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ÍNDICE DE LA MEMORIA
I
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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
Índice de la memoria
Parte I Memoria .......................................................................................... 8
Capítulo 1 Introducción ................................................................................... 9
1.1 Motivación del proyecto .................................................................................. 9
1.2 Objetivos......................................................................................................... 10
1.3 Metodología / Solución desarrollada ........................................................... 12
Capítulo 2 La energía eolica .......................................................................... 13
2.1 Introducción a la energía eolica ................................................................... 13
2.2 Ventajas de la energía eólica ........................................................................ 13
2.3 Inconvenientes de la energía eólica .............................................................. 14
2.4 Actualidad de la energía eólica ..................................................................... 15
2.5 La energía eólica marina............................................................................... 17
Capítulo 3 El Generador ................................................................................ 20
3.1 Introducción ................................................................................................... 20
3.2 Generadores de imanes permanentes .......................................................... 21
3.3 Generadores de imanes permanentes de flujo radial ................................. 22
Capítulo 4 Convertidor ................................................................................... 23
4.1 Introducción ................................................................................................... 23
4.2 Tecnología de baja tensión vs tecnología de media tensión ....................... 23
4.3 Elección del convertidor................................................................................ 23
ÍNDICE DE LA MEMORIA
II
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4.4 Funcionamiento ............................................................................................. 23
4.5 Caracteristicas del convertidor .................................................................... 23
4.6 Datos del convertidor ACS800-77LC .......................................................... 23
Capítulo 5 Protecciones .................................................................................. 29
5.1 Introducción ................................................................................................... 29
5.2 Elección de las protecciones .......................................................................... 30
5.3 Protecciones ante falta fase fase. Funcionamiento y ajustes ...................... 31
5.4 Protecciones ante falta fase tierra. Funcionamiento y ajustes ................... 37
5.5 Protecciones ante falta fase debidas a sobrefuncionamientos
Funcionamiento y ajustes.............................................................................. 40
5.6 Protecciones ante falta debidas a mal funcionamiento. Funcionamiento y
ajustes ............................................................................................................. 45
5.7 Transformadores de medida ........................................................................ 51
Capítulo 6 Transformador y circuito de salida de potencia .......................... 57
6.1 Introducción al transformador .................................................................... 57
6.2 Ventajas del transformador seco encapsulado ........................................... 57
6.3 Elección del transformador .......................................................................... 59
6.4 Partes del transformador .............................................................................. 60
6.5 Caracteristicas del transformador ............................................................... 63
6.6 Circuito de salida de potencia ...................................................................... 65
Capítulo 7 Circuitos electricos de orientación, paso y frenado .................... 67
7.1 Introducción al sistema de orientación ........................................................ 67
7.2 Sistema de orientación .................................................................................. 69
7.3 Sistema de paso .............................................................................................. 73
7.4 Sistema de frenado ........................................................................................ 80
ÍNDICE DE LA MEMORIA
III
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Capítulo 8 Cableado ....................................................................................... 82
8.1 Generador-Convertidor-Transformador de distribución ......................... 82
8.2 Transformador de distribución-Base del aerogenerador .......................... 85
8.3 Alimentación de los motores del sistema de orientación ............................ 89
8.4 Aliementación de los motores del sistema de paso ...................................... 91
Capítulo 9 Anexos ........................................................................................... 93
Bibliografía ..................................................................................................... 138
Parte II Presupuesto ................................................................................. 140
Capítulo 1 Presupuesto ................................................................................. 141
ÍNDICE DE LAS FIGURAS
IV
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Índice de figuras
Figura 1.Potencia total de energía eólica en el mundo1¡Error! Marcador no
definido.
Figura 2.Potencia eólica instalada en cada país .................................................... 16
Figura 3.Reparto de la potencia producida en España .......................................... 17
Figura 4.Esquema generador de imanes permanente de flujo radial ..................... 22
Figura 5.Sistema de rectificación .......................................................................... 25
Figura 6.Rectificador ............................................................................................. 26
Figura 7.Inversor ................................................................................................... 26
Figura 8.Esquema del sistema de protecciones ..................................................... 30
Figura 9.Protección diferencial ............................................................................. 32
Figura 10.Curva característica de la protección diferencial .................................. 32
Figura 11.Protección de sobreintensidad ............................................................... 34
Figura 12.Protección de distancia ......................................................................... 35
Figura 13.Zonas de la protección de distancia ...................................................... 36
Figura 14.Ajuste de la protección de distancia ...................................................... 36
Figura 15.Efecto sobreintensidad .......................................................................... 38
Figura 16.Protección tierra estartor 100% Diferencial 3º armónico ..................... 39
Figura 17.3º armonico en condicones normales y en condicones de falta ............ 40
Figura 18.Sobrecargas térmicas según el tipo de sobrecorriente .......................... 41
Figura 19.Protección de sobretensión ................................................................... 43
Figura 20.Protección de sobrefrecuencia .............................................................. 44
Figura 21.Corrientes de secuencia directa y secuencia inversa ............................. 45
Figura 22.Protección de secuencia inversa ............................................................ 46
Figura 23.Protección de potencia inversa .............................................................. 47
ÍNDICE DE LAS FIGURAS
V
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Figura 24.Curva característica protección perdida de excitación .......................... 47
Figura 25.Ajuste de la protección de pérdida de excitación .................................. 48
Figura 26.Curva característica protección perdida de excitación .......................... 49
Figura 27.Ajuste de la protección de pérdida de excitación .................................. 49
Figura 28.Curva de un transformador de medida de 30 VA ................................. 53
Figura 29.Dimensiones exactas de los transformadores TRP 140, TRP 180 ¡Error!
Marcador no definido.5
Figura 30.Transformador de medida de tensión 700/110 V¡Error! Marcador no
definido.6
Figura 31.Núcleo magnético del transformador .................................................... 60
Figura 32.Devanado de alta tensión del transformador ......................................... 61
Figura 33Devanado de baja tensión del transformador ......................................... 62
Figura 34.Dibujo acotado del transformador de tipo seco encapsulado ................ 64
Figura 35.Celda compacta del circuito de salida del transformador ..................... 65
Figura 36.Sistema de orientación .......................................................................... 68
Figura 37.Dos de los ocho motores del sistema de orientación ............................ 70
Figura 38.Procedimientos de orientación .............................................................. 72
Figura 39.Protección de los motores del sistema de orientación .......................... 74
Figura 40.Motores eléctricos del sistema de paso ................................................. 76
Figura 41.Proteciones del sistema de paso ............................................................ 78
Figura 42.Comparación de la regulación del paso de palas variable y fijo ........... 80
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VI
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Índice de las tablas
Tabla 1.Datos del convertidor ............................................................................... 28
Tabla 2. Precisión del transformador de medida . ¡Error! Marcador no definido.2
Tabla 3.Caraterísticas técnicas del transformador¡Error! Marcador no
definido.4
Tabla 4.Dimensiones, peso, clase del transformadro TRP 180¡Error! Marcador
no definido.5
Tabla 5.Características del transformador ............................................................. 63
Tabla 6.Características de la celda de salida del transformador ............................ 66
Tabla 7.Caracteríticas de los motores del sistema de orientación ......................... 70
Tabla 8.Especificaciones de los motores de paso .................................................. 76
Tabla 9.Características del cable generador-convertidor-transformador .............. 82
Tabla 10.Caraterísticas del cable de distribución .................................................. 85
Tabla 11.Características del cable del sistema de orientación .............................. 89
Tabla 12.Características del cable del sistema de paso ......................................... 91
Tabla 13.Mediciones y precios unitarios ............................................................. 142
Tabla 14.Sumas parciales .................................................................................... 144
Tabla 15.Presupuesto general .............................................................................. 146
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VII
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Introducción
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Parte I MEMORIA
Introducción
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Capítulo 1 INTRODUCCIÓN
.
1.1 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO
Durante los últimos años muchos ingenieros se han dedicado al estudio de nuevas
fuentes de energía que exploten recursos inagotables, las energías renovables.
Cada vez tienen una mayor importancia en el reparto energético mundial y
apuntan a ser un elemento clave en la generación eléctrica.
La energía renovable que más se ha desarrollado es la energía eólica, contando
con los mayores niveles de crecimiento a nivel mundial. Se ha convertido en uno
de los sistemas de generación más rentables.
La energía eólica consisten en aprovechar la fuerza del viento para la generación
de electricidad mediante aerogeneradores. Estos aerogeneradores ubicar en la
tierra (eólica terrestre) o en el mar adentro (eólica marina).
La principal ventaja del emplazamiento marino está en que el viento marino es
más intenso, con lo que se produce una mayor cantidad de energía en menos
tiempo.
Tiene un coste de instalación mayor que la eólica terrestre, pero por otra parte
tiene una mayor vida útil. Los costes de cimentación y anclajes han disminuido de
manera considerable durante los últimos años, con lo que se está convirtiendo en
una energía más competitiva.
Introducción
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En el mar la velocidad del viento no sufre grandes variaciones, ya que se
encuentra en una superficie sin obstáculos; esto permite instalar torres más bajas.
La turbulencia del viento es una característica fundamental, a menor turbulencia
mayor periodo de trabajo útil del aerogenerador. En el mar el viento es menos
turbulento que en la tierra, ya que las diferencias de temperatura a distintas
altitudes que se producen en el mar son inferiores a las que se producen en la
tierra.
Mi gran interés por la energía eólica y el auge que está experimentando
actualmente son los motivos principales que me han llevado a elegir este tema
para mi proyecto de fin de carrera.
1.2 OBJETIVOS
Introducción a la energía eólica y a los generadores basados en imanes
permanentes
Estado actual de la energía eólica en el mundo, y en concreto en España.
Comentar cuales son las ventajas y desventajas del uso de esta energía, y analizar
la energía eólica marina en concreto.
Explicar el funcionamiento de los generadores basados en imanes permanentes, en
concreto los de flujo radial, ya que el sistema eléctrico que se va a estudiar es para
un aerogenerador de imanes permanentes flujo radial. Justificar la elección de la
frecuencia de trabajo del generador, así como el porqué se ha prescindido de la
multiplicadora.
Introducción
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Circuito entrada al inversor
La turbina funciona a una velocidad de giro variable. Así pues, la turbina generará
corriente alterna de frecuencia variable.
La corriente alterna de frecuencia variable no puede ser tratada en la red eléctrica,
por tanto, deberemos rectificarla, es decir, convertirla a corriente continua (CC).
Esta conversión puede hacerse utilizando tiristores o grandes transistores de
potencia.
Inversor y protecciones
Una vez rectificada la corriente alterna de frecuencia variable, convertiremos la
corriente continua (fluctuante) a corriente alterna de frecuencia fija, exactamente
la misma frecuencia que la red eléctrica. Dicha conversión la haremos usando un
inversor.
