida

El comparador está constituido por un amplificador operacional en circuito integrado, su

funcionamiento es el siguiente: cuando la sefíal de entrada o sensing es menor que el

nivel de referencia, entonces la salida va a su nivel alto; cuando la señal de entrada o

sensing es mayor que el nivel de referencia, entonces la salida vaa su nivel bajo.

Como se mencionó anteriormente, la señal de salida del comparador es muy pequeña,

ésta es amplificada en un amplificador de señal pequeña constituido por un transistor y

su circuito de polarización.

La sefíal que sale del comparador sirve para activar el transistor de unijuntura el que a

su vez genera una sefíal de tren de pulsos que sirve para activar y desactivar los

tiristores (SCRs) del circuito de potencia Los períodos de encendido y apagado de los

SCRs, tanto para el nivel bajo como el nivel alto del comparador, dependerán de las

variaciones de voltaje parapoder realizar laregulación.

89


En los terminales de salida, que corresponden a 7 y 8 o F- y F+ respectivamente, se

tiene un diodo de conmutación y un condensador en paralelo con las bobinas del

inductor para mejorar la conducción y el factor de potencia de la carga de la tarjeta

reguladora.

Adicionalmente la tarjeta reguladora de.voltaje está complementada por un par de

reactores conectados en serie a la alimentación del conversor AC/DC, terminales 9 y

10, para protección de los SCRs,

En el anexo # 7 se puede ver el esquema de conexiones y la lista de elementos usados en

la construcción del EAV. La explicación arriba detallada corresponde exactamente a lo

expuesto en dicho anexo.

4,3 diseño del regulador automático de voltaje

A continuación se procederá a realizar el diseño de los diferentes componentes del

regulador automático de voltaje.

Para esto se real izarán varias consideraciones como son:

• El voltaje de alimentación al circuito de control y sensado es de 127 Vrms.• El voltaje de alimentación al circuito de potencia es 127 Vrms.• La corriente consumidapor el circuito de control es de 100 a 120 nüliamperios.• La corriente máxima del circuito de potencia varía entre 2 y 5 Amperios.

Páralos cálculos de diseño se utilizará el valor de voltaje de 120 VAC y no el valor de

voltaje de 127 Vrms.

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4.3.1 Especificaciones

a) Entrada:1) Potencia: 600 VA2) Voltaje: 120 VAC. Monofásico3) Frecuencia: 50/60 Hz

b) Sensado:1) Voltaje: 120 VAC. Monofásico2) Potencia: 15 VA _;;., ' •3) Frecuencia: 50/60 Hz

c) Salida:1) Potencia: 300 W2) Voltaje: 100 VDC3) Corriente: 3 Amp DC continuos

d) Resistencia de Campo:15.6 ohms

Con estos datos se procederá arealizar los respectivos cálculos en el diseño para

justificar el uso de los distintos componentes en el regulador automático de voltaje.

Primero se realizará el diseño del transformador de referencia.de voltaje, luego el diseño

del circuito de control y por último el diseño del circuito de potencia.

4.3.2 Diseño del transformador de referencia de voltaje

Para el diseño del transformador de referencia de voltaje se considera que el voltaje del

primario y el voltaje del secundario son iguales a 120 VAC y que la. corriente en el

secundario es igual a 100 mA.

91


El núcleo de hierro del transformador está constituido por láminas y tiene la forma que

muestra la figura a continuación.

Núcleode Hierro

Fig, 4,3 Núcleo de hierro del transformador de referencia de voltaje.

La sección del núcleo se calcula de acuerdo con la siguiente fórmula:

(4-1)

donde:S = sección del núcleo de hierro en cm2

W = potencia en vatios del transformador a diseñarse1.12 = constante que relaciona estas dos unidades

Puesto que se trata de un transformador de aislamiento con una relación de

transformación de 1 a 1, el voltaje del secundario será 120 VAC y la corriente del

secundario será, en promedio, de 100 mA; se tiene que la potencia del secundario del

transformador será entonces:

Por lo tanto la sección del núcleo del transformador será:

S = 1.12-X/Í2"

S = 3.87cm2

La sección del núcleo es de 3.87 cm2, o lo que es lo mismo tiene unalongitud, por lado,

de 1.969 cm.

92

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Sea la longitud del lado L del núcleo igual a 2 cm, por facilidad de disefío; entonces la

sección del núcleo será:

S - L + L - 2cm + 2cm =

La potencia real del transformador será:

a) Primario

El cálculo del número de espiras del primario se realiza de la siguiente manera,

utilizando la relación:

(4-2). 4 + * j f f * 5 ^ ;

donde:= número de espiras del primario

Vprim = voltaje del primariof == frecuencia, 60 HzP = campo magnético en Gauss> para el presente disefío toma el valor de 10000Gaiiss.S = sección del núcleo de hierro.

El número de espiras es:

120" 4,44 + 60 +10000 +4

#«/>„* =1126.12

Sea, para diseño, el número de espiras del primario igual a 1126

El número de espiras por voltio se calcula de acuerdo a la siguiente expresión:

(4-3)Vprim

93


donde:#esp/Vol = número de espiras por voltio#e9pprim~ número de espiras del primarioVprim — voltaje del primario

El número de espiras por voltio para el primario será de:

#esp ¡Vol =120 ;v'"X .•

ftesp I Vol =9.38 "V':U': '-'

Para calcular la sección del conductor del primario se utilizará la siguiente relación:

* = F^T- (¿M)Vprim * q

donde:Sp = sección del conductor del primarioW.~ potencia .del transformadorVpñm yojtaje primarioq = constante que representa la condición de carga del transformador a diseñarse,para el presente caso q = 31.2 = constante de proporcionalidad

1.2*12.75120*3

Sp = 0.0425

Según tablas esta sección corresponde aproximadamente a la sección del conductor

cuyo calibre es él # 31.

b) Secundario

El número de espiras del secundario se calculada acuerdo con la siguiente expresión:

ffs = 1.05 *n * P seo (4-5)

donde:Ns = número de espiras del secundario1.05 = constante de proporcionalidadrj — número de espiras por voltioVsec = voltaje del secundario

94


Por tanto, el número de espiras del secundario será de:

Ns = 1.05 *9.38+120

Ns = 1181,88

Sea el número de espiras det secundario, para disefío, igual a 1182.

El número del conductor del secundario s.erá el mismo que el del primario, es decir,

conductor de calibre #31.

Por lo tanto el transformador diseñado tendrá las características mostradas en la figura

1 : 1Vprím=12QVN L ™ 1 I 2 6Pot= 12.75 VAI l - l Q S m A

Vsec - 120 VN2-L182Fot-12.75 VAJ 2 - 1 0 Q m A

Fig; 4,4 Transformador de referencia de voltaje diseñado

c) Justificación

En la actualidad la tendencia es simplificar y minimizar los componentes de un sistema

de control, es por esta razón que no se construyen y utilizan tres transformadores^ uno

por fase, tal como se hace en la referencia # 16.

La función del transformador diseñado es de sensar el voltaje de salida del generador y

principalmente aislar eléctricamente la parte de potencia con la parte de control; el

objetivo de este transformador no es reducir el voltaje a niveles manejables por los

elementos de estado solido, pues esto se consigue por otros métodos. La alimentación al

95


circuito de control y los elementos de estado solido se hace directamente al nivel de 120

VAC.

Adicionalmente el transformador ofrece protección contra sobrecorrientes, pues está

diseñado para manejar valores de corriente en el orden de 100 mA. Este sistema de

protección puede ser remplazado por un fisible de ruptura rápida. ^

El equipo diseñado para el presente trabajo pretende mantener la mayor similitud

posible con aquellos que existen en el mercado, los mismos que cuentan exclusivamente

con los componentes del sistema de regulación sin accesorios adicionales como

transformadores o equipos de protección.

4.3.3 Diseño del circuito de control

El circuito de control implica el establecimiento del circuito de selección de frecuencia,

del circuito de rectificación, del circuito de referencia, del circuito del comparador y del

circuito de disparo de los SCRs.

a) El circuito de selección de frecuencia

Este circuito consta de una red RC la que debe cumplir con la condición de que el

tiempo de carga del condensador sea igual al tiempo de un período de la señal de

entrada y el tiempo de descarga sea el menor posible.

* Paraf = 60 Hz:


La constante de tiempo se calcula de acuerdo con la siguiente expresión:

T = R * C (4-6)

Puesto que la frecuencia es el inverso del período y éste es el tiempo de oscilación''de la

onda, se puede usar la siguiente expresión para calcular éste tiempo.

r = 1 (4-7)

T = — — = I6.61ms60 /£

Puesto que Tyt deben ser iguales, se tiene entonces que:

T = T = }6.61ms = R+C

Sealaresistenciade cargaR = 42.2 kQ, se tiene entonces que C vale:

16.67 42.2K3

=

Comprobando:

El valor calculado para la constante de tiempo es similar al tiempo correspondiente al

período de la onda, por lo tanto se garantiza que la sefíal de alimentación sea

exclusivamente de una frecuencia igual a 60 Hz.

El tiempo de descarga del condensador se calcula aplicando la relación (4-6), y dado

que el tiempo de descarga debe ser el menor posible, se escoge una resistencia de

descarga igual a 10 Q

-c = 100*0.3911^ = 3,

97


Para el caso de una frecuencia de 50 Hz, se realiza el mismo análisis y se procede ha

realizar íos mismos cálculos obteniéndose que la resistencia de carga es igual a 46,4 kQ5

la resistencia de descarga igual a 10 Q y al condensador sea de 0.39pFa250 VAC.

b) Circuito divisor de voltaje

El circuito de selección de frecuencia, por las caracterísucas que presenta, constituye un

circuito divisor de voltaje y por tanto el voltaje de alimentación al conversor AC/DC es

menor que el-voltaje que entrega el transformador.

El divisor de voltaje tiene laformaque muestra lafigura4.5.

VI

* Zl

Z2

'

_L

Y

i

\1Fig. 4,5 Divisor de voltaje

Una vez que se establece que la frecuencia de operación es 60 Hz., para este caso; en el

circuito resultante se tiene que Zl corresponde a la resistencia de carga y tiene un valor

de 42.2 kO y 22 corresponde al arreglo resistencia — condensador y tiene un valor de

10 Q -J6.8 kQ; el voltaje de alimentación al conversor AC/DC se determina por medio

de la siguiente relación:

Z2-Ps (4-8)

98

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El voltaje calculado que ingresa al conversor AC/DC, será entonces igual a:

42.2 + 10- J6.B*12Q

c) El conversor AC/DC

El conversor AC/DC es un rectificador tipo puente de onda completa, monofásico, el

que genera una señal continua para alimentar el circuito de control y los elementos de

estado sólido del mismo.

A continuación del conversor se dispone el correspondiente filtro "tipo C" para reducir

el rizado de lasefíal de voltaje.

El conversor con su respectivo filtro tiene lafonna que indica Iafigura4.6.

R

Di 7\D2

L

v,DC

Fíg. 4.6 Conversor AC/DC del circuito de control

El voltaje a la salida del conversor se calcula de acuerdo con la siguiente expresión:

99

ESCUELA POLITÉCNICA NACIÓN AL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

(4-9)

Por lo tanto el voltaje calculado tendrá un valor igual a:

_ 2 + \- -

71

= 17.106

Sea el voltaje de salida del conversor igual a 17.2 VDC, los elementos del filtro RG se

determinan de acuerdo al criterio de 0,116 la constante de tiempo sea mucho mayor que el

período de la señal y que la impedancia de carga sea semejante a la impedancia de

descarga del condensador.

Sea la impedancia de carga igual a 27 kQ y la constante de tiempo mayor en un 75%, se

tiene entonces:

T'= 16.485/ws +1.75 = 28.85/ws

El valor del condensador se determina de acuerdo a la siguiente relación:

T= R + C

28.B5ms = 27K3+CC = 1.06S\iF

Sea el valor de C igual a IpF, entonces se tiene que:

T = 27 ¿Q + IIIF = 21 ms

Sea el valor de la impedancia de carga 28 kQ, entonces se tendrá una constante de

tiempo aproximada a calculada anteriormente (28.85 ms.).

Con el propósito de fijar el voltaje a la salida del arreglo rectificador - filtro, se

establece una carga RL en el mismo; por la cual se estima que circulará una corriente de

ImA.

100


El valor de esta carga RL se determina de acuerdo a la siguiente expresión:

h17.2PR =ImA

La carga RL se descompone en dos resistencias de 11 kQ y 1.2 kQ y un potenciómetro

de 5 kQ con el propósito de tener un voltaje específico a comparar.

• Comprobación

Con los elementos determinados anteriormente se realiza el cálculo del voltaje a la

salida del filtro y se comprueba su funcionamiento.

.. , 14.7*17.2K - 28 + 14.7

(4-11)

Xa = (4-12)c

Xc =

Vrms '=

Los valores obtenidos muestran los niveles de voltaje a los que trabaj'ará. el circuito de

control y particular mente el comparador.

