Grupos electrógenos

Introducción a los grupos electrógenos

Un grupo electrógeno es un conjunto de máquinas rotativas, en la que un motor de combustión acciona un generador de energía eléctrica, por acoplamiento mecánico de ambas a través de sus ejes. De este modo, se transforma la energía térmica procedente del combustible en energía mecánica en forma de giro del eje, y a su vez en energía eléctrica.

Los elementos principales de un grupo electrógeno se indican en la figura 1 y son los siguientes:

• Motor de combustión interna
• Sistema de arranque
• Alternador: pueden ser síncronos, sin escobillas, autoexcitados y autoregulados, etc.
• Sistema de refrigeración: normalmente son con radiador-ventilador
• Escape de gases de combustión
• Almacenamiento de combustible
• Unidad de transferencia

En la figura 2, se detalla algo más cada uno de los elementos que componen un grupo electrógeno.

1. Panel de control
2. Placa de datos montada en generador (situado en la parte posterior de la figura)
3. Filtros de aire
4. Soporte de baterías y baterías (situado en la parte posterior de la figura)
5. Motor/es de arranque (situado en la parte posterior de la figura)
6. Alternador (situado en la parte posterior de la figura)
7. Bomba de combustible (situada en la parte posterior de la figura)
8. Turbo
9. Radiador
10. Guarda del ventilador
11. Motor de combustión interna
12. Cárter
13. Bomba para drenar el aceite del cárter
14. Base estructural
15. Amortiguador
16. Generador
17. Interruptor
18. Regulador de tensión automático ó AVR (situado en la parte posterior de la figura)

Clasificación de los grupos electrógenos

Se pueden clasificar los grupos electrógenos según distintos criterios. Sin embargo, vamos a describir únicamente los tipos de clasificación imprescindibles para poder entender sus posibles usos y así permitir una selección adecuada de acuerdo a su funcionalidad.

Según el tipo de combustible empleado

• Con motor a gas (GLP o natural)
• Con motor a gasolina
• Con motor diésel
• Sistema bifuel (diesel/gas)

Según el tipo de instalación

• Estacionaria o fija: permanentemente instalados
• Transportable: no están permanentemente instalados o son móviles
• Móvil: grupos cuyo chasis tiene ruedas para ser movidos directamente
• Marina: ubicados en embarcaciones o en plataformas marinas

Según el tipo de aplicación

• Suministro de emergencia
• Suministro continuo

Según el tipo de operación

• Manual
  • Arranque manual del motor (orden local o remota)
  • Importante monitorizar y regular la caída de tensión y velocidad. Se hace manualmente
  • La parada se hace dando orden de parada sin más
  • No hay unidad de transferencia de carga
• Semiautomática
  • Arranque automático basado en microprocesador
  • Tiene todas las ventajas de grupo automático (protecciones, mediciones, operación)
  • No hay unidad de transferencia de carga
• Automática (Automatic Transfer Switch)
  • Control basado en microprocesador para el arranque, operación, protección y supervisión
  • La regulación (tensión y velocidad) se hace automáticamente en función del régimen de carga
  • Varias configuraciones básicas según su uso: un generador acoplado en paralelo con la red, varios generadores sin carga/descarga automática, varios generadores con carga/descarga automática
• Automática (sincronía cerrada o peak shaving/sincronía abierta)
  • Sincronía abierta: solo hay interrupción de suministro a las cargas en la transferencia de cargas. Ante un fallo de red, la retransferencia de carga se hace de forma controlada, sincronizando ambas fuentes y conectándolas en paralelo por un tiempo predeterminado
  • Sincronía cerrada o peak shaving: en horas punta de facturación, el grupo se hace cargo de parte de las cargas y se desconecta de la red. Transcurrido el tiempo programado de hora punta, se hace el proceso inverso. No hay corte de energía

Es interesante conocer cómo puede llegar a ser la secuncia típica de puesta en servicio de un grupo electrógeno. En la figura 3 se ilustra el arranque típico hasta alcanzar la velocidad de régimen permanente.

