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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROGRAMACIÓN E INSTALACIÓN DE UNA TARJETA DE REGULACIÓN DE EXCITACIÓN DECS-200 Y UN RELÉ DE
PROTECCIÓN MULTILIN GE-489, A LOS TURBOGENERADORES 1 Y 3 PERTENECIENTES A LA
INDUSTRIA AZUCARERA SANTA ELENA Trabajo de Grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero
Electricista
Br. Carlos A Henriquez B - Tutor: PhD. Marisol Dávila C
Asesor(es): Ing. Wielys González Ing. Jaime Romero
Mérida, Junio, 2009
ii
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROGRAMACIÓN E INSTALACIÓN DE UNA TARJETA DE REGULACIÓN DE EXCITACIÓN DECS-200 Y UN RELÉ DE PROTECCIÓN MULTILIN GE-489, A LOS
TURBOGENERADORES 1 Y 3 PERTENECIENTES A LA INDUSTRIA AZUCARERA SANTA ELENA.
Br. Carlos A Henriquez B Trabajo de Grado, presentado en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos para optar al título de Ingeniero Electricista, aprobado en nombre de la Universidad de Los Andes por el siguiente Jurado. ______________________________ _____________________________ Prof. Marisol Dávila C Prof. José G Contreras D C.I. 10.107.821 C.I. 4.490.926
_______________________________ Prof. Jaime A Gonzalez
C.I. 18.369.608
iii
AGRADECIMIENTOS
A Dios todopoderoso que siempre ha estado de mi lado, dándome fuerzas para seguir adelante
ante cualquier dificultad, y por permitirme culminar felizmente una etapa importante de mi
vida.
A mis Padres y mis Hermanos que son las personas que me enseñaron el camino para lograr
las metas trazadas, brindándome siempre todo su apoyo y dedicación en todo momento. A
ellos infinitas GRACIAS.
A la ilustre Universidad de Los Andes, por abrirme sus puertas para realizar los estudios
universitarios y a todos los profesores con quienes tuve la oportunidad de compartir y aprender
de ellos a lo largo de mi carrera.
A la Industria Azucarera “Santa Elena” por permitirme realizar mi trabajo de grado en su
prestigiosa empresa; muy especialmente a los señores Jaime Romero, Wielys Gonzales y
Richard Calle.
A la profesora Marisol Dávila por el apoyo, dedicación, orientación y paciencia brindada
durante su labor como Tutor Académico. Gracias por su asesoría, comparto con usted este
logro.
A todos mis amigos quien con su apoyo excepcional me han ayudado a levantarme miles de
veces, permitiéndome ser cada vez mejor persona.
A mi novia Yohana por ayudarme, apoyarme y estar siempre a mi lado en mis decisiones para
alcanzar las metas deseadas.
iv
Br. Carlos A Henriquez B. Programación e instalación de una tarjeta de regulación de excitación “DECS-200” y un relé de protección Multilin GE-489, a los turbogeneradores 1 y 3 pertenecientes a la Industria Azucarera Santa Elena. Universidad de Los Andes. Tutor: PhD. Marisol Dávila C. Junio del 2009
Resumen La Industria Azucarera “Santa Elena” ubicada en el Sector Sistema de Riego Las Majaguas, Municipio Agua Blanca Acarigua, se encarga de producir azúcar blanca bajo estrictas normas de calidad. La empresa presenta actualmente un período de modernización y actualización de sus equipos principalmente en la planta eléctrica, debido al deterioro de dos de los turbogeneradores con que cuenta la empresa, por lo que se adquirieron dos generadores sincrónicos, así como también una tarjeta de regulación de excitación “DECS-200” y relé de protección para generador tipo “GE-489”. La razón por la cual se desean instalar estos equipos es para poder tener el control y garantizar la protección del sistema de potencia, debido a que las variaciones de carga a las que comúnmente es sometido dicho sistema, se producen variaciones en la tensión en los bornes del generador , además si el sistema de excitación del campo no se ajusta correctamente a las necesidades de la carga el sistema podría colapsar, el sistema de control de excitación “DECS-200” ofrece una gama de funciones para ajustar la excitación de una manera sencilla y optima; por otra parte, la empresa desea suplantar las protecciones contra fallas al generador de tipo electromecánico, por un sistema de protección digital que permita de manera versátil la calibración de las mismas. El objetivo principal de este trabajo es realizar un estudio sobre la programación e instalación de estos equipos para que queden perfectamente ajustados al sistema y los resultados de este trabajo se describen en el desarrollo de los capítulos donde se describe la utilización del software de programación y los planos de instalación de cada equipo. Descriptores: Sistema de potencia, sistema de control excitación, sistema de protección, DECS-200, GE-489.