101


d) El comparador de voltaje

El comparador de voltaje está basado en un amplificador operacional en circuito

integrado. Este amplificador operacional en circuito integrado es el LM741 cuyas

características se pueden ver en el anexo # 6.

Un circuito comparador es aquel en el que se compara un voltaje de entrada lineal con

otro voltaje de referencia, con la salida proporcionando una condición digital que

representa si el voltaje de entrada excede o es menor al voltaje de referencia.

De esto se deduce que la salida del comparador tiene la misma forma que una función

paso; tal como muestra la figura 4.7.

Vi

Fig. 4.7 Función paso de Vo

Si el sistema permanece trabajando en sus dos niveles, alto y bajo, éste se volvería

inestable ya que conmutaría muy rápidamente en relación con el tiempo que necesita el

generador para excitarse.

El resultado es que se obtendría una función periódica no amortiguada que provocaría

oscilaciones de tensión y convertiría al sistema en inestable.

10Z

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTKICA

Por lo tanto., es necesario que la respuesta del comparador sea más lenta; esto se

consigue colocando la red para 2f y Z tal como muestra la figura

C3 R-2

Vi

^

^^

1

Rs c< (• AAA I / rVV n

R?

•

i

\-

q 4-

Vo

Fig. 4.8 Comparador de voltaje

Donde se tiene que;

Vi = V\

-e2

de donde se obtiene la siguiente ecuación para la función de transferencia:

~SR2R9C3

Z =

(R9~

Vi

(4-12)

(4-13)

(4-14)

(4-15)

(4-16)

Esta expresión puede representarse en forma abreviada de la siguiente manera:

(eás(4-17)

donde:

c - (R7+R8)C4

e = R7f = (R2-fR9)C3

103

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTKEC A

La función de transferencia representada por la ecuación (4-16) permite determinar la

respuesta en el tiempo de este comparador, por medio de la transformada inversa de

Laplace, y considerando una señal paso como la entrada se tiene la siguiente expresión.

í-t -•**Po(0= *l + Jt2 + e d + Jt3 + e ' (4-18)

En esta expresión kl, k2 y k3 dependen de los valores que toman a, b, c, d, e; es decir,

son función de los elementos que conforman Zf y Z en el comparador. '"*

Por medio del teorema del valor final y del valor inicial se determinaran los valores para

T = 0 y paraT = oo los cuales corresponden a la ganancia Al como sigue:

- 0)=> A\ —df

En base a la respuesta obtenida de la función de transferencia y para satisfacer el criterio

de estabilidad propuesto, Zf y Z deben tomar valores de 220 kQ, 0.22 jiF, 250 VAC y

0.1 pFy250 VAC, 100 kQ, 270 kQ respectivamente. Lasefíal a compararse se conecta

en el terminal inversor.

Para mejorar y mantener la estabilidad se adiciona un circuito compuesto de dos

resistencias de 1 MQ y 100 kQ respectivamente y dos condensadores de 0.1 pF, 250 V

y 0,47 Mí7 a 250 V.

El voltaje de referencia se fija a través del diodo zener Dzj de 5.6 V, El circuito de

polarización del comparador se fija en 20 V a través del diodo zener Dzs.

104-


Adicionalmente se intercala un arreglo C - R - C entre los diodos de referencia y

polarización para hacer al conversor inmune a ruidos externos y tener compensación de

temperatura en el comparador. Los valores de estos elementos son respectivamente:

capacitor electrolítico Ct = 100 pF, 10V; R: = 33 kQ; C2 = 0.47 pF, 250 V.

El circuito de polarización se completa con una resistencia de potencia de 4 kQ y. los

diodos Dj y De; los que toman la señal directamente de la alimentación a 120 VAC.

e) El circuito de disparo

La sefial de salida del comparador llega a la base del transistor Ql a través de la

resistencia R3 = 330 kQ y el diodo D4.

El circuito de disparo presenta dos configuraciones diferentes para cada nivel, alto y

bajo, de la salida del comparador.

Cuando la sefíal de entrada del comparador, sensing, es menor que la referencia se tiene

que la salida del comparador está en su nivel alto y por tanto el transistor Ql, el cual

actúa como un interruptor y en este momento está en saturación, deja pasar corriente del

colector al emisor cargando el condensador C7 y haciendo que se dispare el tren de

pulsos en el transistor de unijuntura; activando los SCRs e incrementando el voltaje de

salida del RAV y de está manera incrementando la corriente de excitación.

En la figura se presenta el circuito de disparo para la condición de nivel alto o de

conducción del comparador.

105


Ru

Q:z

Fig. 4.9 Circuito de disparo para la condición de nivel alto

Donde los valores de R14 y R28 se escogen arbitrariamente y son 100 Q y 47

respectivamente. De la misma forma el condensador C7 se escoge de 0.22 pF a 250 V.

Con los datos proporcionados por el fabricante para el transistor de unijuntura y los

valores para las resistencias y el condensador escogidos se determina el voltaje pico de

Q2 de acuerdo con la siguiente fórmula:

Vp = 0.6 + (4-19)

18 + 0.775 *6.55¿CiVp = 0.6 +

Fp = 14.34K

Parapoder determinar el tiempo de oscilación se requiere escoger laresistencia de carga

del condensador R4? a través de la siguiente expresión:

-Vp n Vcc - PvÍL.< £ < . (4-20)

18-14.34 18-1< .fí <

\5rnA 4mA2MO < R < 4.

106


Con este valor de resistencia y el voltaje pico se determina el tiempo de oscilación a

través de la siguiente relación:

(4-21)

Por tanto el tiempo de oscilación en la condición de nivel alto del comparador será: :

8-14.34

Para la condición en que el voltaje de entrada o sensing es mayor que el voltaje de

referencia, la salida del comparador va al nivel bajo o estado de no-conducción, el

circuito de disparo es el que se presenta en la figura 4.10 donde los valores de los

diferentes elementos corresponden a: R28 = 47 Q, R14 = 100 Q, R12 = 4 kQ,

Puesto que en el nivel bajo del comparador no hay conducción de corriente desde el

terminal de salida del LM 741 hacia la base del transistor Ql, éste entra en corte y no

permite el paso de comente desde el colector hacia el emisor, obligando a circular

corriente a través de la resistencia R5 para así poder disparar el tren de pulsos a través

del transistor de unijuntura Q2.

Las características proporcionadas por el fabricante del transistor Ql y del transistor de

unijuntura Q2 se pueden ver en el anexo # 6.

107


Fig4.10 Circuito de disparo para la condición de nivel bajo,

Por igual procedimiento y al realizar los mismos cálculos con los respectivos valores

para las resistencias y el condensador y considerando que R5 = 2MQ, se obtiene que el

voltaje pico es el mismo pero el tiempo de oscilación es mayor y equivale a 675ms.

En el estado de no-conducción el transistor Ql está apagado, pero el circuito de disparo

se complementa a través de R5, haciendo que el tiempo de oscilación sea mayor lo que

implica que el ángulo de disparo de los SCRs también sea mayor y en consecuencia el

voltaje de salida del RAV será menor disminuyendo la corriente de excitación.

Este circuito de disparo se complementa con un potenciómetro R27 — 100 kQ para

calibrar las desviaciones en los pulsos y mantener la estabilidad en el comparador. La

resistenciaR16 sirve de enlace para el circuito de control con el circuito de disparo.

El tren de pulsos que sale del transistor de unijuntura Q2 se conecta a las compuertas de

los SCRs através de dos resistencias R15 y R17 de 33 Q cada una.

108


El siguiente gráfico muestra las formas de onda de voltaje de salida del comparador con

respecto de las señales de entrada

Voltaje de entrada.

Vref

•'' ' <-:• • ' • *V-^" '• '•'•*•

Nota; 3 -"ángulo de disparo

Fig- 4.11 Formas de onda del comparador

El ángulo a corresponde al ángulo de disparo de los SCRs, al corresponde al nivel alto

de conducción del comparador y es el de menor valor, dando como resultado un ángulo

de conducción mayor de los SCRs.

El ángulo a2 corresponde al nivel bajo del comparador y es el de mayor valor

correspondiéndole un ángulo de conducción menor de los SCRs.

109


4.3.4 Diseño del circuito de potencia

El circuito de potencia es el encargado de generar la suficiente corriente para alimentar

las bobinas inductoras de la dínamo que realiza las íunciones de excitatriz del

generador.

El circuito de potencia está constituido por un conversor AC/DC monofásico

semicontrolado como el representado en la figura 4.12 donde se puede apreciar el

circuito propiamente dicho y los elementos complementarios del mismo.

Este circuito es semicontrolado ya que presenta un arreglo se dos SCRs y dos diodos;

estos elementos son de estado sólido y están en la capacidad de manejar una corriente

máxima de entre 7 alO amperios.

ADl2

Wf

Fig. 4.12 Conversor AC/DC semicontrolado y sue elementos complementarios

Este conversor consta de dos bobinas denominadas reactancias de conmutación, LI y 1

que sirven de protección contra sobrevoltajes de los SCRs. El diodo Dj5 es un diodo de

conmutación y tiene las mismas características de los diodos Dn y DI* Tanto los diodos

como los SCRs se escogen para que puedan manejar corrientes máximas del orden de

no


10 Amperios y voltajes de hasta 600 V en sentido inverso; las características de estos

elementos se pueden ver en el anexo # 6.

El circuito de potenciase complementa con una red snubber con £22 de 270 Q y CIQ de

0.47 j¿F a 400V. Los diodos Dg y D? sirven de protección para los SCRs limitando los

voltajes picos. ;¿ '

El voltaje de salida del conversor se determina de acuerdo con la siguiente expresión:

a) (4-22)7t

donde:

Vs = voltaje de alimentación, en este caso 120Vrmsa = ángulo de disparo

Por tanto el voltaje de salida será, para el nivel alto y bajo del comparador,

respectivamente.

Sea ai = 30° y 0,2 = 120° se tiene que:

=100.8^

=

De esto se desprende que la variación del voltaje de salida del RAV está entre los 27 V

a los 100 V, dependiendo de las variaciones de voltaje que se registren en la entrada del

comparador debido alas variaciones de carga que sienta el generador.

111

ESCÜELAPOIITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

Terminado el disefío, se puede ver el esquema de conexiones sobre la tarjeta del

regulador electrónico de voltaje y la lista de elementos en el anexo # 7.

4.4 Análisis de resultados de funcionamiento

A continuación se realizará un análisis del funcionamiento del grupo generador. Este

análisis estará enfocado a determinar ia respuesta del grupo generador bajo diferentes

condiciones de carga. El mismo se realizará considerando al equipo como un todo y

destacando sus principales componentes, a saber, el alternador, el motor y el sistema de

regulación de voltaje. Bato significa que el análisis se realizará desde cuatro puntos de

vista diferentes.

Cabe anotar que este análisis se realiza en función de los resultados obtenidos en las

diferentes pruebas de carga que se han hecho con el generador.

La principal prueba realizada es con una carga puramente resistiva, en la que se obtuvo

un factor de potencia igual a la unidad. Esta prueba consistió en construir una cuba

electrolítica, que no es más que un recipiente que contiene una solución de baja

concentración de agua y sal.

Para poder realizar esta prueba se procedió a construir tres electrodos de lámina de

cobre que tienen las siguientes dimensiones: largo 16.5 cm, ancho 10.3 cm y de espesor

4 n-im Los electrodos están firmemente sujetos a conductores # 10 por soldadura; son

capaces de transportar una corriente de 20 Amp.

112


Los conductores de los electrodos se conectan a las tres fases del generador a través de

un suiche tripolar. El generador presenta., para esta prueba, una conexión trifásica en

estrellasin neutro.

Para tomar las lecturas de carga en esta prueba, se procedió a introducir los tres

electrodos en la cuba vacía, lecturas que corresponden a carga cero o en vacío; luego.se

afíadió agua corriente y se tomaron nuevas, medidas, posteriormente se añadió sal u se

tomaron otras lecturas.

Las lecturas realizadas fueron de voltajes de fase, corrientes de línea, potencia activa,

potencia'aparente, frecuencia, factor de potencia. Adicíonalmente voltaje y corriente de

excitación, voltaje y corriente a la saudade la tarjeta reguladora

Estas lecturas se realizaron con el equipo NanoVip, el cual es capaz de entregar todas

estas lecturas simultáneamente.

Los resultados de estas mediciones se pueden ver en los cuadros No 1 y 2 del anexo # 8.

También se realizaron pruebas con cargas inductivas puras, motores trifásicos de

inducción, las mismas que consistieron en pruebas de arranque de los motores de

inducción y pruebas de funcionamiento de los motores en régimen permanente.

113

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE MGENIEKIAELECTEICA

a) Funcionamiento del grupo

Se deberá entender cono ''funcionamiento del grupo" el comportamiento del grupo

electrógeno ante pruebas de generación en vacío y con carga.