Descripción de los elementos principales

Motor de combustión

Normalmente el motor es de ciclo diésel de encendido por compresión. Algunas firmas muy usadas en grupos de grandes potencias son: Iveco, Lombardini, Deutz, Hatz, Man, Perkins, John Deere, Volvo, Cummins, Yanmar, etc.

El sistema eléctrico del motor suele estar alimentado con baterías de plomo ó níquel-cadmio (12 ó 24 V), aunque en grupos para emergencia conviene sustituir las baterías habituales de arranque por baterías estacionarias.

El sistema de refrigeración del motor puede ser por agua, aire o intercambiador.

El sistema de gases de escape merece un mayor detalle, aunque aquí solo vamos a resumir algunos criterios. Lo compone normalmente la conducción de humos y el silenciador. En el cálculo del sistema de escape hay que tener en cuenta la pérdida de carga de la tubería, la pérdida de carga del silenciador y considerar que la suma de ambas debe ser inferior a la pérdida de carga máxima admisible dada por el fabricante del grupo.

El combustible suele llegar desde un depósito integrado directamente en la bancada del grupo electrógeno. Sin embargo, cuando se buscan mayores tiempos de autonomía es necesario incorporar depósitos externos. Estos depósitos pueden incorporar bombas de trasvase (automáticas normalmente). En la colocación de los depósitos, debe preverse la facilidad de las maniobras de rellenado de combustible y de accesos del camión cisterna. Es necesario consultar la legislación vigente para determinar la correcta ubicación y los volúmenes máximos de los depósitos, como ocurre con el Real Decreto 1523/1999 y el Real Decreto 1427/1997. Como resumen de ambos respecto al volumen (V) del depósito, resulta la siguiente información:

• Depósitos con V ≤ 5000 l están permitidos en la sala del grupo. Con sectorización RF 180 mínimo.
• Depósitos con V > 5000 l solo permitidos en exterior.
• Depósitos que necesitan proyecto y certificación de final de obra:
  • Si V > 3000 l en instalación interior.
  • Si V > 5000 l (que solo estarán en el exterior).
• Depósitos que solo necesitan memoria, croquis y certificado firmado por instalador:
  • Si V > 1000 l pero su volumen es inferior a cualquiera de los anteriores.
• Depósitos que no tienen que hacer el trámite administrativo de inscripción, pero tienen que cumplir las ITC reglamentarias:
  • Si V < 1000 l.

Generador eléctrico

Normalmente se utilizan generadores síncronos, sin escobillas, autoexcitados, autorregulados. El sistema de refrigeración se suele hacer con ventilador centrífugo en el eje. Pueden tener un sistema de calefacción incorporado para evitar la condensación de humedad en los devanados. En el interior de la caja de bornes suelen estar los transformadores de intensidad para el control de la máquina. Normalmente los devanados son en estrella, para la conexión a tierra del neutro. En la figura se muestra un generador síncrono de la firma Leroy-Somer de 880 kW, tal como viene de fábrica, sin montar en un grupo electrógeno.

Sistema antivibratorio

La mecánica normal de funcionamiento de un grupo electrógeno provoca vibraciones. Estas vibraciones tienen que ser minimizadas al máximo porque de lo contrario provocarían un deterioro prematuro de todos sus componentes y además se transmitirían de una forma molesta y peligrosa al resto del emplazamiento donde están colocados. Para minimizar vibraciones se suelen instalar sobre apoyos antivibratorios que se colocan entre la bancada y el suelo.

Normalmente se usan de 4 a 12 apoyos antivibratorios dependiendo del peso del grupo. En función del grado de aislamiento requerido, se usan silentblocks de goma o de muelle.
Además de los silentblocks, se usan conexiones flexibles en todos los elementos que unen el grupo con el exterior: tuberías, escape, alimentación de combustible, embocaduras de aire, canalizaciones eléctricas, etc.