ÍNDICE GENERAL
APROBACIÓN………………………………………………….………..................... ii AGRADECIMIENTO……………………………………………………................... iii RESUMEN………….……………………………………………….………..……….. iv INTRODUCCIÓN…………………………………………...………………............... 1
Capítulo pp1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.…………………….……….……...…….................. 3 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA……………………….................................. 3 1.2. JUSTIFICACIÓN……………………………………………….................................. 4 1.3. OBJETIVOS………………………………………...................................................... 5 1.3.1 OBJETIVO GENERAL…………………………….................................... 5
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS………………………..……………………... 5 1.4. METODOLOGÍA…………………………………………….………........................ 5 1.5. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA………………………….……………............... 6
2 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Y DE LOS EQUIPOS……………..………................ 11 2.1. RECOPILACIÓN DE DATOS Y CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LOS
TURBOGENERADORES..............................................................................................
11 2.2. ESPECIFICACIONES Y APLICACIONES DEL DECS-200 (SISTEMA DE
CONTROL DE EXCITACIÓN DIGITAL)…………………………………………….
14 2.2.1. FUNCIONES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE CONTROL DE
EXCITACIÓN……………………………………………………….……..
15 2.2.2. ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA DE REGULACIÓN DECS-
200………………………………………………………………………….
18 2.2.3. CONTACTOS DE CIRCUITO DE ENTRADA………….……………... 20 2.2.4. ENTRADAS ANALÓGICAS……………………………………………. 25 2.2.5. CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL…………...…………………. 26 2.2.6. MICROPROCESADOR………………………..…………………...……. 26 2.2.7. CIRCUITOS DE MEMORIA…………………………………………….. 26 . 2.2.8. CONTACTOS DE RELÉS DE SALIDA………………………………… 27 2.2.9. FUNCIONES LÍMITES…………………………………..……………… 31 2.2.10. MODOS DE OPERACIÓN DEL DECS-200……………………………. 33 2.3 ESPECIFICACIONES Y APLICACIONES DEL RELÉ DE PROTECCIÓN
MULTILIN GE-489…………………………………................................................
35 2.3.1. APLICACIONES DE PROTECCIÓN Y CONTROL………………….…. 36 2.3.2. ESPECIFICACIONES DE LAS ENTRADAS DEL RELÉ MULTILIN
GE-489…………………………………………….………………………
39 2.3.3. SALIDAS ANALÓGICAS DEL RELÉ DE PROTECCIÓN MULTILIN
GE-489………………………………………………………………….....
41
2.3.4 ESPECIFICACIONES DE LAS PROTECCIONES……………………... 42 2.3.5. ENTRADAS DIGITALES…………………………………………............ 47 2.3.6. ALIMENTACIÓN…………………………….………………………….... 48 2.3.7. PUERTOS DE COMUNICACIÓN………………………..……………… 48
3 PROGRAMACIÓN E INSTALACIÓN DEL DECS-200…………………………..…… 49 3.1. PROGRAMACIÓN DEL DECS-200……………………………………….………..… 49 3.1.1. Comunicación...…………………………………………………………..… 49 3.1.2. Configuración del reloj de tiempo real…………………………....……….. 50 3.1.3. Opciones del sistema……………………………………………………..… 50 3.1.4. Datos del sistema………………………………………………………..….. 51 3.1.5. Tasa de datos……………………………………………………………….. 52 3.1.6. Entradas auxiliares…………………………………………………….…… 52 3.1.7 Configuración de los modos AVR/FCR y/o VAR/PF………....................... 53 3.1.8. Puesta en marcha de los modos de operación………………….................... 54 3.1.9 Selección de la opción de trabajo………………………………………….. 54 3.1.10. Gráficos de sobrexcitación………………………………………………… 54 3.1.11 Ganancias del control PID……………………………………..................... 55 3.1.12. Análisis del sistema…………………………………………………….….. 56 3.1.13. Asignación de los relés de salida……………………………………….….. 57 3.1.14. Monitoreo de las variables del sistema……………………………….……. 58 3.2. INSTALACIÓN DEL DECS-200…………………………………………………...….. 59