T -^fc' >r':Considerando que este grupo electrógeno, al inicio de este proceso, no se encontraba en

funcionamiento y presentaba varios dafíos: Luego de todo el proceso de actualización y

redisefío ahora este grupo electrógeno es capaz de producir potencia eléctrica con

voltaje de 2207 127 VAC.

Una vez que el grupo entró en funcionamiento, se procedió a realizar pruebas de

generación en vacío sin contar con un regulador de voltaje para determinar la respuesta

del generador, posteriormente se procedió a conectar una carga resistiva'y se realizaron

pruebas de carga Los resultados de. estas pruebas se pueden ver en el anexo # 8.

Luego de estas pruebas, el comportamiento del generador fue el esperado; es decir, en

vacío el generador se mantenía en un valor fijo de voltaje, aproximadamente 280 VAC.,

pero al incrementar la carga el voltaje disminuía progresivamente.

Cabe anotar que este valor de voltaje se obtuvo sin regulador de voltaje y conectando

directamente laexcitatriz a una batería de acumuladores de 12 VDC.

El método antes mencionado de generación a través de una batería es un método común

de prueba en los generadores.

114


Adicionalmente en estas condiciones se realizó la correspondiente prueba para obtener

la curva de magnetización del generador, la que se puede ver en el anexo # 5.

b) Funcionamiento del motor

El funcionamiento del motor también fue el esperado, ya que la respuesta del mismo

corresponde exactamente a la curva de rendimiento del motor, la que se puede ver en el

anexo # 3.

En instante de arranque del motor, éste es llevado a. la velocidad sincrónica por el

gobernor/ mientras el generador está en vacío. A medida que se coloca carga en el

generador, las variaciones de carga provocan que haya variaciones en el torque

eléctrico., él que se opone al torque mecánico desarrollado por el motor, provocando que

el motor disminuya su velocidad para un incremento de carga.

El motor responde aumentando la velocidad y por tanto aumentando la potencia

generada. En el caso de una disminución de carga ocurre exactamente lo contrario. Este

comportamiento se debe a que el regulador de velocidad que posee este motor

corresponde alas características descritas para los reguladores de velocidad del capítulo

dos.

Es importante destacar que cuando se realizaron pruebas a plena carga del generador, el

motor presentó una deficiencia, es decir, no fiíe capaz de responder a las exigencias del

generador y no se pudo llegar al valor de potencia establecido en el diseño, de 4 kW5

llegándose a un valor en potencia de aproximadamente de 3,5 kW máximos.

115

ESCUELA POLITÉCNICA KACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

La razón principal para egta deficiencia es que el motor no es nuevo y por este motivo

éste presenta desgaste interno de sus partes disminuyendo, de esta manera,, su

rendimiento.

Por la configuración del reductor de velocidad, el motor es capaz de mantener el torque

mecánico cuando el generador es sometido a variaciones de carga en pruebas -de

arranque de motores trifásicos de inducción, es decir, el motor es capaz de soportar los

picos de arranque de motores trifásicos de inducción de hasta 11 HP trabajando en

vacío.

El funcionamiento general del motor es bueno ya que no presenta excesivo

calentamiento de sus partes durante las pruebas de carga

c) Funcionamiento del alternador

En el alternador se realizó un redisefío de los embobinados del estator para que éste sea

capaz de entregar voltajes de 220 / 127 VAC; y luego de las pruebas se pudo comprobar

que estos valores se cumplían a la perfección.

El generador no presenta calentamiento en la estructura de hierro, lo que indica que no

existe saturación de la misma. Tampoco presenta calentamiento de los bobinados lo que

indica que los valores de corriente para los que fue diseñado son adecuados y están

dentro del rango preestablecido.

116


En Ja excitatriz no se realizo trabajo alguno de mejoramiento debido a que se

encontraba, desde el inicio, en buenas condiciones y luego de las pruebas de carga se

pudo ver que el comportamiento de la misma es adecuado.

Es evidente, luego de las pruebas de carga, que este alternador es capaz de generar, en

forma instantánea, más de los 4 kW si la capacidad del motor fuera mayor. ;>

d) Funcionamiento del RAV

Como se explicó en párrafos anteriores el RAV funciona adecuadamente dentro de sus

limites establecidos sin presentar sobrecalentamiento de sus partes constitutivas,

elementos de estado sólido, con una buena respuesta en el tiempo.

Es evidente que el RAV está sobredimencionado con respecto a las necesidades de

voltaje y corriente de la excitatriz,

f-

En las pruebas de carga, e-1 RAV soporta variaciones bruscas de carga, arranque de

motores, incrementos sostenidos de carga, sin presentar variaciones en el voltaje de

salida del generador y manteniendo este valor en 220 VAC.

Como respuesta de estabilidad del RAV se puede ver que, en vacío, el voltaje de salida

se mantiene constante.

Finalmente., la tarjeta presenta un encapsulamiento en un caja de acrílico transparente

para su montaje en el tablero de conexiones del generador. Adicionalmente está

117

ESCUELAPOHTECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

sumergida en barniz aislante para protección contra descargas, protección contra

humedad y contra polvo, con el objetivo de asegurar la vi da útil de la misma

En el anexo # 9 se puede ver el resultado final de este trabajo, es cual es, el generador

completo con todas sus partes constitutivas.

4.5 Análisis económico

Este análisis está enfocado a determinar el costo de fabricación del RAV y determinar el

costo de los materiales e insumos utilizados en la construcción de dicha tarjeta.

Concluido el diseflo del RAV, se puede determinar la lista de elementos necesarios y

poder determinar los costos de dichos materiales.

Según la lista de elementos que se presenta en el anexo # 7, los costos son los

siguientes:

• Construcción del transformador de referencia de voltaje , S/. 140.000• Construcción de las reactancias de conmutación. S/. 140.000• un circuito integrado LM 741 S/. 9.000• Transistor NFN2N2222 A S/. 2.500• Transistor UJT... S/. 86.000• 24 Resistencia de valores y potencias variadas a S/. 1500 c/u, S/. 36.000• 2 Resistencias de potencia S/. 6.000• 2 potenciómetros de precisión........ S/. 6.000• 11 Capacitores de diferentes valores S/. 66.000• 3 Diodos zener. S/. 10.500• 8 Diodos de 1 Amp... S/. 24.000• 3 Diodos de 6 Amp S/. 18.000• 2 SCRs de 10 Amp 600V S/. 116.000

Total.......... S/. 660.000

Equivalencia en dolares USD 26,40

118

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• Costo de la tarjeta y construcción del circuito impreso USD 100,00• Costo de insumos y accesorios como suelda, pomada, etc USD 10,00• Costo mano de obra (30%) USD 40,92• Barniz para recubrimiento. , USD 20,00• Cajadeacrílico USD 10,00COSTO TOTAL DE FABRICACIÓN DE LA TARJETA. USD 207,32

Este valor representa el costo real de construcción del RAV y sus accesorios.

Este costo es menor con respecto al costo de RAV existentes en el mercado

actualmente; ya que pueden encontrar RAV de diferentes precios, que van desde 300 a

1500 dólares, y de diferentes características.

Puesto que el funcionamiento de la tarjeta bajo los parámetros expuestos para su diseffo,

es en términos generales, aceptable y presenta un buen rendimiento, se puede decir que

la comercialización de este producto es viable.

En caso de daño de los sistemas de regulación de voltaje en grupos electrógenos, el

costo arriba mencionado del RAV justifica la inversión del reemplazo; ya que

comparado con las pérdidas que representaría a una industria el no contar con un

sistema de emergencia confíable, él mismo resulta insignificante, ante eventuales cortes

de energía.

La relación Beneficio - Costo por la inversión de este tipo de sistemas en grupos

electrógenos siempre vaha ser positiva ya que el bajo costo de este producto permitiría

que la inversión se recupere rápidamente.

119


4.6 Análisis de los resultados de las pruebas

De las curvas obtenidas del cuadro No 1 se puede observar que la frecuencia tiene una

tendencia a mantenerse constante con el incremento de carga mientras que el voltaje

disminuye.

El voltaje disminuye conforme se va aumentando la carga; esto es debido a que no se

cuenta con el EAV, ya que el voltaje generado depende directamente de la corriente de

excitación.

La curva de corriente obtenida del cuadro No 1 tiende ha disminuir conforme el voltaje

aumenta. Esto significa que conforme aumenta la carga y ésta requiere de mayor

corriente, el voltaje en terminales será menor, debido a la caída de voltaje en la

impedancia del generador y de la línea usada en conexión del generador con la carga

La curva de la potencia que se obtiene del cuadro No 1 evidencia el hecho de que al

aumentar la carga el voltaje disminuye debido a que no se puede realizar un adecuado

control de la corriente de campo y también porque el control de la frecuencia a través

del regulador de velocidad de la máquina, realiza un control indirecto sobre las

variaciones de voltaje., este comportamiento es debido a que en esta prueba de carga no

se disponía del regulador de voltaje.

Para el caso específico en que el voltaje es igual a 208 VAC, en el cuadro No 1? se

observa que aunque existe una disminución de carga, el voltaje también disminuye., y

esto es debido a que hubo una disminución de la corriente de excitación a causa de que

120


no se puede lograr un control adecuado de la corriente de excitación, ya que

originalmente se disponía de un reóstato de campo con el cual se podía controlar la

corriente del campo y mejorar laregulación de voltaje.

Para las curvas que se obtuvieron del cuadro No 2 se observa que ante la presencia del

regulador de voltaje, tanto, las curvas de la frecuencia, la corriente y la potencia oscilan

alrededor del rango de voltaje que se escoge para la regulación. El rango de voltaje está.

entre los valores de 220 VAC a 240 VAC.

Los valores de voltaje instantáneos varían entre 227 y 235 VAC, sin embargo, el valor

promedio de voltaje es 230.42 VAC; valor que se mantiene dentro del rango escogido

como de regulación (220 a 240 VAC), y este valor también coincide con el voltaje

promedio de regulación (230 VAC).

En el cuadro No 2 se observa que el voltaje en vacío es de 228 VAC y una carga nula

equivalente a 0.0 kW, la corriente de excitación es igual a 1.90 amperios. Para el caso

en que se presenta un valor de 227 VAC se observa que la corriente de excitación es

semejante a 2.20 amperios; debido a la respuesta del regulador de voltaje y al

consiguiente incremento de la corriente de excitación es posible que el voltaje llegue a

ese valor (227 VAC), tratando, el regulador de voltaje, mantener el voltaje en terminales

constante.

Adicionalmente., en el cuadro No 2, se observan las características de voltaje y corriente

del regulador de voltaje.

121

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Para las curvas de voltaje vs corriente obtenidas del cuadro No 2, tanto de la excitaíriz

como de la tarjeta reguladora de voltaje, se observa que la tendencia es de incremento

de la corriente conforme se incrementa el voltaje. En este cuadro se destacan valores de

corriente y voltaje máximos del inductor tales como: 21.80 V y 2.25 Amp. y valores

mínimos de 18.80 V y 1.90 Amp. Para la tarjeta reguladora, los valores máximos de

voltaje y corriente son 7.50 V y 0.55 Amp. respectivamente y los valores mínimos son

5.64 V y 0.40 Amp.

Conforme aumenta la carga en el generador, se puede observar en el cuadro No 2, que

tanto el voltaje como la corriente de excitación de la excitatriz y de la tarjeta reguladora

aumentan para, de esta manera, mantener el voltaje en terminales constante.

El incremento de carga revela que es necesario generar mayores valores de corrientes de

excitación para poder, en la realimentación, obtener un buen valor de voltaje AC y que

este valor se pueda regular.

En relación directa, a mayor corriente de excitación se requiere mayor voltaje DC para

compensar los aumentos de carga y obtener, de esta manera, una buena regulación de

voltaje, tal como se muestra en las curvas y los cuadros respectivos del anexo # 8.

La curva de potencia vs. Voltaje obtenida del cuadro No 2 muestra que, conforme

aumenta la carga, el voltaje en terminales tiende ha mantenerse dentro del rango de

regulación. Son valores máximos 1.72 kW y 235 V y valores mínimos son O kW (vacío)

y 227 V.

122


La curva de frecuencia que se obtiene del cuadro No 2 presenta una tendencia ha

disminuir mientras el voltaje oscila dentro de su rango de regulación a medida que la

carga se va incrementando. La causa de esta variación en la frecuencia es que la

respuesta del regulador de velocidad de la máquina motriz es menor con respecto a la

respuesta del regulador de velocidad, por lo tanto, también se requiere de una respuesta

rápida del regulador de velocidad de la máquina motriz.

La curva de corriente de carga que se obtiene de este mismo cuadro presenta una

tendencia a aumentar conforme aumenta la carga mientras el voltaje se mantiene dentro

del rango de regulación establecido.