Los silentblocks de goma tienen una tasa de amortiguamiento muy baja, por lo que el sistema vibrará de forma muy parecida a un muelle. La ventaja es que tienen un fácil montaje y aíslan aproximadamente el 80 % de las vibraciones de la bancada. Esto suele pasar a una frecuencia propia de 10 Hz, para una fuerza excitatriz de 25 Hz, que tiene lugar en un conjunto girando a 1500 rpm. Hay que prestar atención a la compatibilidad de la goma con el gasóleo. En la figura siguiente se ilustra el aspecto que tiene un silentblock de goma.

Los silentblocks de muelle aislan el 95% de las vibraciones de la bancada. Son adecuados cuando el emplazamiento es una azotea,  o está en niveles superiores de edificios, o se necesitan los grupos en instalaciones que deben mantenerse superinsonorizadas. Constan de un muelle de acero para aislar las vibraciones y de una malla elástica de acero inoxidable. Deben sujetarse mediante tornillos en los orificios previstos a tal fin en la bancada. Se recomienda fijar la zapata del silentblock al suelo si es posible. Cuando el soporte es una viga metálica puede fijarse con una punta de soldadura. Si el peso lo requiere pueden tener dos o más mueIles.

Control y monitorización del grupo

Normalmente los grupos a partir de 15 kVA incorporan unidades de control y monitorización. A partir de 40 kVA para servicio continuo, es normal ver reguladores electromecánicos.
Estas unidades permiten realizar el arranque y sincronización del grupo al recibir una señal, permiten una protección del grupo más fina, etc.

Configuraciones básicas de grupos respecto a la red

Dependiendo del uso que se requiere del grupo electrógeno, puede estar configurado de un modo u otro respecto a la red eléctrica. Básicamente podemos encontrarnos que los grupos estén aislados de la red (lo normal en equipos para suministro de emergencia o sistemas en isla) o que estén funcionando en paralelo con la red (lo normal para tener un apoyo de suministro ante aumentos repentinos de demanda). Las características de cada tipo de configuración se indican de forma esquematizada a continuación:

• Uno o varios grupos en paralelo con la red.
  • La red pública tiene una potencia muy superior: se impone su frecuencia y tensión.
  • El equipo auxiliar del grupo electrógeno debe de estar programado, dependiendo de la configuración, para poder activar los reguladores de velocidad y de tensión a fin de controlar la potencia activa y reactiva de la máquina.
    • Regulador de velocidad: control de potencia activa entregada por el grupo.
    • Regulador de tensión: control de potencia reactiva.
  • Algunas denominaciones habituales para los modos de red:
    • Modo fugitivo: El grupo se hace cargo del suministro con rampa programable y termina desconectando la red.
    • Modo permanente: El grupo se sincroniza con la red y se configura para que suministre una potencia predefinida.
• Un grupo en isla.
  • Frecuencia controlada por el regulador de velocidad del grupo.
  • Las sobrecargas que sobrepasan la potencia máxima del grupo electrógeno (potencia de socorro) provocan una disminución de la frecuencia, lo que podría hacer actuar el sistema de desconexión de algunos receptores (comúnmente «desenganchado») para salvaguardar el equilibrio del grupo.
  • El regulador de tensión del grupo asegurará la estabilidad de la tensión del circuito alimentado. Un grupo electrógeno está normalmente previsto para funcionar con un factor de potencia de 0,8 y puede, por tanto, alimentar la mayor parte de las cargas industriales sin añadir un equipo de compensación de potencia reactiva.
• Varios grupos en isla
  • Se necesita un módulo de control para sincronizar los grupos y para el reparto de cargas entre ellos. Normalmente es necesario desconectar el AVR y controlar la tensión con dispositivos externos.

En este otro artículo se complementa la información sobre la configuración de grupos para ciertas aplicaciones de suministro de emergencia.

Criterios de elección de grupos electrógenos

Para poder seleccionar un grupo electrógeno hay que tener claros una serie de conceptos sobre los modos de operación. Las Normas ISO 3046 e ISO 8528 definen los modos de operación básicos y sus regímenes de potencia esperados. Esto es importante porque la potencia de cálculo del grupo depende completamente del tiempo de uso continuo y de la cantidad de potencia a entregar durante ese tiempo de funcionamiento.