4 PROGRAMACIÓN E INSTALACIÓN DEL GE-489…………………………….……. 65 4.1. PROGRAMACIÓN DEL RELÉ MULTILIN GE-489…………................................... 65 4.1.1. Seguro de programación…………………………………………………. 65 4.1.2. Incluir el producto GE-489……………………………………………… 65 4.1.3. Ventana de programación del EnerVista………………………………… 65 4.1.4. Crear un nuevo programa………………………………………………… 66 4.1.5. Agregar un sitio de trabajo………………………………………..……… 67 4.1.6. Definición de los componentes……………………………………….….. 67 4.1.7. Ajuste del sistema………………………………………………………… 67 4.1.8. Configuración de las entradas digitales………………………………….. 69 4.1.9. Configuración de los relés de salida…………………………………...… 70 4.1.10. Ajustes de las protecciones……………………………………................. 70 4.1.11. Configuración de los elementos de Voltaje……………...……................. 71 4.1.12. Configuración de los elementos de Potencia…………………………….. 71 4.1.13. Protección térmica………………………………………………………... 71 4.1.14. Entradas digitales…………………………………………………............. 72 4.1.15. Pruebas y simulaciones de fallas…………………………………………. 72 4.1.16. Conexión y comunicación con el PC…………………………….………. 76 4.2. INSTALACIÓN DEL RELÉ MULTILIN GE-489……………………......................... 77 CONCLUSIONES………………………………………………………….……………..... 81 RECOMENDACIONES…………………………………………………………...………. 83 REFERENCIAS…………………………………………………………………..……...… 84 ANEXOS…………………………………………………………...……………..………… 85
LISTA DE FIGURAS
Fig. pp.
1.1. Proceso de producción de azúcar……………………………………….……….......... 82.1. Esquema básico de un turbogenerador……………………………………….............. 132.2. Circuito de excitación del generador sincrónico……………………………………... 142.3. Estructura general del DESC-200……………………………………………............ 172.4. Diagrama de bloques detallado del sistema de excitación digital DECS-200…........... 212.5. Curva del tiempo Vs Corriente de campo para la operación de la alarma de
Sobrecorriente de campo……………………......…………………………….............
282.6. Grafico para el arranque de la excitación del DECS-200……………………...…....... 302.7 Curva típica para la compensación de baja frecuencia……………………….............. 312.8. Curva típica para la compensación de Proporción V/Hz……………………............. 322.9. Conexión típica para compensación de corriente de cruce (CCC)……..…….............. 352.10. Diagrama de conexión unifilar del GE-489…………………………………............... 383.1. Comunicación del PC con el DECS-200……………………………………..…......... 493.2. Configuración del reloj de tiempo real………………………………………….......... 503.3. Menú de la Configuración del sistema……………………………………………...... 513.4. Datos del sistema……………………………………………………………............... 523.5. Tasa de datos del sistema…………………………………………………….............. 523.6. Configuración de entradas auxiliares y modos de operación……………………........ 533.7. Modos AVR/FCR……………………………………………………………...…....... 533.8. Modos VAR/PF…………………………………………………………………......... 533.9. Modos de operación……………………………………………………………........... 543.10.a Selección de opciones de OEL……………………………………………………..... 543.10.b. Limites de sobrexcitación……………………………………………......................... 553.10.c. Grafico de Sobrexcitación……………………………………………………………. 553.11. Limite de baja excitación ………………………………………………………......... 553.12. Limite de corriente del estator………………………………………………….......... 553.13. Ganancias y rango de estabilidad para el control PID del DECS-200……………..... 563.14. Análisis del sistema……………………………………………………...................... 563.15.a. Activación de las alarmas de relés……………………………………………..….. 573.15.b. Niveles de arranque de los relés……………………………………………………… 573.15.c. Asignación del relé………………………………………………...………………. 573.15.d. Configuración del contacto del relé ……………………………………………......... 573.16. Medición de las variables observadas por el DECS-200…………………...………... 583.17. Conexión típica del DECS-200………………………………………………............. 593.18. Vista frontal y superior del DECS-200………………………………………............. 603.19 Proyección del dibujo en el panel del tablero de conexión………………………....... 613.20 Vista lateral izquierda del DECS-200…………………………………………........... 613.21 Vista general del panel de control del DECS-200……………………………............ 624.1.a Vista general del software …………………………………………………………… 664.1.b. Agregar el producto…………………………………………………………...……... 664.2. Ventana de programación del EnerVista Launchpad software………………...……. 66