123

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Capítulo 5

Conclusiones y Recomendaciones

5.1 Conclusiones

• Los principios teóricos y las leyes expuestas en el capítulo 1 de este trabajo se

aplicaron para el rediseño, tanto del rebobinado del estator del alternador como del

RAV, del grupo generador particular y son aquellos que se aplican para todo tipo de

máquinas eléctricas; para el presente caso se analizan estas leyes y principios para

que esta máquina eléctrica trabaje como generador de energía eléctrica

• Dentro de este análisis está implícito el estudio y la aplicación del principio de

conservación de energía en lo que respecta a la producción de energía eléctrica a

través de la conversión de energía me canica en eléctrica

• El funcionamiento de este grupo generador es similar> o presenta las mismas

características., que un sistema de generación de altapotencia en lo que respecta a su

comportamiento ante variaciones de carga, su respuesta en el tiempo y la estabilidad

que presenta el sistema. Es por esta razón que se le puede considerar a este

generador particular como un sistema de potencia de pequeña escala

• En lo que respecta a los resultados obtenidos en las diferentes pruebas con cargas

puramente resistivas, ver anexo # 8, estos corresponden a los esperados tanto

teórica como prácticamente.

124


• Se puede observar que es posible aplicar un proceso de mejoramiento y

modernización en sistemas antiguos; siempre que se respeten las leyes que rigen el

fenómeno físico y las características propias del sistema,

• El procedimiento aplicado en el desarrollo de este trabajo puede ser empleado en

cualquier tipo de grupo generador; siempre y cuando se observen las características

propias de cada grupo generador.

» El procedimiento de disefío empleado corresponde a lo que establecen los

fabricantes de los elementos empleados, a las técnicas de disefío presentadas en la

literatura convencional de electrónica.

• El sobredimencionamiento evidente en los valores calculados, en el disefío del

RAV., con respecto a los valores medidos (anexo # 8), es debido a que se pretende

mantener un nivel de confiabilidad alto en el funcionamiento del RAV.

• Varias de las suposiciones realizadas en el presente trabajo se determinaron de

manuales de operación y mantenimiento proporcionados por fabricantes de grupos

electrógenos.

• El generador es capaz de trabajar entregando un voltaje trifásico de 220 / 127 VAC,

una corriente aproximada de 10 Amp y una potencia aproximada de 3.0 kW a plena

carga, con carga resistiva; de acuerdo a los cuadros Nos 1 y 2 del anexo # 8.

• Luego de las pruebas de cargas realizadas, el RAV entrega5 VDC con una corriente,

de 0.4 Amp a las bobinas del inductor de la excitatriz, la cual entrega 17 VDC y 2

Amp al inductor del generador, como se- puede ver en el anexo # 8.

• La disposición de los componentes del grupo, el tablero de control, los aparatos de

medida pretenden ser lo más didácticos posible, según el anexo # 9.

• En lo que respecta al redisefío y repotenciacíón del alternador., el nuevo embobinado

satisface las condiciones límites propuestas en dicho disefío, es decir, sí genera un

125

ESCUELA POLITECNIC A NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIC A

voltaje de 220 VAC, las corrientes medidas en las pruebas de carga son: de 4 a 7

amperios a carga nominal y valores picos instantáneos de hasta 16 amperios;

considerando que la corriente nominal de diseño es de 10.5 Amp.

• Ante el redisefio del embobinado se esperaba que el comportamiento del alternador

cambiara, pero luego de las pruebas de funcionamiento en vacío y con carga se pudo

comprobar que el alternador respondía adecuadamente. No presenta saturación del

núcleo, no presenta calentamiento en rotor o estator., no hay pérdida de campo, no

hay desbalance en el nivel de voltaje generado por fases.

• El hecho de que se fabriquen Reguladores Automáticos de Voltaje en nuestro País

ocasionaría que los tiempos requeridos para importación, de equipos similares

importados, se reduzcan grandemente abaratando costos y disminuyendo pérdidas.

5.2 Recomendaciones

• Es importante que los Ingenieros Eléctricos tengan un conocimiento más profundo

del funcionamiento de la máquina motriz en lo que respecta a su estructura y

comportamiento mecánico.

• En lo que respecta al fiíncionamiento del generador en sí, para mejorar las

características de funcionamiento del grupo se debería cambiar el motor por uno de

mayor potencia y preferentemente a Diesel.

• Dado que los procesos tecnológicos involucrados en sistemas de generación se

desarrollan con gran velocidad sería importante que los nuevos profesionales estén

más relacionados con dichos procesos.

• El presente trabajo, por sus características, se desarrolla en la parte física del estudio

de sistemas de generación; resultaría interesante que se realice un estudio enfocado a

la modelación de grupos electrógenos.

126


• El proceso presentado en el presente trabajo, analizado y desarrollado

adecuadamente permitiría desarrollar nuevas industrias en el País abaratando los

costos de este tipo de equipos y sus accesorios y creando nuevos puestos de trabajo

con mano de obra calificada

• Es recomendable, que en general, todo sistema de generación, grupo electrógeno o

máquina especializada, sea manejada por personal calificado; para evitar dafíos

innecesarios y costos.

• En los procesos de actualización y mejoramiento, estos equipos deberán utilizar

mejores sistemas de control, basados en la electrónica, autoprotegidos y más

confiables; más sencillos y más eficientes.

• Los sistemas de control y protección de grupos electrógenos pueden convertirse de

mecánicos o electromecánicos a sistemas de control electrónicos y de estado sólido.

• La tendencia de estos proceso de automatismo y control será hacia el control digital

con microcomputadores que reciban toda la información del sistema (grupos

generador), analicen y procesen la información y realicen acciones de control y

protección. Es decir, llegar a sistemas inteligentes.

127

OODWAR

ELECTRICALLY POWEREDG O V E R N O R S

MODELS 4024, 1712, 1724, 512 AND 524,WITHOUT POSITION FEEDBACK

"i"C1 1

' '!'..

ir» tuto COK

mt.LirrO Oí

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l-^Mfe?'Jíg.

10L

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VVj*/ '"l

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o

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DROOP

HOt "^-

•"-o O-T-^'-O:;!"

^%'gj^X

1712/1724 A C T U A T O R

NOTE: WCHE3 SHOWN IN PARENTHESE3

C O N T R O L

MAGNETIC PICKUP

MOUNTING SCREWS512/24 1712/24 .250-20 (¡nch) thread.Mínimum mountíng screw engagementshould be .375 ¡nch (9.5 mm). Torquescrews to 80-100 Ib. in. (9-11 NM).4024 .375-18 (¡nch) thread. Mínimum "mounting screw engagement .500 Inch{13 mm). Torque screws to 80-100 Ib. In.(9-11 NM). 4 0 2 4 A C T U A T O R

5 1 2 / 5 2 4 A C T U A T O R

I N S T A L L A T I O N M A N U A LW O O D W A R D G O V E R N O R COMPANY 82329F

WARN1NG

thls entlre manual and sil other publlcatlons pertalnlng to the work to be performed before Installlng,itlng, or servlclng thls equlpment. Practice al! plant and safety Instructlons and precautlons. Fallurelow Instructlons can cause personal Injury and/or property damage.

inglne, turblne, or other type of prime mover should be equipped wlth an overspeed (overtemperature,erpressure, where appllcable) shutdown device(s), that opérales totally Independently of the primer control devlce(s) to protect agalnst runaway or damage to the englne, turbine, orother type of primer wllh possible personal Injury or loss of Ufe should the mechanical-hydraullc governor(s) or electrlcol(s), the acluator(s), fuel control(s), the drlvlng mechanlsm(s), the linkage(3), or the controlled;e(s) fall.

GENERAL INFORMATION

Woodward Electricaíly Powered Governor) system ¡ncludes three basic parts:

magnetic pickup (MPU) which senses engineDeed from an engíne-driven gear.

speed control which receives the speed signalom the MPU, compares it to a reference signal,id generales a control signal which ¡l sends loIB actuator.

n actuator which receives the signal from theDntrol and positions fts output shaft accordingi this signal. The output shaft ¡s linked to theel control.

i are two models of EPG controls:

sochronous speed control v/hich is availabk"¡tart-fuel limit, or dual dynamics, and

droop speed control which includes a load)r and provides droop control for generator

ent actuator sizes are available for differentoutput requirements. Models of all but the

5t output (4024) are available for either 12 or 24ystems.

ASSOCIATED PUBLiCATIONSManual Tille82313 Generator Load Sensor

Electric Governor Insíatlation GuideMagnetic Pickups for Electric Govemors4024 EPGIsochronous EPGEPG with Droop2500 Ramp Generator

250708251082042824938232782476ProductSpec.04106

8204382314Catalog25066

TilleModel 1712/24 and 512/24 ElectricaílyPowered Govemors4024 Eiectrícally Powered Governor8290-048 Load SensorTilleWoodward Controls for Engine GeneratorSets

EPG Models

Model

512

524

1712

1721

4024

Battery Voítage

10-16

20-32

10-16

20-32

18-32

Work Output

.5 ft.-lbs

.75 ft.lbs

1.2ft.-lbs.

1.7 ft.-bs.

4.0 ft.-lbs.

CAUTION

lectronic control contains parts that are statlc sensttíve. Discharge body statlc before handllng the control (Touch aded surface and mainiain contad v/hile handling.) Do not touch the printed-circuil board inside the control v/ilh your hands

conductivo devices. Avoid all plástic, vínyl, and plástic foam around the control (except antisíatic plaslics).

/nrd Govornof Company reserves the right to update any portion of this'publicalíon at any time. Information providod by Woodwardlor Company Is believod to bo corred and rollable. However, no responsibilíty Is assumed by Woodward Governor Company unlessíso cxpfossly undoilakon.

o Woodward Governor Company, 1992All Rlghts Reserved

anal, oílen on Üie same skid as üitf enynrj.' n \¿ Huí uu-gned for ínstallation on .the engine. Provide space forjjuslment, wiring access, and ventilation. Choose a localional protects tha control from being bumped and that the¡ring harness will reach. The inslallation should air circula-3n lo Ihe control box and nave an ambient temperalure oí -)• lo 167- F (-40- lo75- C).

cfuaíorstall the actuator solídly and install a linkage with the corree!ínílguration to províde an almost linear relalionship betv/eenlanga oí actuator posilion and, changa in engine powerjtput. In most cases use aboul 2/3 of Ihe actualor rolallonstween mínimum and máximum íuel. The engine fuel control5ualty provides the mínimum and máximum stops. Thelinlmum and máximum stops on Ihe actualor may be used,necessary. (See illustralíons of back pf Ihls publicalion.) líIB acluator Is controlling the speed-setting shaft of a me-hanlcal governor use the actuator slops to llmil the travel oíle ünkags. Sel the mínimum stop for 5% under rated speed[ no load, set Ihe máximum stop íor rated speed plus 3%lore than the droop of the governor. The acluator is de-ígned to operaled In ambient temperalures of -40- to 180-

(-40- to 82* C). Installation should avoid sources ofxcessive heat.

fagneí/c Pickup (MPU)istall the magnelic pickup on a rigíd bracket or housing sos tip ¡n near an engine-driven gear. This gear must be madef a íerrous material that reacts to a magnelic íield. Adjust trie|PU for 0.25 to 1.0 mm (.010 ío .040 inch) belween the gearnd Ihe MPU at the closest point,

v,

•/ecfrica/ Connectionsíonnect the syslem as shown in Ihe appropriate Plañí Wiringíiagram. See Ihe manual íor v/iring oí accessories. Gonnectríe speed control to system ground.

íh/e/dsJse tv/isled-pair, shielded wire where the Plañí Wiring Diagram¡hows. Each shield must be grounded only at Ihe endlearest Ihe control. Do not ground both ends of a shield. Tie3Ü shields to the same ground point. When passing a shieldhrough a terminal block, connect the shield to lis ownerminal. Do not ground the shield at the terminal block. Dolot solder to braided shields.

anylimeUoublüou^uiü, pul luí tilín1, i.,iiu,(ii.y ^r.buiiliir--order g'rven Disconnect all accessories. Leave IDLE/RATEDsw'rtch or jumper connected. On isochronous EPGs, jumperterminal 7 to terminal-8, and terminal 11 to terminal 12. OnEPGs wilh droop, leave termináis 9, 10, 11, and 12 discon-necled wilh CT and P-T wires property secured for saíety. OnEPGs with Dual Dynamics leave termináis 7 and 8 open loselect primary (fasl)'dynamics.

If the system does not respond as Indicated, find fault andcorrect.

1. Check Electrical conneclions:. Correct?• Tight?

2. Magnetic Pickup:• Correctly adjusled?• Tight?. Resistance of 50-350n?

3. Glose IDLE/RATED switch (or install jumper).

4. Turn governor power on: (Do not start engine or.turbíne.)

'» Fuse o.k.?• Actualor shan setlles in mínimum fuel posilion?