El sistema de protecciones nos garantiza el correcto funcionamiento del generador
ante condiciones anómalas.
Transformador y circuito de salida de potencia
La clase de corriente alterna que se obtiene de un inversor no tiene nada que ver
con una suave curva sinusoidal. En lugar de eso, lo que se tiene es una serie de
saltos bruscos en la tensión y en la corriente.
Las formas de onda rectangulares pueden ser suavizadas utilizando las
inductancias y condensadores apropiados (filtrado de corriente alterna). Sin
embargo, la apariencia más o menos dentada de la tensión no desaparece
completamente.
Introducción
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Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
Hay varios sistemas de orientación, vamos a usar el más común de todos ellos:
orientación mediante motor. Para dicho sistema es necesario una veleta que da la
dirección del viento a un transductor y este a su vez a un motor eléctrico que hace
girar la góndola del molino adaptándose al viento.
El principal inconveniente de este sistema es su complejidad además del consumo
de energía por el motor y los posibles fallos de funcionamiento de este. Es una de
las mayores fuentes de problemas por parte del mantenimiento del aerogenerador.
Además hay que añadir los posibles errores debidos a los movimientos rápidos de
la veleta y que esta pueda deteriorarse.
Las principales ventajas son su facilidad de control, posibilidad de vigilancia
remota y toma de datos. Además la adaptación a la variabilidad del viento es muy
rápida.
1.3 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA
Habrá que buscar todos los aparatos necesarios para montar el sistema eléctrico:
convertidor, transformador de distribución, protecciones y transformadores de
medida, tanto de intensidad como de tensión. Para ello habrá que ver cuáles son
las especificaciones técnicas necesarias para nuestro sistema eléctrico, ponerse en
contacto con los fabricantes, comparar los productos ofrecidos por cada uno de
ellos y elegir el que más nos convenga (comparando precios y características) .
La energía eólica
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Capítulo 2 LA ENERGÍA EÓLICA
2.1 INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA EÓLICA
Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética
generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en
electricidad.
La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir
las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base
de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Sin
embargo, el principal inconveniente es su intermitencia.
2.2 VENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA
La energía eólica tienes dos ventajas principales: que explota un recurso
inagotable como es el viento, y que no contamina, ya que no consume
combustibles fósiles.
Es una de las fuentes de energía mas baratas, pudiendo competir con otras fuentes
de energía como las centrales térmicas de carbón, que es considerada la fuente de
energía con el combustible más barato.
La energía eólica
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Desde el punto de vista medioambiental generar energía eléctrica sin consumir
combustibles es un procedimiento limpio que carece de problemas de
contaminación.
Es una energía que evita la necesidad de instalar líneas de abastecimiento y
elimina la contaminación que conlleva el transporte de combustibles como el gas,
petróleo, carbón o gasoil.
Al contrario que otras fuentes de energía no produce gases tóxicos, ya que no
requiere una combustión que produzca dióxido de carbono, por lo que no
contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático.
Por otra parte, al no necesitar ningún combustible evita la dependencia de los
gobiernos extranjeros que los proporcionan.
2.3 INCONVENIENTES DE LA ENERGÍA EÓLICA
El principal inconveniente de la energía eólica es su intermitencia, por lo que es
necesario suplir las bajadas de tensión eólicas "instantáneamente" (aumentando la
producción de las centrales térmicas), pues si no se hace así se producirían, y de
hecho se producen apagones generalizados por bajada de tensión. Este problema
podría solucionarse mediante dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica.
Pero la energía eléctrica producida no es almacenable: es instantáneamente
consumida o perdida.
Otro inconveniente este desde el punto de vista estético es que los parques eólicos
producen un impacto visual inevitable. En este sentido, la implantación de la
La energía eólica
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energía eólica a gran escala puede producir una alteración clara sobre el paisaje,
que deberá ser evaluada en función de la situación previa existente en cada
localización.
2.4 ACTUALIDAD DE LA ENERGÍA EÓLICA
En la actualidad, el sector eólico se muestra como uno de los sectores energéticos
con un mayor crecimiento a nivel mundial. A final de 2009, la potencia instalada a
en todo el mundo era de 159.213 MW., con un crecimiento del 31,7% con
respecto al año anterior, y se espera que a final del año 2010 sea de 203.500MW.
Desde 2001, existe una tendencia duplicarse la capacidad existente cada tres años,
como se muestra en el siguiente gráfico:
Figura 1.Potencia total de energía eólica en el mundo
La potencia instalada prevista para finales del 2010 es de 203.500MW, como
podemos observar en la siguiente tabla la predicción no va por mal camino.
La energía eólica
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También se puede ver cómo queda distribuida esta potencia instalada en todo el
mundo.
Figura 2.Potencia eólica instalada en cada país.
Los países que encabezan el sector eólico a nivel mundial son Estados Unidos,
China, con un 20,7% y un 19,3% de la capacidad mundial, respectivamente.
Además, son los países con un mayor crecimiento en el último año en este terreno.
En cuanto a Megavatios instalados les sigue muy de cerca Alemania con un 15%.
España se encuentra en cuarto lugar con 19.500MW instalados, lo que supone un
11,1% del total. Hoy en día, como se puede apreciar en el siguiente grafico, la
energía eólica representa el 21% de la energía producida en nuestro país lo que
demuestra la importancia de este sector en nuestro país.
La energía eólica
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Figura 3. Reparto de la potencia producida en España
2.5 LA ENERGÍA EÓLICA MARINA
La principal ventaja de la energía eólica marina es que las fuerzas del viento se
pueden aprovechar mejor en mar debido a sus condiciones.
En la actualidad los parques offshore se sitúan en aguas poco profundas, alejados
de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares y de los
espacios de interés natura. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos
kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características
diferentes a los que llegan a tierra.
En un principio, los anclajes de los aerogeneradores se efectuaban con
hormigón a través de la cimentación por gravedad, es decir, con la construcción
en un dique seco de grandes estructuras que después se fijaban en el
emplazamiento elegido y se rellenaban con grava y arena. Un diseño posterior, el
monopilote, consiste en una perforación del lecho marino a una profundidad de 10
a 20 metros, en la que se introduce un gran cilindro metálico que sirve de base a la
La energía eólica
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torre. Los parques eólicos se conectan a tierra por cables submarinos completa o
parcialmente enterrados, para reducir el riesgo de daños ocasionados por equipos
de pesca, anclas, etc. En zonas estratégicas del parque se colocan, entre otras
instalaciones de servicio, centros de transformación que convierten la baja o
media tensión en alta para favorecer así el transporte hasta la costa. Una vez en
tierra, tan sólo falta conectar la línea eléctrica con la red de distribución existente.
El retraso de la puesta en marcha de la energía eólica marina se debe a unos
mayores costes de construcción, operación y mantenimiento actuales de los
parques eólicos en el mar. Al igual que la producción de energía, son superiores
que los de los parques terrestres. Además, la falta de infraestructuras eléctricas
que puedan aprovechar la energía producida es otro factor fundamental.
Para la instalación de un parque eólico marino se requiere una esmerada
localización. Hemos de tener en cuenta que si duplicamos la velocidad del viento,
podemos multiplicar por ocho la energía generada (por depender ésta de la
velocidad del viento al cubo). Por ello, las empresas instaladoras de un parque
eólico ponen mucha atención para situar los aerogeneradores en aquellos lugares
que, respetando todas las variables medioambientales propias del lugar, sean
lugares de mucho viento.
A la hora de elegir el emplazamiento, lo cual afectará a su distancia a la costa,
los principales aspectos a tener en cuenta son los siguientes:
Cambios en la hidrodinámica y en los procesos sedimentarios.
Conservación de la naturaleza: áreas protegidas o candidatas, presencia de
especies y hábitats protegidos, de especial interés o vulnerables, rutas
migratorias, efectos acumulativos y sinérgicos.
La energía eólica
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Conservación del paisaje.
Conservación del patrimonio cultural: patrimonio arqueológico sumergido.
Recursos y actividades pesqueras, acuicultura marina.
Existencia de yacimientos de arena explotables para la conservación del
litoral.
Existencia de títulos que habilitan para la ocupación del dominio público
marítimo – terrestre.
Seguridad y eficiencia en la navegación.
Seguridad de la aviación.
A nivel mundial, Europa se encuentra como líder indiscutible y prácticamente
en solitario en el terreno de la energía eólica marina. Fuera del continente, tan solo
China y Japón disponen de aerogeneradores marinos, con unas potencias
instaladas de 23 y 1 MW, respectivamente.
España es ya el segundo país de Europa en potencia eólica instalada en tierra
firme y el cuarto en el mundo. Sin embargo, a pesar de tener casi 5.000 Km. de
costa y un viento que en el mar más fuerte y constante, no cuenta con ninguna
instalación para la producción de eólica marina.
Este retraso se debe principalmente a la dificultad en la ubicación de los
aerogeneradores, que es un elemento clave. Con la tecnología disponible en la
actualidad, la profundidad en la que se pueden instalar los molinos no debe
superar los 20 metros. Este factor limita a unos pocos lugares la colocación de los
parques offshore. La plataforma continental del litoral español se caracteriza en
general por su estrechez: a cuatro kilómetros de la costa ya hay más de 50 metros
de profundidad.
El Generador
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Capítulo 3 EL GENERADOR
3.1 INTRODUCCIÓN
En este proyecto se va a diseñar el sistema eléctrico para un generador síncrono de
imanes permanentes de flujo radial de 5MW de potencia.
En los aerogeneradores marinos, al ser la velocidad del viento mucho mayor, la
potencia generada también lo será. Por el contrario, esto puede acarrear problemas en
cuanto a los esfuerzos, y la multiplicadora va a ser el elemento mecánico que más
sufra sus efectos. Para evitar tener que realizar constantes mantenimientos para su
arreglo, en el que no se dispondrá del aerogenerador, se propone en este proyecto la
conexión directa turbina eólica-generador eléctrico. En consecuencia, el generador
funcionará a baja velocidad, variable y con un gran par, lo que provocará que la
máquina sea de elevado diámetro y gran cantidad de polos. En este caso en particular,
el generador tendrá una potencia de 5 MW y una velocidad de 10 rpm.
También se tomó la decisión de realizar la máquina para producir intensidad a una
frecuencia distinta a la de la red: 30 Hz. Como en el caso de estas máquinas en las
que la velocidad de entrada es variable, vamos a tener que usar un convertidor a la
salida, no tiene importancia reducir la frecuencia. Con esta reducción, se van a tener
menos números de polos.
El Generador
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3.2 GENERADORES DE IMANES PERMANENTES
Hoy en día existen generadores de este tipo de hasta 5 y 6 MW.
Los generadores síncronos de imanes permanentes se caracterizan por la forma
en la que generaran el campo inductor en el rotor. Al contrario de los
convencionales, excitados por corriente continua, la excitación se realiza mediante
imanes permanentes. De esta manera, se evitan los problemas de acceder al rotor
mediante escobillas y anillos rozantes, que acarrean problemas de mantenimiento.