4.3.a. Crear un nuevo programa………………………………………………………….… 674.3.b. Crear un nuevo sitio de trabajo……………………………………………………..... 674.4. Configuración de la opción SR-489 Setup…………………………………………... 684.5. Ajuste de los parámetros del sistema……………………………………………….... 684.6. Entradas digitales…………………………………………………………………….. 694.7. Ajuste de los relés de salida………………………………………………………..… 704.8. Programación de los elementos de corriente del GE-489……………………………. 714.9. Programación de los elementos de voltaje del GE-489………………………............ 724.10. Ajuste de los parámetros de potencia del GE-489……………………………............ 734.11. Programación de las resistencias térmicas RTD……………………………………… 744.12. Ajuste de las entradas digitales del GE-489…………………………………………. 744.13. Pruebas y simulación de pre-fallas y fallas…………………………………………... 754.14. Conexión del PC con el GE-489……………………………………………………... 754.15. Envío de los datos al GE-489………………………………………………………... 764.16. Dimensiones del relé Multilin GE-489…………………………………………........ 774.17. Ubicación del relé GE-489 en el disyuntor principal del generador……………….... 784.18. Diagramas de conexiones provistas por el fabricante……………………………….. 79A.1. Panel del control de excitación digital Basler DECS-200…………………………… 86A.2. Tarjeta de regulación excitación digital DECS-200…………………………………. 86A.3. Regleta RT1………………………………………………………………………….. 87A.4. Regleta RT2……………………………………………………………………..….... 87A.5. Vista frontal del panel de control…………………………………………………….. 87A.6. Canalizaciones de la instalación eléctrica……………………………………………. 88A.7. Tranquilla para la canalización de los conductores…………………………….......... 88A.8. Canalización de los conductores hasta el panel de control……………………........... 89A.9. Panel de control del relé de protección para generador “Multilin GE-489”…...……. 89A.10. Relé de protección para generador “Multilin GE-489”………………………............ 90A.11. Vista trasera de la caja de conexiones del relé “Multilin GE-489”………………….. 90A.12. Panel de control del relé de protección para generador “Multilin GE-489”…………. 91A.13. Turbogenerador 1…………………………………………………………………….. 91A.14. Vista lateral del Turbogenerador…………………………………………………….. 92A.15. Acople del reductor de velocidad y del turbogenerador 1……………………...... 92A.16. Acople de la turbina de vapor y el reductor de velocidad............................................. 93A.17. Turbina de vapor del Turbogenerador 1……………………………………….......... 93A.18. Gobernador de la turbina Turbogenerador 1…………………………………..…….. 94
INTRODUCCIÓN
A lo largo de la historia se han hechos estudios para mejorar el desempeño de los
generadores sincrónicos en el sistema de potencia y de esta manera garantizar la continuidad
del servicio de energía eléctrica en un lugar o espacio determinado; estos estudios van
dirigidos fundamentalmente a los sistemas de control de excitación y a los sistemas de
protección contra fallas al generador y al sistema de potencia.
El control de la excitación del campo de un generador sincrónico se realizaba de forma
manual para mantener el voltaje deseado en los bornes del generador, los primeros avances de
automatización presentaban una respuesta muy lenta por lo cual estos solían utilizarse para
supervisar el funcionamiento del sistema de potencia; Mientras que los sistemas de protección
más utilizados son implementados por medio de los relés electromecánicos; que permiten
realizar maniobras de alarma y disparo de sus unidades según sea las condiciones de operación
del sistema de potencia, estos dispositivos son realmente robustos y esta es la razón por la cual
aun se encuentran operando en la actualidad.
Debido al avance de los sistemas de automatización y control y al crecimiento de la
electrónica de potencia se han mejorado las técnicas de excitación del campo principal del
generador mediante las comúnmente llamadas tarjetas de regulación de excitación que hoy en
día gracias al uso de los microprocesadores permiten configurar de manera versátil las
características y necesidades del sistema de potencia para mantener la tensión en bornes del
generador casi invariable ante cambios bruscos de carga producidos en el sistema de potencia.
2
De manera análoga los sistemas de protección has evolucionado de tal forma que permiten
sustituir varias unidades electromecánicas en un solo sistema de protección que puede
ajustarse de manera versátil al sistema de potencia ofreciendo un amplio rango de funciones
para el sensado de varias variables y así proteger tanto generador como al sistema de potencia
ante la ocurrencia de alguna falla que pueda ocasionar daños irreparables en los equipos.