Regímenes de potencia ISO 3046, ISO 8528

Las potencias asignadas por los fabricantes siempre son expresadas en kW y para suministrar la energía con cos φ = 0,8 inductivo. El fabricante es el responsable de dar la potencia de salida asignada para el régimen de trabajo concreto de entre los siguientes (siempre que se respeten las condiciones de trabajo e intervalos de mantenimiento del fabricante):

• Régimen de potencia continua (Base Load o Continuous Rating, COP): máxima potencia que el grupo puede suministrar continuamente a una carga constante, durante un número ilimitado de horas al año.
  • Es el régimen con el que hay que seleccionar el grupo para aplicaciones de suministro continuo en las que el grupo electrógeno es la fuente principal de alimentación y las cargas tienen una demanda constante de energía. Por ejemplo, en cogeneración o como suministro principal para cargas constantes.
  • Los tiempos de parada (S) no se tienen en cuenta en los cálculos.
  • El tiempo de uso dentro de este régimen es ilimitado. Es decir, si por ejemplo se selecciona un grupo de 400 kW para régimen COP, significa que puede estar suministrando 400 kW de manera continua constantemente, siempre que no haya variaciones en la demanda de energía.
  • No se permiten sobrecargas cuando se selecciona un grupo electrógeno de acuerdo a este régimen de funcionamiento.
• Régimen de potencia principal (Prime Power Rating, PRP): máxima potencia que el grupo puede suministrar continuamente a una carga variable, durante un número ilimitado de horas al año.
  • Este régimen se selecciona cuando el grupo tiene que funcionar de forma continua y la demanda de energía es variable. La aplicación típica donde se selecciona este régimen de trabajo es donde el grupo electrógeno funciona en isla como suministro principal porque no haya red, o como respaldo para redes no fiables o débiles, o como respaldo para puntas de demanda (peak shaving).
  • Los tiempos de parada (S) no se tienen en cuenta en los cálculos.
  • La Norma no indica que los fabricantes tengan que garantizar que los grupos bajo este régimen admitan sobrecargas. Sin embargo, es normal que los fabricantes admitan un 10% de sobrecarga durante 1 hora de cada 12 h de funcionamiento, con máximos de 25 horas al año a 400 horas al año, dependiendo de cada modelo.
  • El factor de carga que indica la Norma es del 70 %, pero la mayoría de los fabricantes ofrecen el cálculo de la potencia asignada para este régimen de trabajo con valores de 60 al 85 %.
• Régimen de potencia para tiempo limitado (Limited-Time Running Power, LTP): máxima potencia disponible para trabajar un máximo de 500 h al año.
  • Régimen de trabajo para grupos electrógenos que tienen un funcionamiento discontinuo y la demanda de energía es constante. Por ejemplo, en aplicaciones para suministro durante un número limitado de horas donde la carga es constante.
  • Los tiempos de parada (S) no se tienen en cuenta en los cálculos.
  • Se admite un tiempo de uso total de 500 horas al año. Algunos fabricantes admiten hasta 700 horas.
  • No se permiten sobrecargas.
• Régimen de potencia de emergencia o en espera (Emergency Standby Power, ESP): máxima potencia disponible durante una secuencia variable de potencia, para dar suministro durante 200 h al año en caso de fallo del suministro principal.
  • Este régimen se selecciona cuando el grupo tiene que funcionar de forma intermitente y la demanda de energía es variable. La aplicación típica es donde hay redes fiables para el suministro normal y el grupo electrógeno se usa como suministro de emergencia ante fallo de red.
  • Los tiempos de parada (S) no se tienen en cuenta en los cálculos.
  • Se admite un tiempo de uso total de 200 horas al año. Algunos fabricantes admiten hasta 400 horas.
  • El factor de carga que indica la Norma es del 70 %, pero la mayoría de los fabricantes ofrecen el cálculo de la potencia asignada para este régimen de trabajo con valores de 60 al 85 %.