5. Battery Voltage:. 10 to 16 Vdc íor model 512, 1712?• 20 to 32 Vdc for model 524, 1724, 4024.

GAIN AND STABILITY

6. Sel the IDLE potentlometer (pol) (ií used) to mld-posillon.

7. Set Ihe RATED speed pol íully couníerclockwise (lominimum speed serting).

8. Sel GAIN and STABILITY pots to mid-posilipn,

9. Sel START FUEL LIMIT Clockwise (if applicabls).

10. Start the engine or turbine, followlng manuíacturer'sInstructions.

WARNING

Damage to the speed control will occur if Ihe barteryis dlsconnected while Ihe allernator or battery charg-ing device is energize'd and connected to the control.

TO PROTECT AGAINST POSSIBLE PERSONALINJURY, LOSS OF UFE, and/or PROPERTYDAMAGE WHEN STARTING the englné, tur-bina, or other type of prime mover, BE PRE-PARED TO MAKE AN EMERGENCY SHUT-DOWN to protect against runaway or over-speed should the mecnanlcal-hydraullc gover-nor(s), or electrlc conlrol(s), the actuator(s},fuel control(s), the drivlng mechanlam(s)T Ihellnkage(s), or the control devlces lall.

,ALLELED WITH INFINITE. BUS

Run Ihe generator sel unloaded al rated speed.

!. Adjust RATEO SPEED pot lo gíve a spsed of:

n < „/ <-> j %Dr0opxfíat&d Sp&ed %¡_os.dHatee $p&&d c- c x—100% 100%

3. Mark the postilan of the pot and relurn to rated speed.

4. Turn the DROOP pol fully clockwise (for máximumdroop).

5. Synchronize Ihe generalor lo, and parallel h wHh, thebus.

6. Return the RATED SPEED pot to the mark made inStep 3.

7. Turn the DROOP pol counterclockwlse (decreaslngdroop) unlil load Is 100% (or Ihe desired % of load).

PLANT WIRING DIAGRAM

(EPG wilh Droop)

PL,ANT WIRING DIAGRAM(Isochronous EPG)

FOR SYSTEMS WITH EXISTIMONCUTftAL

FOF1 SYSTEMS WITHOUTANEUTRAL

1. SHIELDÉD WIRES TO BE TW1STED PAIRS OR TWISTED 3CONDUCTOR, GROUNDED AT ONE END ONLY.

2. NO. 12 AWQ OR 14 AWG STRANDED WIRE, MUST BE ASSHORT AS POSSIBLE. TOTAL OF DlSTANCE FROM BAT-TERY TO CONTROL, ANO FROM CONTROL TO ACTUATORTO BE AS SHORT AS POSSIBLE. (SEE MAX LENGTH INCHART),

3. VOLTAGE SOURCE MUST BE 18 TO 30 V DC.

4. OPEN F.OR MÍNIMUM FUEL DO NOT USE EITHER THEMÍNIMUM FUEL OPTION, OR DISCONNECT THE ACTUATORLEAOS. OR DISCONNECT THE POWER TO THE CONTROLAS PART OF ANY EMERGENCY STOP SEQUENCE.

s. FOR posnrrvE GROUND SYSTEMS, swrrcn AND FUSE TOBE LOCATED IN SERIES WITH BATTERY (-) AND TERMINAL2. POS TERM'NAL BECOMES CHASSIS GROUND. LEAOSFROM BATTERY TO TERMINALS 1 AND 2 MUST BE DIRECTAND NOT PASS THROUGH D1STRIBUTION POINTS.

. G. APPROXIMATE SPEED CHANGE WíTH TRIM POTENT1OME-TER;

±2.5% USING A 1K OHM POTENTIOMETER.±5% USING A 2K OHM POTENTIOMETER.

ABOLTT ONE SECONO RAMP TIME PER 50 jiF. CAPACíTORSPECIFICATION: 200 ^F MÁXIMUM, 15 WVDC MÍNIMUM,LESS THAN 30 ;¿A DC LEAKAGE CURRENT OVER TEM-PERATURE RANGE.

IDLE RANGE ASOUT 25% TO 200% OF RATEO, USING 50 KPOTENT1OMETER. FOR FIXED IDLE CALCULATETHE VALUÉ

OF THE RESISTOR; k Ohm ,idfa

9. 512/24 AND 1712724 USE A 10 AMP FUSE. 4024 USES A 15AMP FUSE (3 AG OR GBB TYPE).

10. POLARITY NOT IMPORTANT.

11. WrTH A BALANCEO LOAD & UNITY POWER FACTOR THECURRENT TRANSFORMER SHOULD BE WIRED IN THECORRECT POTENT1AL LEG AND MUST BE PHASED AT THECONTROL SO THE POTENTIAL AT TERMINAL 9 TO t O IS INPHASE WfTH THE CT FROM TERMINAL 1 1 TO 12.

12. POWER SOURCE CURRENT TRANSFORMERS SHOULD BESIZED TO PRODUCE 5A SECONDARY CURRENT, WtTHMÁXIMUM GENERATOR CURRENT. CT BURDEN IS ESSEN-TIALLY O VA.

13. ABSOLUTE MÍNIMUM SIGNAL MUST BE 95 VRMS. A8SO-UJTE MÁXIMUM SIGNAL MUST BE 260 VRMS. POTENTIALTRANSFORMER BUROEN IS 20 Kn.

14. THIS CONTROL CONTAINS AN INTERNAL CURRENTTRANSFORMER. THIS TRANSFORMER MUST BE CON-NECTED ACROSS POWER SOURCE TRANSFORMERWHENEVER UNfT IS RUNNING TO PREVENT LETHAL HIGHVOLTAGE FROM DEVELOPING ON LEAOS TO THESETERMINALS.

1 5. SYSTEMS WITHOUT A NEUTRAL, VOLTAGE AT TERMINAL 9TO 10 IS 1.73 TIMES Ni/Ni TIMES THE LINE TO UNEVOLTAGE.

Máximum Wlrlng Length Chart

Syilem Vollngn

12 V[512 snd 1712)

24 V

(52* and 5724)

*o?<

Mnjilmufn Wir- Lonath

H AV.-Gpmm )

10 n,' (3mJ

33 n. (10.7 m)

n/«

i? AWO|4 mm7! •

?0 fL (0 m)

75 n [7? 0 H

7? 0 {S7 m)

VV-

CARBURETOR COMPENSATING'LINK~AGE

USED OH:OA3 OR CASQUNEENGINES WITHCARBURETOHS

eu -i—" *• r>V

Wíre Harnesfe Parí Numbers Charl

Hartm»Parí Humtxif

B824-S21

892+-S2O

. 1 — — — - , , _ —

Hoín*« Laftgttl*

UPU 10

fu .-.-

MPU 10

n.

Actu«lw

13 a.

Actu«lcy

23 R.

B-EUry13 fL

&«J1»fy

23 n..

If problems are encountered with the ¡nstallationor ooeration of this control, contact the WoodwardGovernor Company.

U3ED ON:D1E5ELS, GAS TURB1NESAHD fUEL INJECTEOEHOIMEB

CONTROLLING A MECHANICAL GOVERNOR

r-\O\D

SETTIHOSHAFT

THAVELLIMITED

BYACTUATOfl BTOP3

r ^BH^ iv^ ^ i v^Br r~^Hnrvi ^E^

fOODWÁRWOODWARD GOVERNOR COMPANY ENGINE CONTROLS

1000 East Ürakc Rd. • P.O. Box 1519 - Fon Collins. CO 80522.1519 • Chonc (303) 482-5811 • FAX (303) 49R-305H

INTKRNATÍONAL OPERATIONS, ENGINE CONTROLS ' 1000 [-asi Drake Rd. • P.O. Box 1519 - Fort Collins. CO 80522-1519i Phonc(3t)3) 482-5811 • FAX (303) 498-3050

INTERNATIONAL LOCATIONS: Kingxgrovc. Aus t ra l i a • !»hancfil-2-75R-2322 • PAX ííl-2-750-fi272Campiñas. Braill • l 'hnnc 55-192-42-4788 • FAX 55-192-42-2992 • I'lTcn. Czech Rcpuhl ic • Phonc 42-l9-22fi07íi • FAX 42-I9.3Í1754

Kending. England • Phonc 44-734-752727 • FAX 44-734-751599 • Vcnissicux, Frunce • Hliunc 33-7R-096947 • FAX 33-78-tXM676Wicshadcn, Germnny Í 'h(inc49-6l l-790Ufi • FAX 49-611-790155

Tomisalo. Japan - Phonc'81-476-93-4r)6l • FAX Sl-476-93-7939 • Knhc, Jepan • Phonc 81-7R-928-R321 • FAX 81-7R-92R-8322'Iloofddorp.The Nclhcr lands • l'hone 31-2503-13241 • FAX 3I-2503-3fi529 • Wnrsnw. Poland • Phonc 48-22-264156 • FAX 48-22-264156

Aslo/PacIficRcRional Omcc, Singnporc • Phonc 65-270-(X)81 • FAX 65-271-6250

Norlhcasl

T U R B O M A C H I N E R Y CONTROL • Lovcland. CO • Phonc (303) 663-39(X) • FAX (303) 962-7050US. REGIONAL OFFICES: Gulf fílales- Mmisinn.TX * Phonc (713) 666-2211 • FAX (713) 666-1333

Norristown. PA • Phonc (215) 278-1900 • FAX (215) 278-1907 • Soulheast • Birmingham, AL • Phonc (205) 987-8686 • FAX (205)987-1321

I I Y D R A U U C T U R I I I N K CONTROLS * Slcvcn-; Puini. Wl • Phonc (715) 344-2350 • FAX (715) .14-1 IXH3CORI 'ORATEHEADQUARTER.S/AIRCRAbTCONTROUS* Rockfort!, IL ' Phonc (R l5 ) 877-7441 • FAX (815) 877-ÍXX)! 93/3/F

MU PARI GENUINE PARTS FROMNEWAGE INTERNATIONAL

SECTION 5516NP7 - 034

ISSUE4(Mod Status A)

SX421 AUTOMATIC VOLTAGEREGULATOR (AVR)

SPECIFICATION, INSTALLATION AND ADJUSTMENTS

GENERAL DESCRIPTIONI

The SX421 is a three phase sensed Automatic VoltageRegulator (AVR) and forms part of the exciíation system íor abrushless generator.

In addiíion to regulating íhe generator voltage, the AVR circuitry¡ncludes a number of protective íeatures. Excitation power isderived directly írom the generator termináis.

Positive voltage build-up from residual levéis is ensured bythe use of efficient semiconductors in the power circuitry ofthe AVR.

The AVR is linked with the main stator and exciter field windingsio provide closed loop control of the output voltage with loadregulation in the order of +A0.5% RMS.

The AVR senses the output voltage from the main statorwindings and in response to this controls the power fed to trisexciter field and henee the main field to maíntain outpuí voltagewithin the specified limits, compensating for load, speed,temperaíure, and power factor of the generator.

Overvoltages caused by open circuit sensing termináis orshort circuit power device are avoided by overvoltage detectioncircuitry which provides circuit breaker trip signáis íor circuitisolation. (see note 1).

A frequency measuring circuit continually monitors thegenerator output and provides underspeed protection of theexcitation system by reducing the generator output voltageproportionally with speed below a presettable threshold. Afuríher enhancement of this feature is an adjustable V/Hz slope,to improve frequency recovery time on turbo-charged engines.

Provisión is made for the connection of a remote voltagetrimmer, allowing the user fine control of the generator outpuí.

Accessories are available for this AVR. Please referto factor/for further details.

TECHNICAL SPECIFICATION

SENSING INPUTVoltageFrequencyPhaseWire

OUTPUTVoltageCurrent

Field Resistance

REGULATION

THERMALDRIFT

170-250 V a c m a x50-60 Hz nominal33

max 90 V de at 207 V ac inputContinuous 4 A deTransient 6 A for 10 seconds15 H mínimum

(See Note 2) +/- 0.5% RMS

(afier 10 min)0.5% for 40°C change in AVR ambient

TYPICAL SYSTEM RESPONSEField current to 90% 80msMachine Volts to 97% 300ms

EXTERNAL VOLTAGE ADJUSTMENT+/- 6% with 1 K a trimmer

UNDER FREQUENCY PROTECTIONSet Point (See Note 3) 95% HzSlope 100-300% down ío 30 Hz

UNIT POWER DISSIPATION20 watts máximum

BUILDUP VOLTAGE3.5 V ac @ AVR termináis

ACCESSORY INPUT+/-1V = +/- 5% change in outputvolts @ 415 V

QUADRATURE DROOPMáximum sensitivity (10 a Burden)

0.22A for 5% droop @ Op.f.

OVER VOLTAGE PROTECTIONSet Point 300 V deTime Delay (fixed) 1 secondCircuit Breaker Trip Coil Voltage 12-30 V deC/B Trip Coil Resistance 25-40 H

ENVIRONMENTALVibration

Relative HumidiíyOperating TemperatureStorage Temperature

20-100 Hz 50mm/sec100Hz-2kHz 3.3g0-60°C 95%

-40°C to + 70°C-55°C + 80°C

NOTES1. A miniature circuit breaker must be fitted to use the

Overvolíage Protection feature.2. With 4% engine governing.3. Factory set, semi-sealed, jumper selectable.