Al igual que los generadores síncronos convencionales, generan a tensión y
frecuencia variable, por lo que es necesario instalar un sistema de rectificación
para proporcionar potencia a la red a su tensión y frecuencia. Por ello, irán
conectados a la red a través de los convertidores.
Este tipo de máquinas se caracterizan por una mayor robustez y por tener un
tamaño menor. Constructivamente está compuestas por los mismos materiales que
el resto de maquinas, a diferencia de los imanes permanentes, que son el material
de mayor coste. Una de las ventajas a tener en cuenta es el gran control de la
potencia reactiva a través del sistema de rectificación.
En función de cómo se cree el campo en el rotor, existen tres configuraciones
posibles: flujo radial, flujo axial y flujo transversal.
El Generador
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3.3 GENERADORES DE IMANES PERMANENTES DE FLUJO
RADIAL
Se puede considerar que esta máquina es la más común de los diferentes tipos de
máquinas de imanes permanentes que existen, por ellos también se le puede
conocer con el nombre de generador síncrono de imanes permanentes
convencional. Se trata de un generador que tiene flujo radial en el entrehierro y
flujo longitudinal en el estator. Mecánicamente tiene un funcionamiento parecido
a la máquina síncrona. Los bobinados están dispuestos de la misma manera y en el
rotor están dispuestos los imanes.
Para una mejor compresión se muestra la siguiente muestro a continuación un
esquema de esta máquina, donde se ven los imanes en color azul dispuestos a lo
largo de la longitud axial para producir un campo radial:
Figura 4. Esquema generador de imanes permanentes de flujo radial.
Convertidor
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Capítulo 4 CONVERTIDOR
4.1 INTRODUCCIÓN
Los aerogeneradores con una potencia superior a las 2MW son en su mayoría de
velocidad variable. Para aplicaciones offshore, donde los bajos requisitos de
mantenimiento son fundamentales, la mejor solución es un generador de imanes
permanentes. Las turbina eólicas cuyo generador síncrono se excita con un imán
permanente tienen que conectarse a la red eléctrica mediante un convertidor
completo.
4.2 TECNOLOGÍA DE BAJA TENSIÓN VS TECNOLOGÍA DE
MEDIA TENSIÓN
Se sabe que la tecnología de baja tensión tiene un coste eficiente en niveles bajos
de potencia, mientras que la tecnología de media tensión es más eficiente en
aplicaciones de más potencia. El límite entre estas tecnologías depende de la
aplicación.
Los principales inconvenientes de la tecnología de baja tensión con niveles de
potencia altos son:
Para potencias altas la solución es conectar varios convertidores en
paralelo, lo que supone que el convertidor ocupe más espacio.
Cable de tamaño más grande entre el generador y el convertidor,
que se ve reflejado en los costes.
Convertidor
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Posicionar el convertidor y el transformador dentro de la góndola,
sus dimensiones y peso aumentan considerablemente complicando
la estabilidad mecánica.
4.3 ELECCIÓN DEL CONVERTIDOR
Como nuestro generador es de 5MW lo más eficiente sería elegir un convertidor
de media tensión, pero debido a las especificaciones del generador síncrono:
tensión 690V, se deberá usar un convertidor de baja tensión.
Después de contactar con algunas empresas y comparar los convertidores que
ofertaban se ha tomado la decisión de poner dos convertidores en paralelo, ya que
los convertidores ofertados en su mayoría no tienen 6MW.
Se ha considerado que la solución más rentable es montar dos convertidores
ACS800-77LC de 3.1MW de la marca ABB. Para tomar esta decisión se han
valorado las prestaciones que nos aportan los distintos equipos y si se ofrece un
buen diseño para conectar los convertidores paralelo.
Se debe elegir un convertidor cuya corriente nominal sea igual o superior a la
corriente del generador dando potencia nominal.
La corriente del generador a potencia nominal es de 4183 A. El convertidor debe
soportar un 20% más de la corriente nominal en permanencia (5019A). Al estar
Convertidor
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dos convertidores en paralelo irán 2509 A por cada uno, y como la máxima
corriente del convertidor es 3394 A no nos supondrá ningún problema.
4.4 FUNCIONAMIENTO
Su función es conectar el generador a la red. La turbina genera corriente alterna a
frecuencia variable, que mediante un rectificador convertimos en corriente
continua. Una vez rectificada la corriente dicha corriente convertiremos la
corriente continua a corriente alterna de frecuencia fija (la de la red, 50Hz)
mediante un inversor. El rectificador y el inversor están unidos por un enlace en
continua.
Figura 5. Sistema de rectificación
El rectificador y el inversor están formados por dos puentes trifásicos reversibles.
Están compuestos por semiconductores IGBT (Integrated Gate Bipolar
Transistor).
Para su funcionamiento no se necesita un flujo de potencia bidireccional, sin
embargo este flujo bidireccional es el que permite situar el rotor de la turbina en
cualquier posición. Con el freno hidráulico podríamos mantener una posición
exacta para comprobar los alabes o el sistema de ajuste de paso.
Convertidor
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Figura 6. Rectificador
Figura 7.Inversor
El enlace de corriente continua está protegido por una unidad limitadora de
tensión para que la turbina funcione adecuadamente en el caso que se produzca
una avería en la red.
De esta forma se consiguen evitar las oscilaciones de par en la turbina durante
una perturbación en la red.
Convertidor
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4.5 CARACTERÍSTICAS
Una característica importante de este tipo de convertidores es que no necesitan un
equipo de compensación de potencia reactiva auxiliar ya que son capaces de
inyectar y absorber potencia reactiva de la red, controlando así la conexión a red.
Cuando se producen fallos en la red eléctrica el convertidor es capaz de
proporcionar toda la corriente reactiva, garantizando así un funcionamiento sin
interrupciones. Esto se debe a que el inversor no puede alimentar la potencia
activa del generador a la red porque se produciría una sobretensión en el enlace de
corriente continua y la descarga del generador al activarse sus protecciones.
La unidad que limita las sobretensiones en el enlace de corriente continua se
denomina "chopper de frenado". Si se detecta una sobretensión se permite el paso
por una resistencia para disipar la potencia y que la turbina siga funcionando.
Gracias a esta unidad el generador no ve variar su corriente, por lo que no actúan
sus protecciones y sigue funcionando.
Convertidor
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4.6 DATOS DEL CONVERTIDOR ACS800-77LC
ACS800-77LC
Tensión nominal 690 V
Corriente nominal máxima 3394 A
Potencia nominal máxima 3100 kW
Grado de protección IP54
Altura 2000 mm
Anchura 2800 mm
Profundidad 600 mm
Masa 2500 Kg
Refrigeración Por líquido
Tabla 1. Datos del convertidor
Protecciones
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Capítulo 5 PROTECCIONES
5.1 INTRODUCCIÓN
Los generadores son máquinas eléctricas rotativas que tienen limitaciones
eléctricas, mecánicas y térmicas. En ocasiones está sometido a situaciones que
superan dichas limitaciones, al ser una parte del equipo cara e importante se debe
proteger.
Las protecciones del generador debe:
Proteger al generador ante defectos internos
Proteger a la red ante defectos internos
Proteger generador ante defectos en red
Cuantas más protecciones instalemos más caro será el sistemas eléctrico,
pero mejores serán las condiciones de funcionamiento, algo que es importante en
maquinas de alta potencia y elevado coste.
Protecciones
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5.2 ELECCIÓN DE LAS PROTECCIONES
Las protecciones a instalar van en función de la potencia del generador, a mas
potencia mas protecciones.
Para el sistema de protecciones se ha decidido instalar el sistema de protecciones
G60 de General Electrics que cuenta con todas las protecciones necesarias
acordes con la potencia de nuestro generador.
A continuación se muestra un esquema del sistema de protecciones.
Figura 8.Esquema del sistema de protecciones
Protecciones
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Estas protecciones se clasifican en los siguientes grupos:
Protecciones ante Falta Fase-Fase
Protecciones ante Falta Fase-Tierra
Protecciones ante Sobrefuncionamientos
Protecciones ante Mal funcionamiento
5.3 PROTECCIONES ANTE FALTA FASE FASE.
FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES .
En este apartado se va a explicar el funcionamiento de las protecciones más
importantes ante faltas fase fase.
Se van a especificar los ajustes de arranque y temporización, y las actuaciones en
caso de que salte la protección.
Las faltas entre fases en estator son graves, provocan sobrecorrientes por el
asilamiento y la chapa magnética, esfuerzos mecánicos y torsión en devanados, y
torsiones en el rotor. Por estas circunstancias se precisa de un sistema selectivo y
rápido.
La protección principal para este tipo de faltas es la protección diferencial (87G).
Protecciones
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Protección Diferencial (87G)
Funcionamiento
Se instala un relé en cada fase y la zona protegida está definida entre los
transformadores de intensidad.
Figura 9. Protección diferencial
Solo debe actuar ante faltas internas, faltas entre los transformadores de
intensidad. Esta selectividad se consigue mediante su curva característica.
Figura 10. Curva característica de la protección diferencial
Protecciones
33
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Ante una falta interna se produce un aporte propio del generador (I1) y un aporte
de la red a la falta (I2), y estas intensidades se suman en la bobina diferencial. Se
entra en zona de actuación.
Ante un falta externa se produce un aporte del generador a la falta (I1 = I2), y las
intensidades se restan en la bobina diferencial. No se entra en zona de actuación.
Si la falta externa es próxima puede llegar a saturar algún transformador de
intensidad, dando menos corriente de secundario que la correspondiente de
primario. Para conseguir selectividad se incluye una pendiente de frenado.
Ajustes
Iarranque 20% In = 1,2*5020 A = 6024 A1º que corresponden a:
6024A1º * 5/5000A2º = 6,2 A2º
Tiempo 25mseg
Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Parada de Grupo
Contraincendios
La protección de respaldo son las protección de sobreintensidad (51G) (51P) y la
protección de distancia (21P).
Protecciones
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Protección de Sobreintensidad (51G)(51P)
Detecta sobreintensidades en devanados del estator por faltas entre fases
(protección de respaldo de la diferencial de generador), y sobreintensidades por
faltas externas.
La sobreintensidad daña devanados por sobretemperatura que deteriora el
aislamiento, pudiendo perforarse, y por esfuerzos electromecánicos en las barras.
En condiciones de falta, además daña la chapa magnética.
Funcionamiento
Se toman intensidades de fase, protegiendo todo el embarrado de generación y
parte del transformador principal.
Figura 11.Protección de sobreintensidad
Ajustes
Iarranque 10% In = 1,1*5020 A = 5522 A1º que corresponden a:
5522A1º*5/5000 = 5,52 A2º
Tiempo 1seg
Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Parada de Grupo
Protecciones
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Protección de Distancia (21P)
Vigila la impedancia de fase, detectando faltas entre fases (protección de respaldo
de la diferencial de generador), y faltas fase tierra.