Clases de funcionamiento

• Clase G1: Grupos donde las cargas solo necesitan parámetros básicos de tensión y frecuencia (p.ej. aplicaciones generales, alumbrado, cargas simples)
• Clase G2: Grupos donde sus características de tensión son muy parecidas a las de la red principal con la que opera. Ante cambios de carga, puede haber variaciones en tensión y frecuencia temporales pero admisibles (p.ej. sistemas de alumbrado, bombas, ventiladores, elevadores)
• Clase G3: Aplicaciones donde los equipos necesitan gran estabilidad de tensión, frecuencia y forma de onda (p.ej. equipos de telecomunicaciones, tiristores, rectificadores)
• Clase G4: Aplicaciones con demandas severas en la estabilidad de tensión, frecuencia y forma de onda (p.ej. equipos de proceso de datos y sistemas informáticos)

Emisiones acústicas

Dependiendo del tipo de grupo electrógeno, el nivel sonoro se verá influenciado de la siguiente manera aproximada:

• Sobre bancada o «skid«: Con un nivel sonoro entre 80 y 90 dBA, encuentran su área de aplicación en zonas rurales o lugares donde son admisibles niveles de ruido elevados.
• Carenado: Con un nivel sonoro sobre 75 dBA, se utilizan en obras e industrias, reduciendo considerablemente los niveles de ruido propios del motor y del escape.
• Insonorizados: Con un nivel sonoro máximo entre 65 y 70 dBA, son los grupos electrógenos que consiguen un máximo grado de amortiguación del ruido. Por su nivel de equipamiento son también más caros en el mercado que los skid y que los carenados.

Condiciones de referencia

La elección de la potencia y el resto de parámetros de un grupo electrógeno está supeditada a una serie de condiciones de referencia. Es necesario conocer las características físicas del emplazamiento porque la diferencia con estas condiciones de referencia pueden condicionar los resultados. Las condiciones estándar que suelen tener en cuenta todos los fabricantes como referencia para indicar la potencia asignada de los grupos son las siguientes:

• Presión barométrica total: p_r = 100 kPa
• Temperatura ambiente: T_r=298 K ó t_r=25 ºC
  \item Humedad relativa: Φ_r=30 %

Para ajustar la potencia del grupo, el usuario o proyectista debe tener en cuenta las condiciones del lugar para variar la potencia asignada respecto a las condiciones estándar. Especialmente habría que considerar:

• Presión barométrica (valores extremos) o altitud sobre nivel del mar
• Temp. aire media, máx. y mín. para los meses más fríos y los más cálidos
• Temp. aire máx. y mín. alrrededor del motor
• Humedad relativa o temp. bulbo seco y húmedo en las cond. de máx. temp.
• Temp. máx. y mín. del agua de refrigeración

Guía para selección del grupo electrógeno

Una vez conocidos todos los parámetros y condicionantes que afectan a un grupo electrógeno, una posible guía para poder seleccionar un grupo electrógeno sería la siguiente:

Requisitos generales para la selección

1. Tipo de motor (velocidad y combustible): motores de gas o GLP suelen ocupar más espacio
   • Grupos de 1500 rpm: Normalmente para uso permanente ya que el motor (diesel o gas natural) no suele tener exigencias de sobrevelocidad. Durabilidad mayor que los de 3000 rpm.
   • Grupos de 3000 rpm: Suelen tener motores diesel, gas natural o nafta y son económicos. Recomendables para servicios de soporte y/o discontinuo.
2. Régimen de trabajo: standby, primaria, servicio público paralelo, etc.
3. Lugar de instalación. Altitud, temperatura y humedad
   • Ubicación física del equipo: considerar la ventilación para evacuar el calor del motor de combustión. Cuanto mayor sea la altitud o la temperatura ambiente, mayor debe ser el sobredimensionado.
   • Evacuación de gases de combustión: en zonas residenciales, además, considerar silenciador.
   • Bancada y carrocería: si no es carrozado, hay que considerar instalarlo bajo cubierta adecuada para protegerlo frente a factores ambientales. Este espacio debe posibilitar el mantenimiento.
4. Requisitos eléctricos
   • Máx. caída de tensión: a mayor restricción, mayor potencia de grupo
   • Máx. caída de frecuencia
   • Fases: al alimentar cargas monofásicas, cuidar su equilibrado
   • Tensión
   • Frecuencia
5. Inversión económica: considerar el coste y los beneficios de la adquisición valorados.
6. Servicio postventa: considerar la cualificación técnica del fabricante, velocidad de respuesta, cumplimiento de garantías ante reclamaciones, disponibilidad de repuestos, experiencia.