DESIGN DETAILS

OVERVOLTAGE

DETECTORO

ACCESSORYINPUT

EXCITATIONCIRCUIT

BREAKER

GENERATOR ~;VOLTAGE O—SENSING —

REMOTEVOLTAGETRIMMER

CURREN!INPUf

O

main functions of the AVR are:

ising Resistors take a proportion oí the generator outputage and attenuate it. Thís ¡nput chain of resistors includesrange poteniiometer and hand trimmer which adjusts íheerator voltage.

idrature Droop Circuit converts íhe current ¡nput into aage which ¡s phase míxed with the sensing voltage. Theilt is a net increase in the ouíput from the sensing network:he power factor lags, causing the reduction in excitationded for reactive load sharing of paralleled generaíors.

immer allows control over the amount of droop signal.

S Converter is a square law precisión rectifier circuit thatverts íhe ac signáis from the sensing networks into aiposite de signal representing the mean squared valué ofwaveíorm.

set Control provides an interíace between the AVR andessories.

ver Supply components consist of zener diodes, droppersíors and smoothing to provide the required voltages foríntegrated circuits.

¡cisión Voltage Reference is a highly stable temperaturenpensated zener diode for comparison purposes.

ín Comparator/Ampiifier compares the sensing voltage toreference voltage and amplifies the difference (error) to

vide a controlling signal for the power device.

Stability Circuit provides adjustable negative ac feedback toensure good steady state and íransient performance of thecontrol system.

Power Control Driver controls the conduction period of theoutput device. Th¡s is achieved by pedestal and ramp controlfollowed by a level detector and driver stage.

Power Control Devices and Rectifier vary the amount ofexciter field current ¡n response to the error signáis producedby the main comparaíor.

Synchronising Circuit provides a shorí pulse at the zerocrossing of each cycle and is used to synchronise the UnderFrequency Roll Off (UFRO) and power control circuits to thegenerator cycle period.

UFRO circuit measures íhe period of each elecírical cycle andreduces the reference voltage linearly with speed below apresettable threshold. A light emítting diode (LED) givesindication of underspeed.

Engine Relief (load acceptance) circuit causes greater voltageroll off (makes the volts/Hz slope steeper) to aid engine speedrecovery afler application of a "block" load.

Overvoltage Monitor continuously monitors the voltage at thegeneraíor termináis and provides signáis to trip a circuit breakerto isolate power from the exciter and AVR ¡f sustainedovervoltages occur. A one second timer is included ¡n the circuitto prevent operation during transient overvoltages which arenormal after load removal.

A miniatura circuit breaker musí be fitted to use the OvervoltageProtection feature.

FITTING AND OPERATING

INDICATOR

SX421UF

{:n"r'J FREQUENCYi 1 Sy.hí SELECTION

RMS e

STABIUTYSELECTION

STABIUTY

TRIM

OVER/V

0 j E O El BO Bl

t _ J" UNDER 40kWt _ Y 40kW-90kW

t_J 90kW-550kW

O OVER55QKW

SUMMARY OF AVR CONTROLS

CONTROL

VOLTSSTABIUTYSTABIL1TY SELECTIONUFROFREQUENCY SELECTIONDROOPTRIMDIPOVEFWRMS

FUNCTION

TO AOJUST GENERATOR OUTPUT VOLTAGETO PREVENT VOLTAGE HUNTINGTO OPTiMISE TRANSIENT PERFORMANCETO SET UNDER FREOUENCY ROLL OFF KNEE POINTTO SELECT 'UFRO' CONTROL RANGETO SET GENERATOR DROOP TO 5% AT FULL LOAD 0 PFTO MATCH AVR INPUT TO ACCESSORY OUTPUTTO SET THE INTIAL FREQUENCY RELATED VOLTAGE DIPTO SET THE OVEHVOLTAGE PROTECTION CUT OFF LEVELSET AND SEALED AT FACTORY

D1RECT10N

CLOCKWISE INCREASES OUTPUT VOLTAGECLOCKWISE INCREASES STABIUTY OR DAMPING EFFECTLINK DEPENDING UPON KW OUTPUTCLOCKWISE REDUCES THE KNEE POINT FREQUENCYLINK DEPENDING ON OPERATING FREQUENCYCLOCKWISE INCREASES THE DHOOPCLOCKWISE ALLOWS THE ACCESSORY MORE CONTROL OVER AVRCLOCKWISE INCREASES THE VOLTAGE DIPCLOCKWISE INCREASES THE OVERVOLTAGE CUT OFF IEVEL

The AVR ¡s íully encapsulated to ensure long trouble-freeoperation. lí is usually fitted on a panel oí the terminal box. Itcan also be separately íitted ín a switchboard.

ADJUSTMENT OF AVR CONTROLS

VOLTAGE ADJUSTMENT

The generator output volíage is set at the faciory, but can bealíered by careful adjustment oí the volts control on the AVRboard, or by the externa! hand trimmer if ílüed. Termináis 1 & 2on the auxlliary terminal block inside the generaíor terminalbox will be fitted with a shorting link if no hand trimmer isrequired.

Warníng

Do not íncrease the voltage above therated generator voltage. If ¡n doubt,refer to the rating píate mounted on thegenerator case.

If a replacement AVR has been íitted or re-setting oí the VOLTSadjusíment is required, proceed as follows:-

1) Beíore running generator, turn VOLTS control fullyanti-clockwise.

2) Turn remote volts trimmer (¡f fitted) to midway posltion.

3) Turn STAB1LITY control to midway poslílon.

4) Connect a suitable voltmeter (0-300V ac) acrossline to neutral of the generator.

5) Start generator set, and run on no load at nominalfrequency e.g. 50-53Hz or 60-63Hz.

6) If the red Light Emitting Díode (LED) is illuminated,reíer to the Under Frequency Roll Ofí (UFRO)adjustment.

7) Carefully turn VOLTS control clockwise until ratedvoltage is reached.

8) If instability is present at rated voltage, refer to stabilityadjustment, then re-adjusí voltage if necessary.

9) Voltage adjustment ¡s now completed.

STABILITY SELECTION

The "jumper" selector lead should be correctly linked for theírame slze of the generator (See diagram above).

IILITY ADJUSTMENT

VR includes a stabüity or damping circuit to provide good{ state and transíent performance of the generaíor.arrecí settíng can be found by running the generator atid and slowly turning the stabüity control anti-clockwisele generator voltage starts to become unstable.ptimum or critically damped position ¡s slightly clockwiselis point (i.e. where the machine volts are stable but cióseunstable región).

IUENCYSELECTION

umper" selection lead should be correctly linked .for the¡al operaíing frequency of the generator (see diagram).

:R FREQUENCY ROLL OFF (UFRO) ADJUSTMENT

VR incorporates an underspeed protection circuit whícha volts/Hz characteristic when the generator speed fallsa presettable threshold known as the "knee" point.

ed Light Emitting piode (LED) gives ¡ndication that the) circuit is operating, and turning the UFRO controlvise lowers íhe frequency setting of the "knee" point and[uishes the LED.

ítimum setting, the LED should ¡Ilumínate as the frequencyjst below nominal, i.e. 47Hz on a 50Hz system or 57Hz30Hz system.

red LED is illuminated and no output voltage is present,ío Over Voltage protection adjustment.

iDJUSTMENT

DIP' adjustment allows some control over the generatorje dip upon the application of load.

:eature ¡s mostly used when the generator is coupled to-charged engines with limited block load acceptance, andites only when the speed is below the UFRO knee point.

ircuit works by increasing the volts/Hz slope to give greaterje roll off in proportion to speed.

the 'DIP' control fully anti-clockwise the generator voltageicteristics will follow the normal V/Hz line as the frequency3elow nominal.

ng the 'DIP1 control more clockwise provides greaterge dip allowing easier engine recovery.

OP ADJUSTMENT

¡rators intended for parallel operation are fitted with arature droop C.T. which provides a power factor correctionil for the AVR. The C.T. is connected to S1, S2 on the

DROOP adjustment ¡s normally preset in the works to giveoltage droop ai full load zero power factor.

íwise ¡ncreases íhe amount of C.T. signa! injected into^VR and ¡ncreases the droop with lagging power factor0).

ihe control fully aníi-clockwise there ¡s no droop.

I ADJUSTMENT

uxiliary ínput ¡s provided to connect to the Power Factor

controller. It is designed to accept de signáis up to +/- 5 volts.

The de signal on this input (A1.A2) adds to or subtracts fromthe AVR sensing circuit, depending on polarity.

The Trim control allows íhe user to adjust the sensitiviíy of íheAVR ío íhe PF controller output.

With Trim fully anti-clockwise the PF controller has no effect.Clockwise ít has máximum effect. Normal seíting is fullyclockwise.

OVER VOLTAGE (OVER V) ADJUSTMENT

A míniature circuií breaker is supplied for this feature. lí maybe fitíed in the generator or supplied loóse for fittíng in thecontrol panel.

The AVR includes over voltage protecíion cjrcuitry to removegeneraíor excitation ¡n the event of a short circuit power deviceor loss of sensing inpuí.

Sepárate termináis are provided for the over voltage circuitE1, EO which connect to the generator windings ¡ndependentlyof the AVR sensing termináis. (Typical El, EO voltage = 240Vac).

Provisión is made for the connection of the circuit breaker tobreak termináis Kl, K2, interrupting the power supply to theexciter field. The addition of this circuit breaker (and leads BOand Bl) causes'the AVR power supply to be interruptedautomatically ¡n the evení of an over voltage.

The OVER V adjustment is normally set and sealed at thefactory but can be reset on retrofit AVRs. Clockwise increasesthe tripping voltage.

Caution ! When the circuit breaker is suppliedloóse, the AVR is fitted with a link ontermináis K1-K2 to enable operation ofthe AVR. When connecííng the circuitbreaker this link must be removed. „

In íhe event of operaíion of íhe circuií breaker, indicated byloss of generator output voltage, manual resetting is required.When in the "tripped" state the circuit breaker switch levershows "OFF". To reset move the swiích lever ío the positionshowing "ON".

When fitted ¡n the generator, access to the breaker is gainedby removal of the AVR access cover.

Warning !

Termináis which are Uve with thegenerating set running are exposedwhen the AVR access cover is removed.Resetting of the circuit breaker must becarried out with the generating setstationary, and engine starting circuitsdisabled.

The circuit breaker is mounted on the AVR mounting bracketetther to the left or to the right of the AVR depending uponAVR position. Afíer resetting the circuit breaker replace theAVR access cover before restarting the generating set. Shouldreseííing of íhe circuit breaker not restore the generator tonormal operation, referto the Service section in íhe generatorIristruction Manual.

NEWAGE INTERNATIONAL LIMITEDRegistered Office and Address:

PO Box 17, Barnack Road, Stamíord, Uncolnshire PE9 2NB England.Telephone: 44 (0) 1780 484000 Fax: 44 (0) 1780 484100 Telex: 32268 Registered in England No. 441273

PRINTED IN ENGUAND

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En las fotografías 1 y 2 se pueden ver los componentes del generador que están

desmontados y en proceso de reparación.

En estas fotografías constan el motor de combustión interna, el rotor y el estator del

generador. Se puede apreciar en lafotografía# 2 el rotor de la excitatriz, que comparte

el eje con el inductor del alternador.

En la fotografía 3 se puede ver el estator del alternador en proceso de rebobinaje y en la

foto grafía 4 se observa el rotor y el estator desarmados.

En lafotografía 5 se observa el estator de la excitatriz con las bobinas inductoras y en la

número 6 el generador en proceso de montaje sobre el patín.

En las fotografías 7 y 8 se pueden ver los dos lados del estator completamente

rebobinados.

Fotografía 1

Fotografía 2

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Fotografía 5

Fotosraíía 6

Fotografía 7

Fotografía 8

Tanto el cuadro 1 como en el cuadro 2 representan las curvas de magnetización del

alternador y de la excitatriz respectivamente.

Como se mencionó en el texto., se hace una analogía entre las dos curvas para justificar

los parámetros escogidos para el diseño.

Se puede ver -fácilmente que para producir un voltaje de entre 219 a 240 YAC se

requieren de 2.0 a 2.5 amperios de excitación, que genera la Dínamo; y ésta, a su vez,

requiere de 0.39 a 0.505 amperios que se alimenten a las bobinas inductores de la

excitatriz.