La sobreintensidad daña devanados por sobretemperatura que deteriora el
aislamiento, pudiendo perforarse, y por esfuerzos electromecánicos en las barras.
En condiciones de falta, además daña la chapa magnética.
Funcionamiento
Es protección de respaldo de la diferencial de generador, más selectiva que la de
sobreintensidad, protege todo el embarrado de generación y la mayoría del
transformador principal.
Hay varias de ajustarla, en el caso del equipo de protección elegido el ajuste es el
siguiente:
Figura 12.Protección de distancia
Protecciones
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Figura 13.Zonas de la protección de distancia
Ajustes
Zb = 0.09522 Ω
X''d = 0.2 pu= 0.01904 Ω1º que corresponden a:
0.01904 Ω1º *110/700*5000/5 = 2.99 Ω2º
Xcc = 0.1 pu = 0.009522 Ω1º que corresponden a:
0.009522 Ω1º *110/700*5000/5 = 1.49 Ω2º
Figura 14. Ajuste de la protección de distancia
Protecciones
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Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Parada de Grupo
5.4 PROTECCIONES ANTE FALTA FASE TIERRA.
FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES .
En este apartado se va a explicar el funcionamiento de las protecciones más
importantes ante faltas fase tierra.
Se van a especificar los ajustes de arranque y temporización, y las actuaciones en
caso de que salte la protección.
La conexión de una fase a tierra es la falta más habitual a pesar de la mejora de
aislamientos. Produce dos efectos sobreintensidad y sobretensión en fases sanas.
La sobrecorriente circula por el paquete magnético, produciendo daños en el
mismo que son proporcionales a la energía liberada. Si no se despeja la falta la
sobretensión entre fases sanas puede derivar en una falta entre fases.
Protecciones
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Figura 15.Efecto sobreintensidad
La protección principal para este tipo de faltas es la protección tierra estator
(64TN).
Protección Tierra Estator (64TN)
Normalmente la protección tierra estator basta con que detecte faltas fase tierra en
el 95% del devanado estatórico, limitando el tiempo de la duración de la falta se
reducen los daños por sobrecorrientes en la chapa magnética y las sobretensiones
en fases sanas.
En máquinas grandes o de coste elevado se debe vigilar el 100% del devanado del
estator. Hay tres tipos de relés que cumplen esta misión:
Por mínima tensión de 3º armónico
Por inyección de una señal codificada
Diferencial de 3º armónico
Protecciones
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En el caso de la protección que hemos elegido instalar cuenta con un relé de
diferencial de 3º armónico.
Funcionamiento
La protección compara el 3º armónico medido en el neutro de la máquina y en los
terminales de salida.
Figura 16.Protección tierra estator 100% Diferencial 3º armónico
En condiciones normales el 3º armónico esta compensado entre ambos puntos; en
caso de falta, se desequilibra el nivel de 3º armónico entre el neutro y los
terminales.
Protecciones
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Figura 17. 3º armónico en condiciones normales y en condiciones de falta
Ajustes
Ajuste del 3º armónico experimental
Temporización 500 mseg
Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Parada de Grupo
5.5 PROTECCIONES ANTE FALTAS DEBIDAS A
SOBREFUNCIONAMIENTOS. FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES.
En este apartado se va a explicar el funcionamiento de las protecciones más
importantes ante faltas debidas a sobrefuncionamientos.
Se van a especificar los ajustes de arranque y temporización, y las actuaciones en
caso de que salte la protección.
Protecciones
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Protección contra sobrecarga de estator (49)
Detecta sobrecargas térmicas en devanados del estator por intensidades de fase
superiores al valor nominal. Se definen:
A. Funcionamiento nominal: corrientes iguales o inferiores a la nominal.
B. Sobrecorriente transitoria: corrientes superiores a la permanente
admisible, pero por un tiempo breve, de tal forma que no se alcanzan
temperaturas peligrosas en los devanados.
C. Sobrecorriente admisible permanente: temperaturas no peligrosas, pero
que acortan la vida del generador por envejecimiento de los aislantes.
D. Sobrecorrientes peligrosas: se alcanzan temperaturas peligrosas.
Figura 18.Sobrecargas térmicas según el tipo de sobrecorriente
Los daños producidos por la sobretemperatura alcanzada provoca el
envejecimiento acelerado de los aislantes de los devanados y favorece la
perforación del aislamiento y la aparición de faltas.
Protecciones
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Funcionamiento
Vigila la temperatura de los devanados del estator con los siguientes tipos de
reles:
Sondas de temperatura
Relés de imagen térmica
Relés digitales de sobrecarga
Ajustes
Iarranque 5% In = 1,05*5020 A = 5271 A1º que corresponden a:
5271 A1º*5/5000 = 5,27 A2º
Tiempo 30seg
Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Dejar el Grupo girando
Protección sobretensión (59N) (59P)
Se pueden producir sobretensiones por:
Condiciones de explotación
Desacoplamientos con condiciones de máquina sobreexcitada.
Defectos de control
Anomalía en el regulador automático de tensión.
Error de maniobra manual.
Incidencias
Sobretensiones de origen atmosférico: rayos.
Falta fase tierra mantenida puede originar sobretensiones en fases
sanas.
Protecciones
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Estas sobretensiones pueden perforar el aislamiento por sobrepasar la tensión de
ruptura del dieléctrico.
Funcionamiento
Vigila las tensiones de fase. Cuenta con relés preparados para medir tensión en
una amplia gama de frecuencias, lo cual es una característica muy importante en
arranque o rechazo de cargas.
Figura 19. Protección de sobretensión
Ajuste
Unidad temporizada
Arranque : 120% Unom = 1,2*690 V = 828 V1º que corresponden a:
828 V1º*110/700 = 130,11 V2º
Temporización : 1,5 seg
Unidad instantánea
Arranque : 140% Unom = 1,4*690 V = 966 V1º que corresponden a:
966 V1º*110/700 = 151,8 V2º
Protecciones
44
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Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Parada de Grupo
Protección sobrefrecuencia (81O)
Una frecuencia por encima de los valores admisibles puede producir daños a los
consumos, que pueden llevar consigo indemnizaciones. Estas sobrefrecuencias
pueden producirse por defectos en el regulador de turbina o por deslastres bruscos
de carga.
Funcionamiento
Vigila la frecuencia en bornas de la maquina utilizando las tensiones generadas.
Figura 20.Protección de sobrefrecuencia
Ajuste
Arranque : 20% fnom = 36Hz
Temporización : 2 seg
Protecciones
45
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Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Dejar el Grupo rodando
5.6 PROTECCIONES ANTE FALTAS DEBIDAS A MAL
FUNCIONAMIENTO. FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES.
Protección secuencia inversa (46)
Detecta nivel de componente de secuencia inversa en las intensidades de fase. Las
corrientes de fase desequilibradas se descomponen en corrientes de secuencia
directa y de secuencia inversa. Las corrientes de secuencia directa tienen una
velocidad relativa nula respecto al rotor, sin embargo las corrientes de secuencia
inversa tienen un velocidad relativa del doble de la velocidad del rotor. Las
componentes de secuencia negativa crean un campo de sentido de giro opuesto al
fundamental.
Figura 21. Corrientes de secuencia directa y secuencia inversa
Estas corrientes circulan por los devanados del rotor y por la chapa magnética
rotórica provocando calentamientos en el circuito rotórico y vibraciones del
paquete rotórico y de turbina.
Protecciones
46
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Funcionamiento
Necesita las tres intensidades de fase para vigilar el nivel de corriente de
secuencia inversa en los devanados.
Figura 22.Protección de secuencia inversa
Actuaciones
Tiene un primer nivel de alarma.
Desacoplar el Grupo I=0
Dejar Grupo girando
Protección potencia inversa (32)
Estando el generador acoplado el grupo transforma potencia mecánica en potencia
eléctrica. Solo es peligroso para la turbina.
Funcionamiento
Protege a la turbina ante motorización, para ello utiliza intensidades y tensiones
de fase, vigilando la potencia consumida por el alternador.
Protecciones
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Figura 23.Protección potencia inversa
Figura 24. Curva característica protección potencia inversa
Ajustes
Arranque : 3%Pnom = 0,03*6000 kW =180 kW1º que corresponden 28,28 VA2º
Temporización: 20 seg
Actuaciones
Desacoplar el grupo I=0
Se deja o no con tensión
Se deja el grupo girando
Protecciones
48
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Protección perdida de excitación (40)
La máquina pasa a funcionar como generador asíncrono, pasa a tomar energía
reactiva de la red para sustituir la reactiva aportada por el devanado de campo.
Un gran aporte de energía reactiva desde la red puede provocar sobrecorrientes
en los devanados del estator.
Funcionamiento
Para esta protección hay dos tipos de relés:
Mínima corriente de excitación
Relé de impedancia reactiva
La protección que hemos decido instalar cuenta con un relé de impedancia
reactiva.
Utiliza las tensiones y corrientes de fase para vigilar la impedancia propia del
generador, comprobando que no entre en límites inestables por subexcitación.
Figura 25.Protección de pérdida de excitación
Protecciones
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Figura 26.Curva característica protección perdida de excitación
Ajustes
Zb = 0.09522 Ω
X'd = 0.3pu = 0.02857 Ω1º que corresponden a:
0.02857 Ω1º*110/700*5000/5 = 4.48 Ω2º
Xd = 1 pu = 0.09522 Ω1º que corresponden a:
0.09522 Ω1º*110/700*5000/5 = 14.96 Ω2º
Figura 27.Ajuste de la protección de pérdida de excitación
Actuaciones
Desacoplar el Grupo
Parada de Grupo
Protecciones
50
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Protección energización accidental (50/27)
Protege al equipo de un cierre accidental del interruptor de acoplamiento con el
grupo parado.
Los daños que se pueden sufrir por el cierre accidental del interruptor de
acoplamiento estando el grupo parador son cortocircuitos de hasta 40 veces la In y
esfuerzos torsores en el eje que pueden llegar incluso a partirlo.
Funcionamiento
Utiliza intensidades y tensiones de fase. La protección arranca cuando la
intensidad es mayor del 120% de la intensidad nominal y cuando la tensión es
menor del 90% de la tensión nominal. La temporización es instantánea.
Ajustes
Arranque:
I> 120% In = 1,2*5020 A = 6024 A1º que corresponden a:
6024 A1º *5/5000 = 6,02 A2º
V< 90% Vn = 0,9*690 V = 621 V1º que corresponden a:
621 V1º *110/700 = 97,58 V2º
Cuando se cumplen ambas a la vez la protección dispara instantáneamente.