Potencia del equipo

1. Valores de referencia: analizar la curva de carga, horas de funcionamiento y régimen
2. Clase de servicio (G1 a G4)
3. Capacidad mínima
   • Regímenes de cargas ligeros, pueden dañar los motores
   • Con largos periodos de funcionamiento en vacío, anticipar mantenimiento
   • Recomendable no hacerlos operar a menos de un 30 % aprox. de su potencia asignada. Necesidad de bancos de carga
   • Normalmente máximo rendimiento a 3/4 de carga. Mantenimiento cada 300 ó 400 h
4. Factor de potencia: cargas con fdp capacitivo pueden ocasionar pérdida de control del grupo. Considerar el fdp existente y tratar de mantenerlo entre 0,8 y 1. Normalmente admisible un 10 % de sobrecarga capacitiva en su potencia reactiva clasificada. Suele ocurrir con SAIs suministrando baja potencia y filtros de entrada y con baterías de condensadores.
5. Tipo de cargas. Separar las cargas entre imperativas y potestativas (prioritarias)
   • Cargas imperativas: lo son por normativa o por imposición del servicio (alumbrados especiales alimentados de GE si se asegura corte máximo 0,5 s, ascensor prioritario de bomberos, bombas contraincendios, carga de SAI, cámaras frigoríficas, etc.)
   • Cargas potestativas: a juicio del proyectista, suponen un porcentaje de la previsión de carga.
     También prever las características de cargas específicas:
   • Cargas pico (equipos de soldadura, equipos de imágenes médicas, motores, etc.)
   • Motores de baja inercia (ventiladores, compresores giratorios, bombas giratorias y centrífugas, etc.)
   • Motores de alta inercia (elevadores, bombas y compresores de cilindros únicos o múltiples, trituradoras de rocas, cintas transportadoras, etc.)
   • Motores de más de 50 HP (considerar técnicas de limitación de sobrecorriente)
   • Accionamientos electrónicos (armónicos que producen sobrecalentamiento en el alternador, se recomienda aumentar la potencia del grupo en un 50 %)
   • Cargas de SAIs (son cargas no lineales, verificar compatibilidad con el grupo o sobredimensionarlo)
   • Cargadores de baterías (cargas no lineales, sobredimensionado del grupo en función del número de pulsos: 2,5 veces para 3 pulsos, 1,5 veces para 12 pulsos)
   • Equipos para imágenes médicas (tomografías computerizadas, resonancias magnéticas, rayos X, etc. Limitar caída de tensión a 10 % máx.)
   • Iluminación (considerar también el consumo de balastos y corrientes de arranque)
   • Cargas regenerativas (elevadores, grúas, montacargas, etc. La energía durante el frenado debe absorberse por la red o por las demás cargas)
6. Secuencia de conexionado de cargas: conectar primero las cargas de mayor demanda y después el resto secuencialmente
7. Necesidades futuras
8. Determinación de la potencia del equipo: contemplar cualquier sobrecarga que pueda producirse, como en el arranque de motores. En cargas resistivas, es habitual sobredimensionar un 20 % la potencia demandada.
   • Primer escalón de carga: potencia requerida al GE en el momento de su conexión.
   • Evaluar el tipo de cargas prioritarias existentes (corrientes de arranque de motores, existencia de cargas no lineales, existencia de motores que puedan trabajar en regeneración, existencia de equipos con elevado THDi, etc.)
   • Si el GE no alimenta a SAIs: P_{primer escalón carga} = 0,60 · P_{N seleccionada}
   • Si el GE alimenta a SAIs: P_{primer escalón carga} = 1,70 · P_{N seleccionada}, además de considerar el rendimiento del SAI, para compensar la variación de tensión en el transitorio de conexión de los SAI.