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Voltaje enTerminales

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Corriente de campo

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Lo Noise, UHF/VHF Amp,RFÁmp, HFIFAmp(GpE-15dBtyp|

RF/IF Vídeo Amp, Ose

Gen Purp Amp, Hi Gain,Sw, tf=.06fís (typ)

Gen Purp

Gen Purp-Dartington

TV UHF/VHF Amp

TV UHF/VHF Amp

Hi Gain, Hi CurrentGen Purp

TV IF Amp, AGC Controiled(tncludes Metal Shield)

Gen Purp-Darlington

VhJFOsc, IF Amp

¡G n .Purp, Hi Gain Amp*'''«*-"••jGwv*£QrprHi Gain Amp "

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Gen Purp Amp, Sw

Gen Purp

Darlington Driver, Sw,toff = 1.5 fís (typ)

Gen Purp, Pwr Amp

Gen Purp-Dariington

Hi Speed Sw, Amp,tf = .4 ffi (typ)

HV Gen Purp

Geri Purp-Darlingtori

Gen Purp, Hi Gain Amp

Very Hi Speed Sw, Amp,tf = 30 ns (max)

Very Hi Speed Sw, CoreDriver, tf = 20 ns (typ)

Gen Purp Amp, Sw

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HV Amp, Vídeo Output

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20 min

800 min

45 typ

50.000 typ

70 typ

70 typ

200 min

35 typ

7,000 min

30 min

500 min

4QO-typ~

400 typ-

120 min

200 typ

2,000 min

100 min

10,000 mío

100 typ

40 min

7,000 min

400

40 min

60 min

80 min

100 min

40 min

30 min

FroqIn

ft

5GHz

120

2GHz

ÍOO min

270

300

175

300 min

800 min

150

300 mín

60 .

600

140

80-min —

90 min •-

200 min

300/200

—

120

200

100

50

60

90

175

300

50

100/150

50

30 min

PackaQe '•'"''

Ca*e/Baslng _

TO-92»T16 . •

:-$Sfl

•|S• TO-98/

: i--.-- ;W-1

\"

t*íV¿

isssin • • • • • • • • •1?23 , »:•*#.«&$.

'siw&

»*wl'

w&mHSsÁp'íí1159: -' "

172A

194

199

229

232

233

234

287 •

288

289A

290A —

31 9P

2341

2342

2503

V>

mE.-,F

B*

a*B'-f

m&;É'ÍE

E

E

B

£íp

;E•JE

E

"É~

^*•B-

"F

E

?'

«B&r

e,;',tH-t

ÍSB-í1

'B"

B

C

B

C

E

B

R

C

B

B

C"

C-

;'Ercc

3'

B"' '

ñ

C

C¿ ;C/'C-

Bíií

$¿ ¥

t';

C

B

C

8

C

C

C

B

•cC

T "

B- -

CB

B

B

\\^M^^9^M'jx&sfái.f.ts-foi&wifá'y*

* TO-32Alt. Case - Rg

TO-237 Fig.'

C. T16

ffiSmiF17

24

25

129P

217

227

255

E C

E C

E B

E 8

b H

E B

B

B

C

C

C

C

If-

;\

Tft

Package Outünes -See Page 1-91

ECG Typ«

CG90 ,

CG91

CG92

CG93

,CG94

ÍCG9DISCÍCG96

•CG97

ICG98

:CGM

•CG100

•CG101

ECG102 — •"

=CG120A

ECG103

ECG103A

ECG104MP-

ECG105

ECG 106

ECG107 .

ECG10B

ECG121ECG121MP*

ECG123

ECG123A

ECG123AP

ECG 124

'*""" j í.;yi."í-'r 1 .-<•' a1* . ' .' •'_ , m\n andi i '.. AppHcation * E

NPN-Si, Hi Gain, Gen Purp- ;Amp (Compl to ECG91}

PNP-Si, Hi Gain, Gen Purp . 'Amp (Compl to ECG90)

NPN-Si, Audio Pwr Amp, HiSpeed Sw (Compl to ECG93)

PNP-Si, Audio Pwr Amp, HiSpeed Sw (Compl tb ECG92}Matched Compl Pair-Containsone each ECG92 (NPN) andECG93 (PNP)

NPN-Si, Gen Purp Pwr DCRegulator

1fttílt$íí{?BSwiSOratfea otufl

NPN-Si, Médium Pwr Amp,Sw, isolated Stud

NPN-Si, HV Dariington PwrAmp, Fast Sw, tf « .5 usec

NPN-Si, HV Darlington PwrAmp, Fast Sw, tf- .6 usec • •

,NPN:Si,,HV.párlingtpn Pwr., ,Arn^Fást S>wj jt*' :u>iecV;Vt :

Rfsl PjGk íffiffl í&AVhpAÓ sc¿-;:, '$¿'.'¡''¡1

' .lw^HfeéSlá«liIS fÜ^ I!PNP-GE, AF Driver, PreampPwr Output (Compl to ECG103A)

NPN-Ge, AF Driver, PreampPwr Output ÍCompl to ECG102)

NPN-Ge, AF Driver, PreampPwr Output (Comprto ECG102A)

PNP-Ge, AF Pwr Output


PNP-Si, RF/IF Amp, Ose,Mix

NPN-Si, UHF/VHF Amp, Ose,Mix, ÍF Amp *

NPN-SÍ, RF/lF/VIdeo Amp,Ose Mix, VHF/UHF


NPN-Si, AF Preamp, DriverVideo Amp, Sync Sep

NPN-Si, AF/RF Amp, Sw

NPN-SÍ, AF/RF Amp, Driver(CornpltoECG159)

NPN-Si, HV Audío Pwr Output

• CoMector ...To Baw ,

"("" voto ';" ;•'.,"• BVCBO

120 ;

120

200

200

300

250

100

500

700 •

600 ' ;4

25V i

Íwfe¿ —

""1j||

32 . •'?"

30

32

50

50

35

30

30

65

60

75

75

300

. CollectorTo Emitter

".' Volts'

120

120 .

\0

200

300

250

100

400

500

400

20 (CER) '"

20 tCER) .

•16(CER) --i

32 (CES)

16 (CER)

32 (CES)

35 (CER)

35 (CER)

15

15

15

45 [CER)

30

40

40

300

Base toEmitterVolts'

5

5

6

6

5

6

6

8 .

8

8 ,

20

20

20—

12

20

10

20

20

1

5

2

15

5

6

6

5

. . Max. ..CollectorCurrent'te Amps

50 mÁ

50 mA

15

15

5

3

7

10

20

50

.3

•3

3'

.5

.250

.5 .

7

15

75 mA

50 mA

50 mA

7.0

•8

.8

.6

.150

' . Max.. 'Devico

Díss. PD

Watts

.75 • - ' • ' '(TA = 25'C)

.75(TA - 25'C)

150

150

100

70

60

150

175

250

.150(TA - 25°C)

.150

150- . - -(TA - 25'C)

.900(TA = 25°C)

.150

.340(TA - 25°C)

90

100

.250(TA = 25°C)

.250(TA = 25°C)

.600(TA - 25°C)

30

.800(TA = 25"C)

.500(TA - 25DC)

.500(TA = 25°C)

20

Freq. 'in

.MHz ;

350

150

20

20

2.5 mín

40

30 min

—

—

—

Stt

"I ... ..

2--

23

2#-

2.5

10kHz#

10 kHz #

500

800 min

800 mín

22 kHz #

250

300

300

30

. .......

Gain

400 min

400 min

''Ül1 2.0 typ _

.ÜÜISHf60 rhinVí,

40 min

40 min

25 min

40 typ at455 kHz

40 typ at

90 typ ..

120 typ

90 typ at

105 typ

90 typ

9$iK2pí|nivrí'. .-

'•".-;<•'.* ' ' • '«;

20 min

80 typ

150 typ

200 typ

200 typ

100 typ

Package .: ^-i-

Casa

TO-92M

TO-92M

^É

TB:3,5,.

4iáS1IÉ

[Isbiated!

TO-3

TO-3

TO-3

TO-5

TO-5

TO-5

TO-1

TO-5

TO-1

TO-3'„ ,.. .5'- ; '"'

T&3ÍV*

8fcP392^:TO-92

TO-3

TO-39

TO-1 8

TO-92

TO-66

Fig.No,

T18\

T18

Üí

T44-1

¿j!Í ;' .'>

f//,«)«,' „'.,

Mf^í

7^-T28

T28

T28

T5

T5

T5

TT

T5

T1

T28

^t'

|IÉ>

W*TI 6'

T28

T6.

T2

T16

T25

Notes: • MP- Matched paír •# Fraquency at which common emitter current is 70.0% of low frequency gain •• When altérnate packages are shown hin dicates a change ín progrese. AEthough only one package

obsoleto package may be encountered in the field.

Package Outlines - See Page 1-91, • •

¡s avatlable, both packages wil! be shown as long as tha

1-42

ar IC and Module Circuits (cont'd)8-P¡n Can See Fig. L3

Jt Op Amp

INV INPUT

ETNULL f\*

NC O

vccí

M

r«>ECG937 1

. J

OUTPUT '

. 8-Pin

NON-INVINPUT

9 VEE

OFFSET NULL

DIP'SeeFig. L97"Op Amp

COMP Q

-INPUT E

{•INPUT.E

V- B

.. •.•-

MSM

1 \S

ECG938M

8-Pin

i

3 COMP'Z

Q V4-

3 OUTPUT

a NC

DIP-SeeFig. L978-Pin SOIC See Fig. L159

Tpensated Op Amp

>ETNULL|

yVERT IN E

«VERT IN i

V— (

MSMoparator

TPUTA Q

NPUTA E

NPUT A E

ROUND B

1

ÉCG941M. ECG941SM

8-Pin

a NCQ v +

a OUTPUT

a OFFSET NULL

DtP See Fig. L988-Pin SOIC See Fig. LÍ59

w

'

ECG943MECG943SM

3 v-f

J OUTPUT B

3 INV INPUT B

3 NON-INV INPUT B

.ECG937M 8-Pin-DlP See Fig. L98JFET Input Op Amp

OFFSET NULL D

INV INPUT E

NON-INV INPUT.E

J bwcQ vcc

3 OUTPUT

VEE E ECG33?M 10 OFFSET NULL

ECG941 g -Pin Can See Fig. L3Freq-Compensated Op Amp

INVERTING .INPUT

• OFFSET ^fb—^NULL Cf \C I Q ECG941

v+**-Ó^•rOUTPUT

1

NON-IÑVERTÍNG

O-v-

°wm f"

,- '

Pin 4 Connected to Case

ECG941S 7-Pin SIP See F¡g. L24Freq-Compensated Op Amp

OFFSET NULL B

INVERTIN E

NON-INVERTIN E

v- BOFFSET NULL E

OUTPUT £

v+ E

ECG944 8

. •

ECGW1S

-Pin Can See Fig. 13Programmable Op Amp

INVERTINGINP

OFFSET ' -NULL fíf

r-TQUIESCENT |5| •

GURRENTSETl V EUb

J^

UTk_ NON-INVERTINGr"N«k INPUT

. J0 OFFSETK^ NULL

OUTPUT

ECG938 8-Pin Can See Fig. L3Precisión Op Amp

- ,INPUTS

CO"MP1^--Q^>

COMP2 O ECG938

^» ,v+^-VV-^

OUTPUT

a +

O v-j

Pin 4 Connected to Case

ECG941D 14-Pin DIP See Fig. L04Freq-Compensated Op Amp

NC E

NC E :-OFFSET NULL E

INVERTING IN C

NON-INVERTIN E . '• / •

i. V)v -ENC E

,

ECG943 8-PinDual Comparator

INVEHTING

OUTPUT A ftf^***t*- 1

" ^A 'ri jh.

Q NC

E3 NC

B NC

flv +

[3 OUTPUT

3 OFFSET NULL '

3 NC

•

Can See Fig. L3

NPUTA

v+ O ECGM3 OGROUND

OUTPUT B /V- ^ NON-INVERTING'' INPUT B

INVERTINGINPUT B

ECG944M 8-Pin DIP See Fig. L98 'Programmable Op Amp

OFFSET NULL Q

INVERTING INPUT E

NON-INV INPUT E

_ ECG944M

•

3 QUIES CURR SET

Q v +

3 OUTPUT

3 OFFSET NULL

lutlihes - See Page 1-285

1-199

ipecial Purpose Devicesilicon Unijunction Transistors (UJT)

ECGType

;G6400B

;G64m

CG6409

CG6410

IEmA

50

50

50

50,

1

Mln Max

0.54-0.67

0.56 - 0.75

0.68 - 0.82

0,70 - 0.85

RBéO iKohm*}

W,

4

«

#

i«

Max

12

9.1

9.1

9.1

Inter-BaseVolts

55

35

35

35

PDmW

450

300

300

300

, .

IEOft Amps

1 Max

0.05 Typ

0.01 Typ

.005 TYP

IV IMinlmA

8

4

8

. \

Packago/Outlíne

No.

TO-39Fig. SI

TO-18Fig. S2

TO-18.Fig. S2

TO-92Fig. S3

:íg. Si TO-39

J70T9.40)MAX.

MAX.

t.250(6.35)

Fig. S2

' • 1 .100" Jr 12.341-1

Fig. S3

. .205"MS.2D-

MAX.

I.210"

.5OO(12.7)MW,

UUIJL O D O

. .135—H(1.43)K-

MIN.