Actuaciones
Desacoplar el Grupo I=0
Parada de Grupo
Compuertas
Calderas
Protecciones
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5.7 TRANSFORMADORES DE MEDIDA
Las protecciones vigilan magnitudes proporcionales a las reales, esto es
simplemente por coste. Para obtener magnitudes proporcionales a la intensidad o
tensión se usan transformadores de medida.
La misión de un Transformador de Medida es el dar información precisa a los
sistemas de medida, control y protección incluida medida fiscal.
Las principales tareas de los Transformadores de Medida son:
Transformar tensiones e intensidades con valores grandes a valores fáciles
de manejar por los relés y equipos de medida.
Aislar el circuito de medida del sistema primario de alta tensión .
Posibilitar la normalización de relés y equipos de medida a unos pocos
valores de tensiones e intensidades nominales.
Transformador de intensidad
La potencia de un transformador
La potencia de un transformador es una magnitud importante. En el
transformador, la corriente de primario tiene que inducir en el secundario la
potencia necesaria para poder transmitir la corriente de secundario al equipo de
medida. La potencia inducida tiene que ser igual o superior a las pérdidas en la
línea más la del propio consumo del equipo de medida.
Protecciones
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Pérdidas en la línea, PL :
Es la potencia perdida por calentamiento debido al paso de la corriente por la
resistencia RL de cableado del circuito de secundario del transformador.
Factores a tener en cuenta:
Corriente de secundario. PL = RL • I 2
Diámetro cable. RL es inversamente proporcional al cuadrado del
diámetro.
Longitud cable. RL es proporcional a la longitud de cableado (ida +
retorno)
Potencia de precisión:
La potencia nominal aparente (V·A), con un factor de potencia especifico, que el
transformador de corriente suministra al circuito secundario con la corriente
asignada cuando esté conectado a su carga nominal, Sc (V·A) = Zc • (Isn)2
Según normativa, para la potencia aparente mayor o igual a 5 V·A, el factor de
potencia es de 0,8 inductivo. Para potencias aparentes más pequeñas el factor de
potencia es la unidad.
La precisión de un transformador
La precisión de un transformador de protección es el tipo de error producido en el
transformador, se establece por la IEC 44-1.En los de protección, sólo al 100 % de
la potencia nominal.
Tipo +/- % Error para %In Desfase +/- para % In Error compuesto
5P +/- 1 +/- 60 minutos 5
10P +/- 3 10
Tabla 2. Precisión del transformador de medida.
Protecciones
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El transformador frente a la saturación
Un transformador de corriente está saturado cuando su corriente de primario o su
carga están por encima de sus valores nominales. La linealidad de la
transformación de corriente entre primario y secundario disminuye, de forma que
el error es elevado. Se puede observar como la saturación del transformador es
inversamente proporcional a la carga. (Fig. 29).
Figura 28.Curva de un transformador de medida de 30 VA
La diferencia entre los transformadores de corriente para medida o protección es
el comportamiento frente a la sobrecarga que se puede producir en el primario.
Los que se aplican en medida, a partir de una sobrecarga se saturan para no dañar
al equipo del secundario. En protección, no se saturan hasta una elevada corriente.
Un transformador de protección de clase 5P15 indica que no se satura hasta que
pase por el primario 15 veces la corriente nominal.
En los transformadores para medida el parámetro de FACTOR DE SEGURIDAD
(FS) nos indica el número de veces de corriente primaria que el transformador es
capaz de transferir a los equipos de medida.
Protecciones
54
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Para nuestro sistema eléctrico se han elegido transformadores de intensidad de la
marca Circutor modelo TRP, que es un transformador encapsulado en resina para
protección.
Las características técnicas son las siguiente:
Características técnicas
Corriente primaria 75...5000 A
Corriente secundaria 5 A
Tensión de aislamiento 3 kV
Clase térmica B
Corriente térmica de cortocircuito 60 In
Corriente dinámica 2,5 In
Bornes de secundario Precitables
Normas
IEC 60044-1, UNE-EN 60044-1
Tabla 3. Características técnicas del transformador
Como la intensidad en permanencia de nuestro generador son 5020 A, se ha
elegido el modelo TRP 180 con una relación de transformación 5000/5 A.
Protecciones
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A continuación se muestra una tabla de las dimensiones básicas, peso y clase del
transformador seleccionado.
Tipo TRP 180
Diametro interior 180
Pletina Barra pasante
Dimensiones 308x223x98
Clase 5P20
Código P50266
Peso 10.6 kg
Tabla 4. Dimensiones, peso, clase del transformadores TRP 180.
En la siguiente figura se pueden apreciar las dimensiones exactas del
transformador seleccionado para nuestro sistema eléctrico (TRP 180).
Figura 29. Dimensiones exactas de los transformadores TRP 140, TRP 180.
Protecciones
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Transformador de tensión
Para nuestro sistema eléctrico se han elegido transformadores de tensión de la
marca Circutor serie VT, que es un transformador de medida de tensión.
Estos transformadores son usados en líneas eléctricas de corriente alterna para
obtener una tensión en el secundario más baja que la de primario para poder ser
medida por un equipo electrónico
A continuación se muestra el catalogo Circutor serie VT, ofertan mas relaciones
de transformación de las que aparecen en este catalogo.
Como la tensión de nuestro generador son 690 V, se ha elegido el modelo
VT7011 con una relación de transformación 700/110 V y código M72381, para
los transformadores de medida de tensión necesarios para nuestro equipo de
protecciones.
El transformador de medida de tensión tiene las siguientes características:
Clase 1 de precisión
Potencia 25 V·A
A continuación se muestra un fotografía del transformador seleccionado.
Figura 30. Transformador de medida de tensión 700/110 V
Transformador y circuito de salida de potencia
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Capítulo 6 TRANSFORMADOR Y CIRCUITO DE
SALIDA DE POTENCIA
6.1 INTRODUCCIÓN AL TRANSFORMADOR
Para este tipo de aplicaciones se usan transformadores secos encapsulados.
Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío están diseñados a prueba
de humedad y son adecuados para funcionar en ambientes húmedos o muy
contaminados. Son los transformadores idóneos para funcionar en ambientes que
presenten una humedad superior al 95 % y en temperaturas por debajo de los
-25°C.
Son más accesibles para el usuario final, los transformadores secos pueden
instalarse cerca del lugar de utilización, lo que permite optimizar el diseño de
instalación reduciendo al máximo los circuitos de baja tensión, con el
consiguiente ahorro en pérdidas y conexiones de baja tensión.
6.2 VENTAJAS DEL TRANSFORMADOR SECO ENCAPSULADO
Los transformadores secos encapsulados presentan las siguientes ventajas:
1. Autoextinguibles.
En caso de fuego externo al transformador que afecte al mismo, éste arde con
mucha dificultad y con llama débil, la cual se extingue rápidamente al cesar el
foco productor.
Transformador y circuito de salida de potencia
58
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2. Inercia térmica elevada.
Debido a una mayor masa que sus equivalentes en líquido, su constante de tiempo
es muy superior, por lo que soporta mejor las sobrecargas de corta duración.
3. Compactos.
Al ser sus únicos elementos el circuito magnético, las bobinas y los elementos de
fijación, su diseño es muy compacto resultando un conjunto robusto y a prueba de
vibraciones. Esto hace que sean idóneos para ser instalados en material móvil.
4. Gran resistencia al cortocircuito.
Como consecuencia del encapsulado, que rodea a los conductores además de
unirlos fuertemente entre sí, la resistencia a los esfuerzos electrodinámicos
generados en un cortocircuito es muy alta.
Por otro lado al ser la densidad de corriente más baja que en los transformadores
con líquido, la temperatura máxima transitoria alcanzada en un cortocircuito es
muy inferior a los límites señalados en UNE 20101.
5. Mantenimiento reducido.
Solamente se requiere alguna limpieza del polvo en las superficies, si éste llegara
a producirse.
6. Facilidad de instalación.
Es suficiente una protección contra contactos, ya que no precisa foso de recogida
de líquido ni instalación en local hecho de obra.
Transformador y circuito de salida de potencia
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6.3 ELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR
Nuestro generador es de 5MW pero puede dar hasta 6MW de potencia en
permanencia, por lo que el transformador de tipo seco encapsulado debe cubrir
esos requisitos. El transformador debe pasar de baja tensión (690V) a media
tensión (20KV).
En catálogos a veces es difícil encontrar transformadores de potencias grandes, ya
que típicamente se hacen a medida del usuario. Se planteo conectar dos
transformadores en paralelo, algo que no es usual, dado que no es un equipo
excesivamente caro. Finalmente se decidió poner un único transformador,
poniéndose en contacto con los fabricantes, y que nos proporcionaran el precio y
dimensiones básicas.
Se ha considerado que la solución más rentable es montar un transformador de
6MW de la marca ABB.
Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío ABB cumple con las
necesidades de nuestro diseño ya que varían desde 50 kVA hasta 30 MVA con
tensiones de trabajo de hasta 52 kV.
Se ha seleccionado esta marca por su seguridad, eficacia y diseño respetuoso con
el medio ambiente y porque forman parte de miles de turbinas eólicas instaladas
por todo el mundo.
Transformador y circuito de salida de potencia
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6.4 PARTES DEL TRANSFORMADOR
Núcleo magnético
En el núcleo magnético se realizan las uniones con capas escalonadas para
garantizar un rendimiento óptimo y unos niveles de ruido mínimos. El acero
magnético se corta a lo largo, de forma secuencial y se escalona automáticamente,
garantizando la precisión dimensional y el entrelazado de láminas perfecto de
todo el escalonamiento.
Figura 31. Núcleo magnético del transformador
Devanado de alta tensión
El devanado de alta tensión consta de un disco descendente continuo con
conductor de cinta de aluminio y aislamiento de doble capa. Los devanados están
colados al vacío con resina epoxi. Se han llevado a cabo pruebas de análisis en
régimen transitorio para verificar la distribución del esfuerzo eléctrico a través de
los devanados confirmando una buena resistencia.
Transformador y circuito de salida de potencia
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Figura 32. Devanado de alta tensión del transformador
Devanado de baja tensión
Los devanados de baja tensión están hechos de banda de aluminio y de una banda
aislante previamente impregnada con resina. Después del proceso de devanado la
bobina se endurece en un horno y como consecuencia se obtiene un devanado
extremadamente compacto, capaz de resistir los esfuerzos dinámicos que produce
un cortocircuito.
Transformador y circuito de salida de potencia
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Figura 33. Devanados de bajas tensión del transformador
Encapsulado
El proceso de encapsulado es una operación fundamental en el procedimiento de
fabricación y deberá realizarse y controlarse en las condiciones más estrictas a fin
de garantizar un aislamiento y características mecánicas óptimas. Por un lado, los
devanados se colocan en un horno de precalentamiento y se mantienen dentro
hasta que la temperatura del molde alcanza la temperatura de encapsulado. Por
otro lado, la mezcla de resina se prepara en una planta de mezcla continua. Los
componentes se mezclan juntos justo antes del proceso de encapsulado. En el paso
siguiente, las bobinas precalentadas pasan a la cámara de colada al vacío. Una vez
que se ha alcanzado el vacío en la cámara, la resina se vierte en los moldes. Los
componentes se mezclan juntos justo antes del proceso de encapsulado. De esta
forma, la viscosidad de la mezcla de resina cuando se vierte en los moldes, es muy
baja, llenando los espacios y permitiendo alcanzar el nivel más bajo de descargas
parciales. Tras finalizar el proceso de colado las bobinas se colocan en el horno de
endurecimiento a fin de que el gel resinoso se seque y endurezca obteniendo de
esta forma sus propiedades finales.
Transformador y circuito de salida de potencia
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6.5 CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR
Transformador de tipo seco ABB
Potencia 6 MW
Grado de protección IP 00
Tensión máxima 24 KV
Pérdidas en vacío (Po) 14000 W
Pérdidas de carga (Pk) 75ºC 42000 W
Pérdidas de carga (Pk) 120ºC 46000W
Impedancia en cortocircuito 6 %
Nivel de potencia sonora (LWA) 90 dB
Longitud (A) 2700 mm
Anchura (B) 1500 mmm
Altura (H) 3400 mm
Peso 11400 Kg
Distancia entre ruedas (E) 1350 mm
Diámetro de las ruedas 250 mm
Anchura de las ruedas (G) 80 mm
Tabla 5.Caraterísticas del transformador
Transformador y circuito de salida de potencia
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Figura 34. Dibujo acotado del transformador de tipo seco encapsulado.
Transformador y circuito de salida de potencia
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6.6 CIRCUITO DE SALIDA DE POTENCIA
Se ha elegido una celda compacta que incluye tres funciones: dos posiciones de
línea con interruptor y una posición de protección a la derecha con interruptor y
fusibles.
La celda consta de tres partes:
Base y frente
Mando
Cuba
Figura 35. Celda compacta del circuito de salida del transformador
Transformador y circuito de salida de potencia
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Se a elegido una celda compacta de la marca Ormazabal, moldelo CGC-24, cuyas
caracteríticas se muestran en la siguiente tabla.
Marca Ormazabal
Modelo CGC-24
Tensión asignada 24 kV
Intensidad asignada 400 A
Ancho 1220 mm
Alto 1800 mm
Fondo 850 mm
Peso 405 kg
Tabla 6. Características de la celda de salida del transformador
Para más información sobre el equipo consultar el catalogo anexo en el capítulo 9.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Capítulo 7 CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE
ORIENTACIÓN, PASO Y FRENADO
7.1 INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE ORIENTACIÓN
La turbina eólica tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al
viento. Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía
del viento pasará a través del área del rotor.
Casi todos los aerogeneradores de eje horizontal emplean orientación forzada, es
decir, utilizan un mecanismo que mantiene la turbina orientada en contra del
viento mediante motores eléctricos, multiplicadores y frenos.
El aerogenerador se puede orientar mediante unos motores eléctricos que actúan
al recibir información de la dirección del viento por medio de una veleta. Este
procedimiento es adecuado para aerogeneradores grandes, por ello en este
proyecto se ha elegido este sistema de orientación. Para poder vencer los
esfuerzos a los que está sometido el sistema de orientación del aerogenerador
serán necesarios 8 motores de orientación que accionaran a través de una
reductora, la rueda que engrana con la corona de orientación.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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En la siguiente figura se pueden apreciar cuatro de los ocho motores y la rueda
reductora del sistema de orientación.
Figura 36. Sistema de orientación
La velocidad con la que tiene que ser capaz de realizar esta orientación es de
1º/seg, es decir, completar una vuelta en 6 minutos.
En las turbinas eólicas grandes, es necesario un mecanismo que posicione la
turbina enfrente al viento. Este movimiento circular, se consigue con unos
motores y reductores fijos a la góndola, y engranando en un dentado de la parte
superior de la torre, llamada corona de orientación. La señal de posicionamiento
correcta la recibe del controlador de la turbina, con las lecturas de la veleta y
anemómetro instaladas en cada turbina. Estos motores llevan acoplada una
reductora de velocidad que en tiene una relación de transmisión a través de la cual
transmiten el par a la corona de orientación. En total se dispone de 8 motores
colocados sobre el soporte del cojinete y que son los encargados de realizar los
giros de orientación de todo el conjunto de la góndola con sus componentes.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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7.2 SISTEMA DE ORIENTACIÓN
Directamente fijado sobre el extremo superior de la torre se encuentra el cojinete
de orientación, que posee una corona dentada en su parte superior. El cojinete de
orientación permite el giro y la orientación del aerogenerador. En la corona
dentada hay dispuestos 8 dispositivos (motores de orientación) que orienta la
góndola hacia el viento. Además, el peso de la góndola también se transfiere a la
torre mediante este cojinete de orientación. El soporte principal se encuentra
ensamblado directamente al cojinete de orientación.
Tiene instalado en la parte superior de la góndola un equipo de medición del
viento. El equipo consta de una veleta que determina continuamente la dirección
del viento, y un anemómetro que mide la velocidad del mismo.
El sistema de orientación de la góndola se pone en marcha por debajo de la
velocidad de arranque de 2,5 m/s. Incluso cuando el aerogenerador se desconecta,
por ejemplo debido a velocidades de viento demasiado altas, sigue orientándose
hacia el viento. Este ángulo y el periodo de medición dependen de la velocidad
del viento y de la potencia del aerogenerador.
El procedimiento de orientación correspondiente se determina en función del
numero de vueltas que ha dado el motor y de que el tiempo requerido para esta
operación sea admisible. Si el sistema de control detecta irregularidades en la
orientación de la góndola o en el desenrollado de los cables, se detendrá el
aerogenerador.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Elección de los motores
Se han elegido ocho motores de la marca Bonfiglioli modelo 716 T4 Spezial,
cuyas características se recogen en la siguiente tabla.
716 T4W Bonfiglioli
Potencia 5.5kW
Par nominal 70.000 Nm
Par máximo 140.000 Nm
Reducción de engranaje i = 1,281
Peso 1200 kg
Tabla 7. Características de los motores del sistema de orientación
Los motores del sistema de orientación se alimentaran a una tensión de 380 V, por
lo que la corriente que circulara por cada uno de ellos será de 14,47 A.
Figura 37. Dos de los ocho motores del sistema de orientación
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Desenrollado de los cables de potencia y de control
Los cables de control y de potencia que se encuentran en la torre se conducen
desde la góndola por medio de una polea de reenvió y discurren sujetos a la pared
de la torre. Los cables tienen suficiente capacidad de movimiento como para
permitir que la góndola pueda girar varias veces alrededor de su propio eje en el
mismo sentido. De este modo los cables se van enrollando poco a poco. El sistema
de control se encargará de volver a desenrollarlos.
Cuando los cables han dado entre dos y tres vueltas, el sistema de control
empleará el siguiente periodo con viento débil para volver a desenrollarlos. Si las
condiciones del viento han aplazado esta operación y el cable se ha enrollado mas
de tres vueltas, el aerogenerador se detendrá para desenrollar el cable,
independientemente de la velocidad del viento. El proceso de desenrollado de
cables dura una media hora aproximadamente. Una vez que el cable se ha
desenrollado, el aerogenerador retoma de nuevo el funcionamiento.
El sistema de sensores que registra el enrollado de los cables se encuentra en el
llamado interruptor cuentavueltas. El sensor está conectado a la corona dentada de
orientación a través de una rueda dentada que engrana en la misma, y un
engranaje. Este sensor transmite las modificaciones de la orientación de la
góndola al sistema de control.
El dispositivo incluye dos interruptores de fin de carrera, uno a la derecha y otro a
la izquierda, que detectan si se sobrepasa el margen de ajuste admisible en una u
otra dirección (interruptor de fin de carrera cuentavueltas derecho o izquierdo). De
este modo, se evita que los cables de la torre sigan enrollándose. En este caso, el
aerogenerador se detiene y no puede volver a arrancar automáticamente.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Figura 38. Procedimientos de orientación
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Protección de los motores
En primer lugar los motores cuentan con un seccionador.
También cuentan con protecciones ante las siguientes condiciones adversas:
Condición adversa : sobrecorriente
Efectos: Corrientes excesiva en el circuito provocan sobrecalentamiento y
deterioro en la vida útil del motor.
Protección: Relé de sobrecorriente para dar una alarma o desconectar el
motor de la fuente, hasta que las condiciones vuelvan a la normalidad.
Condición adversa : sobrecarga
Efectos: Esta condición ocurre cuando el motor no tiene la capacidad para
mover la carga conectada. Esto causa un calor excesivo en el motor, lo
cual induce un deterioro en la vida útil del motor y/o que el motor se
queme.
Protección: Relé sobrecarga para desconectar el motor de la fuente.
También cuenta con contactores que conforman el sistema eléctrico.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Figura 39. Protección de los motores del sistema orientación
Conexión de los motores
Los motores están conectados a la unidad de control que está situada en la
góndola. Los motores se alimentan a 380V, a la base del aerogenerador llegan
20kV que suben hasta la góndola donde hay un transformador de relación de
transformación 20kV/380V. Por tanto hacen falta dos tipos de cables para
alimentar los motores de orientación. Unos de media tensión que tienen que ser
bastante flexibles ya que se pueden enrollar dando un par de vueltas alrededor del
eje, y que tendrán una longitud aproximada de 130 metros. Otros que serán de
baja tensión que tendrán una longitud aproximada de 20 metros.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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7.3 SISTEMA DE PASO
El sistema de paso seleccionado para nuestro aerogenerador es paso de pala
variable.
Los sistemas de regulación por cambio del ángulo de paso de la pala, también
denominados de paso variable, tienen la posibilidad de girar las palas a lo largo de
su eje longitudinal para controlar la potencia según las condiciones del viento,
maximizando la eficiencia aerodinámica del rotor.
Este sistema permite una extracción de potencia nominal para velocidades de
viento superiores a la nominal, permitiendo además contar con un sistema de
seguridad contra vientos con alta velocidad. Como inconvenientes es necesario
reseñar que requieren un diseño de buje más complicado y la incorporación de
actuadores mecánicos, hidráulicos o electrónicos con suficiente potencia para
mover las palas.
En este proyecto se va a utilizar un sistema de cambio de paso variable mediante
motores eléctricos cuyo inconveniente es que deben disponer de autonomía en el
caso de desconexiones súbitas. Para ello dispondrán de una batería de emergencia
o de un pequeño generador de continua en el eje de alta que conecte éste al
servomotor de modo que se puedan llevar las palas hasta el ángulo de parada (90º)
hasta que el rotor pierda totalmente su velocidad.