.165"(4.19)MAX,

TO-92

Programmable UnijunctionFransistor (PUT)

ECGType

ECG6402

ForwnrdAnoda Current

IT mA

150(2 A Pk)

G&uCurr»njIG n\/\ ±21]

BVQKFVolts

40

BVQKRVota

-5

VAKRVolts

±40

PDmW

300

Package/Outlíne

No.

Fig. S4

.205"15.2 lf-MAX.

.265"(6.711M&X.

Fig.S4

( l O O O 1).I35"[3.94)U A. 6 .*//.. MAX^

Alt. Rg. S3

Silicon Bilateral Switch (SBS)ECGTypa

ECG6403

IFM RepAmp»

1.0

IpMdxmA

175

VsVotts

6 Min10 Max

IS MaxMA

500

IHmA

1.5

PDmW

300

Package/Outlína

No.

Fig. S5

l ' .200" J^~ 15.081""1

U u

~H ,

.265"16.711MAX.

Fig. S5

I o o o J .14013.56)

,500'(I2,70|MIN.

Alt. Fig. S3

Silicon Unilateral Switch (SUS). . .

ECGType

ECG6404

IFM R«PAmps

1.0

iFMaxmA

175

vsVolts

6 Min10 Max

IS Max• MA

500

IHmA

1.5

PDmW

300

Package/Outlíne

No.

Fig. S6U U

^

.265"I6.71)MAX. -

Fig. S6

' O O O 1).I40'(3.56)V \ G C J J MAX.

.SO01I2.70) -MIN.

Alt. Fig. S3

102.

Industrial Rectifiers Note: Standard polarity ¡s cathode to case.* Indicates polarity ¡s anode to case.

P*ak ReversaVoltage

(PRV Volts)

50

50

100

200

200

'400

400

600

600

800

800

1000

1000

1200 .

1200

IFM Surge

Te át Rated •lo (*C) Max -VpatRated I0

Fig. No.

Package

IQ, Average Rectífied Forward Current (Amps) ,

3 A

ECG5800

ECG5801'

ECG58Ó2

ECG5804

ECG5806

ECG5808

ECG5809 .

150 A

+ 105(70

,9 V Typ1.0 VMax

Z18A

Axial n

ECG583Ó

ECG5831*

ECG5834

ECG5835*

ECG5838

ECG5839*

ECG5842

ECG5843*

ECG5846

ECG5847*

ECG5848

ECG5849*

40 A

+ 150

.9 V Typ1-.1 V Max

6 A

ECG5850

ECG5851*

ECG5854

ECG5855*

ECG5858

ECG5859*

ECG5862

ECG5863*

ECG5866

ECG5867*

ECG5868

ECG5869*

150 A

+ 150

.9VTyp1.1 VMax

Z19

DO-4

• ' . @

f ,-

• -

6 A/22 A

ECG5812

ECG5814

ECG5815

•"

ECG5817

400 A

See # Note

.SVTyp

.9 V Max

226

Axial [|

Att. t UPácfcÍBge'n 'F¡gvz7r[J;

12 A

ECG5870

ECG5871* '

ECG5874

ECG5875*

.ECG5878

ECG5879*

ECG5882

ECG5883*

ECG5886 .

ECG5887*

ECG5890

'ECG5891*

ECG5810

ECG5811*

250 A

+ 150

.9VTyp1.1 VMax

219

DO-4

'<$'"' > .

.,Tt-

ECG6013

300 A

+ 80

l.OVTyp1.6 VMax

241 B

TO-220

<í>

, II :

15 A

ECG5940

ECG5941*

ECG5844

ECG59"45*

ECG5948

ECG5949*

ECG5952

ECG5953*

250 A

+ 150

.9VTyp1.1 VMax

220

DO-5

VI I I...-. ==>

,. =.• ' •

16 A

ECG5892

ECG5893*

ECG5896

ECG5897*

ECG5900

ECG5901*

ECG5904

ECG5905*

ECG5908

ECG5909*

ECG5910

ECG5911*

300 A

+ 150

.9VTyp1.1 VMax

20A

ECG5912

ECG5913*

ECG5916

ECG59O*

ECG5920

ECG5921*

ECG5924

ECG5925*

ECG5928

ECG5929*

ECG5932

ECG5933*

ECG5844

ECG5845*

400A

+ 150

.9 V Typ1.1 Max

25A

ECG5864

ECG5865*

ECG5884

ECG5885*

ECG5888

ECG5889*

400 A

+150

9VTyp1.1 Max

219

DO-4.(ó.2?HE]. •

• -

.# lo » 6 A with PC Board Mtg., TA = 60'C, lo = 22 A, 1/B" Leads, Tj_» 60'C

P.eak ReverseVoltage

(PRVVotts) .-.

,400 ..;400

800

800

IFM Surge

Te at Ratedlo Í'CÍ Max

Vp-át.Rated I0

Fíg. No.

Package

1¿, Aver»g« ftoctffMd ForwardCurrcnt (Amp») -

26 A'

ECG5962

ECG5963*

ECG5966*

ECG5967*

300A

+ 100

.9VTyp1.1 VMax

• 227 '

Press Fít

1

1-118

ise Control - SCR (cont'd)lT Max Forward Cürrent (Amps) *

'T RMS - AH Conduction Anglas ' lT Ave - Conductlon Angle - 180°

RMS

Av.

(mA)

c ( V )

VIn (mA)

')

/)

ax(V)

V}

3°c(ÍPÍ

10 A

6.2 A

ECG5461

ECG5462

ECG5463

ECG5465

ECG5466

ECG5468

15

1.5

100

20

10

5.0

1.8"

0.5

ECG5491

ECG5492

ECG5494

ECG5496

• , •

15

2.0

200

20.

10 '

10

2.5 "

0.5 .

-40 to +100

100

Z41

TO-220

pY

i

30.'t ,

Z49 , " .

TO-48

ECG5440

15 -

1.5

100 .

20

5 ,

5

1.8

0.5

-40 to+ 110

50

Z41D

TO-220J

fo".;

1

12.5 A

8 A

ECG314

40

2.0

200

50

10

5.0

1.8

0.5 ',

-40 to+ 100-

100

Z43

TO-3 ,

= 1

16 A

10 A

ECG5501

ECG5502

ECG5504

ECG5507

ECG5509

25

2.5

125

25l

10

5.0

2.5

0.5

-65to--+-iss

30

Z49

T0^48

20 A

13 A

ECG5514

ECG5515

ECG5516

15

2.0

200

20 .

10 ..

5.0

2.4". : '

0.5 " f . '

-40 to-+ ioov;

so • ...

Z 4 6 _ ,

1/2" -Press Ftt

25 A

16 AECG5521

ECG5522

EGG5524

ECG55Z7

ECG5529

ECG5531

40

2.0

Í50

50

10

5.0

2.0

0,5

-65 to+ 125

30 ( •. .

Z49

TO-48i _ •

ECG5550

ECG5552

ECG5554

ECG5556

ECG5558

40

1.5

300

40 .

10

10

1.8

0.5

ECG5460

40

1.5

300

40

.10

10

1.8

0.5

-40 to +125

50 '

Z41

TO-220

7W\

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1-125

En este anexo se encuentran el esquema de conexiones de la tarjeta reguladora de

voltaje y la lista de los elementos que se utilizan en construcción de la misma

La explicación del funcionamiento de esquema representado se da en el capítulo 4, en el

literal 4.2.3.

El listado de elementos se da como complemento a la infirmación que presenta el

esquema de conexiones.

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A, P

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OL

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Lista de elementos usados en la construcción de la tarjeta reguladora de voltaje

ilementoIC1Q1Q2R1R2R3R4R5R6R7R8R9

R10R11R12R13R14R15R16R17R18R19R20R21R22R23R24R25R26R27R28

DescripciónCircuito Integrado LM 741Transistor NPN 2N2222ATransistor de Unijuntura UJT 2N4871Resistencia 33k Q 1/2WResistencia 220k Q 1AWResistencia 330k Q 14WResistencia 3k Q y.wResistencia 2.0M O V£WResistencia 1 ,2k Q y»WResistencia 270k Q 14WResistencia 100k Q Y*\NResistencia 1,OM QResistencia 100k QResis, Potencia 4,0k QResis. Potencia 4,0k O

Y¿N1/4W

5W5W

Resistencia 11,0k Q VANResistencia 100 Q y2vvResistencia 33 Q 14WResistencia 18k QResistencia 33 Q

1Wy2w

Resistencia 28k Q !4WResistencia 3,0k Q y*WResistencia 1,5k Q y.wResistencia 2,7k Q V4WResistencia 270 QResistencia 10 Q

2Wy2w

Resistencia 46,4k Q Y*\NResistencia 42,2k Q y.wPotenciómetro 5,0k QPotenciómetro 100k QResistencia 47 Q VAN

ElementoC1C2C3C4C5C6C7CSC9C10C11

DescripciónCapacitor Electrolítico 100MFD 10V

CapacitorCapacitorCapacitorCapacitorCapacitorCapacitorCapacitorCapacitorCapacitorCapacitor

O^tvFD0.22MFD0,1 MFD0,1 MFD

0,47 MFD0,22 MFD1 ,0 MFD

0,39 MFD0,47 MFD0,1 MFD

250 VAC250 VAC250 VAC250 VAC250 VAC250 VAC250 VAC250 VAC

400 V250 VAC

ElementoDz1Dz2D3D4D5D8D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16

DescripciónDiodo Zener 5,6 VDiodo Zener 20 VDiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 1 A

400 V400 V

Diodo Zener 18 VDiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 1 ADiodo Rectificador 6 ASCR 10 ADiodo Rectificador 6 ADiodo Rectificador 6 ASCR 10 A

400 V400 V400 V400 V400 V400 V600 V600 V600 V600 V600 V

Np i j

Pruj£¿ias-d£Cafaa.siji.Regiiiarior de Voltaje

V

219-247-214-20^203

tD9<

J

1.384.357.777;4i"7.33

• 18^

KW .,0.524

•-6.50412.89

"2:62*2.73

._^-rt-»j¿.Vf

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0.525•0;SQ3

2.692:St0 -7C£.. f J

••-«%'-^Ho. r

HZ

61-60

59.9•ss;359,8

•-frrv aiU3.t

Notas:1) Las pruebas se realizaron con carga puramente resistiva.2) La corriente de excitación es de 2 Amp.3) La corriente de alimentación a !as bobinas de campo de !a excitaíris es de 0,38 Amp.

.martirios on £i £p£jcaii£u

Voltaje de entrada a sensing de la tarjeta: 123 VACVoltaje de entrada a! circuito de potencia de !a tarjeta: 123 VACVoltaje de salida de F+ a F- de la tarjeta: 4,6 VDCCorriente de salida de la tarjeta: 0,38 AmpComente de campo de la excitatriz: 1,9 AmpVoltaje de excitación: 19 VDCNota: Estos, valores son tomados con e! generador trabajando en vacío.

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A AA-Uf ,

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S" 4JT !. "-TXÍ..

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Voltaje

Cuarteo

V228229230227234235230

. J .0.00

•3=80 •1.23•2:74-2.914.T3-1

4.32

JtW .0.00•0.32 -0.46•1:04"1.13

' -T«'-r**% -i.bo

1.72

JkVA..0,00

-0,33 -0.47

-tu-jeo*1.20T89-"*1.78

COS0.0.00

- --0.-97 -0.96-0:96-0.96

"D.-gr^0.97

Hz60.10&9-:90 -59.80

-56-.70"--60.60

"sorra "-59.50

.yjnciuctor.18.8019.-38- -2Q.2Q

••20:te --21.00

"2f:so '^21.10

JJjaductot1.90 1

--2-.-00 J2.20•2.20 -2.20

"7^5 '2.15

V Tarjeta5.64•S.-86 -6.45

•-6:12 -6.63

~7;BO "6.70

J Tarjeta .0.40

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x 60.00 -

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226 -2-28 -230 232

voltaje

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En las fotografías 1 y 2 se puede observar al grupo generador en funcionamiento, aquí

se realizan pruebas de generación en vacío y con carga sin regulador de voltaje, se

cuenta con los aparatos de medida para tomar las respectivas lecturas.

En las fotografías 3 y 4 se pueden ver los electrodos que se introducen en la tina que

contiene la solución de agua sal para realizar las pruebas con carga en el generador.

Estas pruebas se realizaron sin regulador de voltaje y con regulador de voltaje.

En las fotografías 5 y 6 se puede ver el proceso de montaje del RAV en el tablero de

instrumentos del generador, adicionalmente se observa el cableado de control desde y

hacia la tarjeta reguladora de voltaje y a los aparatos de medida que van al panel de

control del generador.

En las fotografías 7 y 8 se puede ver al grupo generador ya terminado desde dos

perspectivas diferentes, vista frontal y vista lateral y posterior del generador.

Fotografía 1

Fotografía 2

Fotografía 5

Fotografía 6

Fotografía 7

Fotografía 8

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1996.

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Donlee Technologies Inc.? Pennsylvania, 1998,

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