El sistema contara con un motor por cada pala de 38 kW, por lo que serán
necesarios tres motores eléctricos para el sistema de paso.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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A continuación se muestran las especificaciones de cada uno de los motores de la
marca Lust que se van a instalar.
711 T3F Bonfiglioli
Potencia 38 Kw
Rampa de aceleración 0.2 s
Precisión de posicionamiento 1/1000 º
Tabla 8. Especificaciones de los motores de paso
La potencia de los motores de paso es considerablemente superior a la potencia de
los motores de orientación y esto es debido a que el sistema de paso tiene que
realizar movimientos más rápidos.
Los motores del sistema de paso se alimentaran a una tensión de 380 V, por lo que
la corriente que circulara por cada uno de ellos será de 100 A.
Figura 40.Motores eléctricos del sistema de paso
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Protecciones
En primer lugar los motores cuentan con un seccionador.
También cuentan con protecciones ante las siguientes condiciones adversas:
Condición adversa : sobrecorriente
Efectos: Corrientes excesiva en el circuito provocan sobrecalentamiento y
deterioro en la vida útil del motor.
Protección: Relé de sobrecorriente para dar una alarma o desconectar el
motor de la fuente, hasta que las condiciones vuelvan a la normalidad.
Condición adversa : sobrecarga
Efectos: Esta condición ocurre cuando el motor no tiene la capacidad para
mover la carga conectada. Esto causa un calor excesivo en el motor, lo
cual induce un deterioro en la vida útil del motor y/o que el motor se
queme.
Protección: Relé sobrecarga para desconectar el motor de la fuente.
También cuenta con contactores que conforman el sistema eléctrico.
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Figura 41. Protecciones de los motores del sistema de paso.
Conexión de los motores
Los motores están conectados a la unidad de control que está situada en la
góndola. Los motores se alimentan a 380V, a la base del aerogenerador llegan
20kV que suben hasta la góndola donde hay un transformador de relación de
transformación 20kV/380V. Por tanto hacen falta dos tipos de cables para
alimentar los motores de orientación. Unos de media tensión que tienen que ser
bastante flexibles ya que se pueden enrollar dando un par de vueltas alrededor del
eje, y que tendrán una longitud aproximada de 130 metros. Otros que serán de
baja tensión que tendrán una longitud aproximada de 20 metros.
El único problema que se plantea en la conexión de estos motores es que giran
con la pala y necesitan un sistema de conexión especial para que no se enrollen
los cables. Hay una pieza que gira solidaria con el motor, que permite hacer
contacto a dos cables, uno va del motor hasta dicha pieza y el otro de dicha pieza
hasta la unidad de control.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Control activo del paso de palas
Respecto a los sistemas de regulación activos, los hay de varios tipos, todos ellos
basados en la utilización de un sistema de control basado en ordenador o PLC.
Actualmente los sistemas de cambio de paso más utilizados son los hidráulicos y
los eléctricos.
Mediante el ordenador se puede determinar el estado de operación del
aerogenerador, y las acciones a tomar a partir de ese momento. El sistema de
control electrónico recibe mediante sensores que monitorizan las variables más
importantes como son la velocidad del viento, las revoluciones por minuto del eje,
las vibraciones que puedan aparecer, la potencia generada, el ángulo de paso de la
pala, etc. A partir de estas entradas, el ángulo de paso de la pala óptimo se
obtendrá mediante un algoritmo grabado en el sistema de control basado en un
regulador tipo PI (proporcional-integral), a partir del cual se envía una orden
adecuada a los actuadores. Esta técnica controla las vueltas del rotor en todo el
rango de operación.
En los sistemas diseñados para conservar la velocidad específica, también
denominados de velocidad variable, logran que el valor de la velocidad del rotor
sea óptima para cada velocidad del viento. Por tanto, son capaces de extraer
siempre la máxima potencia, hecho importante sobre todo a velocidades de viento
bajas (donde más horas de producción suele haber). Al poder ajustar dos
parámetros de la turbina (velocidad de giro y paso de palas) pueden trabajar con
rendimientos aerodinámicos mayores.
La limitación de la potencia captada por una turbina eólica se produce porque sus
palas funcionan en un punto donde sus eficiencias aerodinámicas son menores.
Esto se puede hacer aumentando o disminuyendo el paso de palas respecto a su
valor óptimo.
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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Figura 42. Comparación de la regulación del paso de palas variable y con paso de palas fijo.
7.4 SISTEMA DE FRENADO
El aerogenerador dispone de un sistema de frenado:
El sistema de frenado está basado en un freno mecánico de disco colocado en el
eje lento. El disco de freno está atornillado directamente al buje. Las cinco pinzas
de freno, de tipo directo reciben la presión de actuación de un cilindro hidráulico
ejerciendo así la fuerza de frenado sobre el disco. Un acumulador de presión
cargado por la central hidráulica es suficiente para garantizar varias operaciones
de frenado, incluso considerando el estado de desgaste de las pastillas de freno, y
de mantener la presión de frenado durante largos períodos de tiempo. La presión
se aplica directamente a las pastillas de freno. El sistema de frenado secundario no
está diseñado para parar el rotor por sí solo, sino conjuntamente con el sistema de
frenado principal. En condiciones extremas supone una mejora de la seguridad
dado que su actuación es más rápida que la del freno principal, provocando una
disminución de revoluciones del rotor antes que los frenos aerodinámicos
Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado
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empiecen a ser efectivos en casos de pérdida de carga. El tiempo de actuación del
freno de disco está limitado a fin de limitar la temperatura en las pastillas y el
freno de disco. Únicamente en el caso de que durante una operación de frenado
ordenada por el sistema de control se supere el tiempo máximo permitido y el
rotor siga girando, el sistema de control interrumpe la actuación del freno y el
aerogenerador se desorienta 90 grados. Después de un tiempo prefijado que
permite el descenso de temperatura de las pastillas y el freno de disco el control
da orden de frenado por segunda vez manteniendo la vigilancia de los límites de
temperatura.
El sistema de paso también puede hacer de freno, cambiando el ángulo de paso de
las palas para que estas entren en perdida y el aerogenerador se frene.
Cableado
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Capítulo 8 CABLEADO
8.1 GENERADOR - CONVERTIDOR - TRANSFORMADOR DE
DISTRIBUCIÓN
El cableado del generador al convertidor y del convertidor al transformador de
distribución deberá soportar 5020 A.
Para este tramo de la instalación eléctrica se ha elegido cable de marca Prysmiam,
modelo Retenax Valio, cuyas características son las siguientes.
Marca Prysmiam
Modelo Retenax Valio
Aislante xlpe
Temperatura máxima
del conductor
90º en servicio continuo
250º en cortocircuito
Conductor Cobre
Sección 400 milímetros cuadrados
Disposición Tres cables unipolares en horizontal
Corriente admisible 600 A
Tabla 9. Características del cable generador-convertidor-transformador
Para más detalles consultar el catalogo anexo en el capítulo 9 .
Cableado
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Modos de instalación y corrientes admisibles
Modo de instalación:
Cables unipolares instalados al aire libre en contacto mutuo, sobre una bandeja
perforada o bandeja tipo escalera, separados de la pared una distancia superior al
diámetro del cable.
Cuando las condiciones de la instalación sean distintas a las utilizadas como
referencia para la confección de la tabla habrá que usar factores de corrección:
Factor por temperatura
La temperatura en la góndola puede llegar a los 60º.
K= 0.77
Factor de corrección por agrupamiento
El calentamiento mutuo de los cables, cuando un solo circuito tenga más
de una terna en paralelo.
K=0.79
A la corriente admisible hay que aplicarle los factores de corrección tanto de el de
temperatura como el de agrupamiento.
Debido a las condiciones de la instalación la intensidad máxima admitida es de
600A.
Cableado
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Como la corriente a soportar son 5020 A se pondrán nueve cables de este tipo en
paralelo.
Se estima que harán falta 25 m de cable por fase. Como hay que instalar 9 cables
en paralelo por fase se necesitaran 675 m de este tipo de cable.
Cableado
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8.2 TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN - BASE DEL
AEROGENERADOR
Una vez que se ha pasado a media tensión la corriente que debe soportar el cable
es de 5020 A*690 V/20.000 V = 173,19 A.
Para este tramo de la instalación eléctrica se ha elegido cable de marca Prysmiam,
modelo Retenax MT cuyas características son las que se muestran a continuación.
Marca Prysmiam
Modelo Retenax MT
Tensión 33 kV
Aislante XLPE
Temperatura máxima
del conductor
90º en servicio continuo
250º en cortocircuito
Conductor Cobre
Sección 70 milímetros cuadrados
Corriente admisible 211 A
Tabla 10.Características del cable de distribución.
Para más detalles consultar el catalogo anexo en el capítulo 9.
Cableado
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Cálculo de la capacidad de un cable
Se encara el problema del diseño térmico de un cable igualando el calor generado
por las pérdidas del cable con el disipado a través de las resistencias térmicas a
causa de la diferencia de temperatura entre los conductores y el medio ambiente.
Suponiendo que el calor viene generado exclusivamente por las pérdidas debidas
al efecto Joule en los conductores, resulta:
donde Rt es la resistencia de cada conductor a la temperatura de servicio y n el
número de conductores activos.
Por otro lado, el calor disipado a consecuencia del salto térmico, , existente entre
los conductores y el medio ambiente será, como se ha indicado:
Igualando el calor generado con el disipado:
Aislante XLPE:
Conductor de cobre sección 50mm2:
La temperatura máxima del conductor son 90 ºC por lo que
La intensidad máxima admisible es de 245 A.
Cableado
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Modos de instalación y corrientes admisibles
Modo de instalación:
Cables trifásicos o ternas de cables unipolares tendidos sobre soportes, con
separación de cables igual a un diámetro d.
Cuando las condiciones de la instalación sean distintas a las utilizadas como
referencia para la confección de la tabla habrá que usar factores de corrección:
Factor por temperatura
La temperatura en la góndola puede llegar a los 60º.
K= 0.77
Factor de corrección por agrupamiento
K=0.9
A la corriente admisible hay que aplicarle los factores de corrección tanto de el de
temperatura como el de agrupamiento.
Debido a las condiciones de la instalación la intensidad máxima admitida es de
169,78A, que es menor que 173,19 por lo que es necesario aumentar la sección.
Cableado
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Aislante XLPE:
Conductor de cobre sección 70mm2:
La temperatura máxima del conductor son 90 ºC por lo que
La intensidad máxima admisible es de 305 A.
Aplicando los factores de corrección:
Debido a las condiciones de la instalación la intensidad máxima admitida es de
211.36 A, que es menor que 173.19 A por lo que la sección es válida.
En este proyecto solo se tiene en cuenta el cableado hasta la base del
aerogenerador, por lo que de este tipo de cable se necesitaran 130 m por fase, lo
que hace un total de 390 m.
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8.3 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DEL SISTEMA DE
ORIENTACIÓN
El cableado de los ocho motores de orientación deberán soportar
5.5kW/380V = 14,47 A.
Para el cableado del sistema de orientación se ha elegido cable de marca
Prysmiam, modelo Superastic Flex cuyas características son las que se muestran a
continuación.
Marca Prysmiam
Modelo Superastic Flex
Aislante PVC
Temperatura máxima
del conductor
70º en servicio continuo
160º en cortocircuito
Conductor Cobre
Sección 6 milímetros cuadrados
Corriente admisible 20.52 A
Tabla 11. Características del cable del sistema de orientación.
Para más detalles consultar el catalogo anexo en el capítulo 9.
A priori elegimos un cable de 4mm que soporta una corriente de 28 A.
Cableado
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INGENIERO INDUSTRIAL
A estos cables solo les tenemos que aplicar el factor por temperatura para ver la
verdadera intensidad que soportan.
Factor por temperatura
La temperatura en la góndola puede llegar a los 60º.
K= 0.57
Aplicamos el factor de corrección al cable de 4mm2.
Este cable aguanta un intensidad de 14.96A, y debe soportar una intensidad de
14.47 A, está demasiado justo por lo que debemos aumentar la sección.
Probamos con un sección de 6mm2 que soporta 32 A. Aplicamos el factor por
temperatura.
Este cable aguanta un intensidad de 20.52A, y debe soportar una intensidad de
14.47 A por lo que nos sirve para esta aplicación.
Los motores se alimentan a baja tensión (380V), este tipo de cables irá desde
cada uno de los motores a un transformador situado en la góndola con una
relación de transformación 20kV/380V. Por ello se estima que harán falta unos
20 metros de cable por motor, lo que hace un total de 160 m de este tipo de cable.
Cableado
91
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INGENIERO INDUSTRIAL
8.4 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DEL SISTEMA DE PASO
El cableado de cada uno de los motores del sistema de paso deberá soportar una
intensidad de 38kW/380V = 100 A.
Para el cableado del sistema de paso se ha elegido cable de marca Prysmiam,
modelo Superastic Flex cuyas características son las que se muestran a
continuación.
Marca Prysmiam
Modelo Superastic Flex
Aislante PVC
Temperatura máxima
del conductor
70º en servicio continuo
160º en cortocircuito
Conductor Cobre
Sección 95 milímetros cuadrados
Corriente admisible 115.14 A
Tabla 12. Características del cable del sistema de paso
Para más detalles consultar el catalogo anexo en el capítulo 9.
A priori elegimos un cable de 50mm que soporta una corriente de 131 A.
A estos cables solo les tenemos que aplicar el factor por temperatura para ver la
verdadera intensidad que soportan.
Cableado
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INGENIERO INDUSTRIAL
Factor por temperatura
La temperatura en la góndola puede llegar a los 60º.
K= 0.57
Aplicamos el factor de corrección al cable de 4mm2.
Este cable aguanta un intensidad de 74.67 A, y debe soportar una intensidad de
100 A por lo que debemos aumentar la sección.
Probamos con un sección de 95mm2 que soporta 202 A. Aplicamos el factor por
temperatura.
Este cable aguanta un intensidad de 115.14A, y debe soportar una intensidad de
100 A por lo que nos sirve para esta aplicación.
Los motores se alimentan a baja tensión (380V), este tipo de cables irá desde
cada uno de los motores a un transformador situado en la góndola con una
relación de transformación 20kV/380V. Por ello se estima que harán falta unos
30 metros de cable por motor, lo que hace un total de 90 m de este tipo de cable.
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Capítulo 9 ANEXOS
En este capítulo se podrán ver los catálogos de los aparatos elegidos para el
sistema eléctrico de este proyecto.
Anexos
94
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catálogo del Convertidor
Anexos
95
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
96
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
97
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
98
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo del Sistema de protecciones
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
100
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
101
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
102
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
103
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
104
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo de los Transformadores de medida de intensidad
Anexos
105
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
106
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
107
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
108
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
109
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo de los Transformadores de medida de tensión
Anexos
110
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo del Transformador de distribución
Anexos
111
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
112
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo de los motores del sistema de orientación (yaw) y paso (pitch)
Anexos
113
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
114
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
115
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo de cables de baja tensión
Anexos
116
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo de cables de media tensión
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Anexos
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INGENIERO INDUSTRIAL
Catalogo de cable para los motores de los sistemas de paso y orientación
Anexos
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Anexos
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Catalogo de celdas de salida del transformador
Anexos
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Bibliografía
138
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INGENIERO INDUSTRIAL
BIBLIOGRAFÍA
[1] Catálogo 5M
[2] CPES. Power Electronic Converters for Advanced Electric Power Systems.
Dushan Boroyevich
[3] Verteco Ltd. Advanced MW-class Wind Turbine Converter Technology.
R.Takala
[4] Wind energy handbook
Tony Burton; David Sharpe; Nick Jenkins; Ervin Bossanyi. 2001
[5] Óscar Martínez Oterino, “Protecciones en generadores”, Apuntes de la
asignatura de Protecciones eléctricas de la Escuela Técnica Superior
de Ingeniería ICAI, 2010.
[6] Medium Voltage Converter for Permanent Magnet Wind Power Generators up to
5 MW. Alexander Faulstich, Jürgen K. Steinke, Fritz Wittwer
[7] Full-Scale Medium-Voltage Converters for Wind Power Generators up to 7MVA
Philippe Maibach, Alexander Faulstich, Markus Eichler, Stephen Dewar.
[8] Alstom 5 MW Permanent Magnet Offshore Wind Energy Converter.
Dr. Georg Möhlenkamp.
[9] Diseño de aerogeneradores.
Manuel Leal Rubio. Aitor Domínguez Martin. Álvaro León Reneses. Agustín
Marcos Barrio. Alfonso Arbeteta Durán. Emilio Lechosa Urquijo
[10] Enercon. Descripción técnica E-82.
[11] Catálogo Circutor. Transformadores de protección.
[12] Catálogo Circutor. Relés y transformadores de protección.
[13] IEM. Transformadores de distribución de alta eficiencia.
[14] ABB. Transformadores de distribución. Tipo seco encapsulado al vacío.
[15] Alkargo. Transformadores secos encapsulados.
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INGENIERO INDUSTRIAL
[16] ABB. Dry-type transformers. RESIBLOC. Transformer technology reducing
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[17] General Electrics.G60 Generator Protection System. UR Series Instruction
Manual.
[18] Fanox. Protección y control
[19] Bonfiglioli. Yaw and Pitch Drive solutions. August/September 2010
Fabio Campana. Roberto Lambruschi.
[20] Prysiam. Cables para redes de Media Tensión Catálogo General.
[21] Prysiam. Cables para redes de Media Tensión Catálogo General.
[22] Situación española en el mercado eólico
www.aeeolica.com
[23] Sistemas de orientación.
http://www.suzlon.de/english/seiten/azimut_s.html
Bibliografía
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INGENIERO INDUSTRIAL
Parte II PRESUPUESTO
Presupuesto
141
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INGENIERO INDUSTRIAL
Capítulo 1 PRESUPUESTO
En este capítulo se va a calcular el presupuesto del sistema eléctrico de este
proyecto.
Mediciones y precios unitarios
Componente Nº de
unidades
Precio unidad
Convertidor ABB
ACS800-77LC 3.1MW
2
230.000 €
Sistema de protecciones
G60 de General Electrics
3
4.500 €
Transformadores de
medida de intensidad
12
738 €
Transformadores de
medida de tensión
12
385 €
Transformador ABB
6 MW
1
253.455 €
Circuito de salida de
potencia
3
3.675€
Motores del sistema de
orientación 5.5 Kw
8
2.300 €
Presupuesto
142
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INGENIERO INDUSTRIAL
Motores del sistema de
paso 38 Kw
3
7200 €
Componente Metros
necesarios
Total metros
necesarios
€/km
Prysmiam
Retenax Valio
5x3x25 m 375 m 186.356 €/km
Prysmiam
Retenax MT
3x130 m 390 m 45.972 €/km
Prysmiam
Superastic Flex
4mm2
8x20 m 160 m 2.622 €/km
Prysmiam
Superastic Flex
50mm2
3x30 m 60 m 25.290 €/km
Tabla 13.Mediciones y precios unitarios
Presupuesto
143
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INGENIERO INDUSTRIAL
Sumas parciales
Componente Nº de
unidades
Precio unidad Precio total
Convertidor ABB
ACS800-77LC 3.1MW
2
230.000 €
460.000 €
Sistema de protecciones
G60 de General Electrics
3
4.500 €
13.500 €
Transformadores de
medida de intensidad
12
738 €
8.856€
Transformadores de
medida de tensión
12
385 €
4620 €
Transformador ABB
6 MW
1
253.455 €
253.455 €
Circuito de salida de
potencia
3
3.675€
11.025€
Motores del sistema de
orientación 5.5 Kw
8
2.300 €
18.400 €
Motores del sistema de
paso 38 Kw
3
7200 €
21.600 €
Componente Metros
necesarios
€/km Precio Total
Prysmiam
Retenax Valio
375 m
186.356 €/km
69.883 €
Presupuesto
144
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INGENIERO INDUSTRIAL
Prysmiam
Retenax MT
390 m 45.972 €/km 17.929 €
Prysmiam
Superastic Flex (6mm2)
160 m 2.622 €/km 420 €
Prysmiam
Superastic Flex (95mm2)
90 m 25.290 €/km 2.276 €
Tabla 14. Sumas parciales
El presupuesto del equipo sistema eléctrico de este proyecto alcanza los
881.964 €.
Presupuesto
145
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Presupuesto General
Fabricación y mano de obra
Se estima que son 6 operarios, trabajando un mes y medio, a 35€/h.
40h/sem*6sem*35€/h = 50.400 €
Ingeniería
Los gastos de ingeniería son de un año y un par de de meses ( unas 2000
horas), a 43 €/h.
2000h*43 €/h = 86.000 €
Costes indirectos
Alrededor de 7 %.
0.07*881.964 =61.684 €
Gastos generales
Alrededor de 13 %.
0.13*881.964 = 114.556 €
Precio de venta
1.194.604/0.94 = 1.270.048 €
Beneficio
Alrededor de 6 %.
0.06 *1.270.048 = 76.202 €
Presupuesto
146
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INGENIERO INDUSTRIAL
Componente Precio total
Coste del equipo 881.964 €
Fabricación y mano de obra 50.400 €
Ingeniería 86.000 €
Costes indirectos 61.684 €
Gastos generales 114.556 €
Total 1.194.604 €
Precio de venta 1.270.048 €
Beneficio 76.202 €
Tabla 15. Presupuesto general
147
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INGENIERO INDUSTRIAL
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INGENIERO INDUSTRIAL
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INGENIERO INDUSTRIAL
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