La Industria Azucarera “Santa Elena” ubicada en el Edo Portuguesa de Venezuela esta
modernizando su planta eléctrica de manera de ofrecer un mejor servicio de energía durante la
producción, por lo cual han adquirido estos equipos para el control de excitación y protección
de los generadores sincrónicos. La correcta programación e instalación de estos equipos es el
principal objetivo de este trabajo, los desarrollos realizados se muestran en los diferentes
capítulos, estructurados de la siguiente manera: En el Capítulo I se realiza el planteamiento del
problema, justificación, principales objetivos, se hace referencia a las actividades necesarias
para la realización de este trabajo y se realiza una breve descripción de la Industria Azucarera
“Santa Elena”. Luego en el Capítulo II se describen las necesidades y características de
operación del sistema de potencia y de los equipos a instalar, lo que incluye especificaciones y
datos técnicos para ajustar correctamente los dispositivos de control y de protección a la planta
eléctrica de la empresa. El Capítulo III está relacionado con la programación e instalación del
sistema de control de excitación del campo principal del generador sincrónico; donde se
incluye un manual práctico del uso del software de programación y la elaboración del plano de
conexiones eléctricas del sistema de control de excitación digital al sistema potencia. En el
Capítulo IV se hace referencia a la programación e instalación del sistema de protecciones
digitales al sistema de potencia, incluyendo el manual práctico de programación y planos de
conexiones eléctricas de este equipo; finalmente se presentan las conclusiones y
recomendaciones del trabajo.
CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Industria Azucarera “SANTA ELENA, C.A” ubicada en el Sector Sistema de Riego Las
Majaguas, Municipio Agua Blanca Acarigua; tiene como principal objetivo la producción de
azúcar y de los productos derivados, manteniendo estrictas normas de calidad durante el
proceso de producción para obtener un producto de excelente calidad.
Esta industria presenta un proceso de modernización y actualización de sus equipos
especialmente en el área de generación de energía eléctrica, por lo cual se han adquirido dos
generadores sincrónicos, así como también una tarjeta de regulación de excitación (DECS-
200) y un relé de protección Multilin (GE-489) para cada uno, estos equipos son dispositivos
de electrónica de potencia que permiten controlar y proteger al generador al ocurrir
variaciones en el sistema de potencia.
Es necesario estudiar detalladamente las características de estos equipos para su perfecta
programación e instalación ya que la empresa requiere que estos equipos queden
perfectamente instalados y ajustados a las necesidades del sistema de potencia y así no existan
inconvenientes en materia de generación de energía durante el periodo de producción.
4
1.2. JUSTIFICACIÓN
En la Industria Azucarera “SANTA ELENA, C.A” se cuenta con un período de
producción de azúcar que dura aproximadamente seis meses, el resto del año se dedica a la
reparación de la estructura de la planta lo cual trae consigo la incorporación de nuevos equipos
para el fortalecer la planta y aumentar la producción para llegar a las metas propuestas para el
siguiente período de producción de azúcar; en tal efecto se desea modernizar la planta eléctrica
de la industria por lo cual se adquirieron dos generadores sincrónicos de fabricación francesa,
con una capacidad de generación suficiente para suplir la carga de la planta.
En la industria azucarera se producen diferentes variaciones de carga debido al arranque o
paradas de algunos motores o equipos de la fábrica, por lo cual es necesario un sistema de
control para la excitación del campo principal del generador sincrónico que sea lo
suficientemente rápido y estable para mantener el voltaje de generación, por lo cual la empresa
adquirió una tarjeta de regulación de excitación “DECS-200” fabricado por la Basler Electric,
la cual proporciona un control PID para la excitación del generador en función de algunas
variables medidas y de los ajustes configurados en la tarjeta de regulación.
Cabe destacar que la empresa desea suplantar los relés de protección contra fallas al
generador de tipo electromecánicos por un sistema de protecciones digital de manera de
optimizar el sistema y ofrecerle al operador herramientas para observar los valores de la
tensión, corriente, frecuencia y potencia del sistema; este sistema de protección para generador
es el relé “GE-489” de la industria General Electric. Lo descrito anteriormente trae consigo el
estudio del funcionamiento y aplicaciones de estos equipos para su correcta programación,
instalación y adaptación al sistema de potencia que maneja la planta eléctrica de la Industria
Azucarera “Santa Elena”, para garantizar la generación de energía eléctrica durante el período
de producción.
5
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Programar e instalar una tarjeta de regulación de excitación “DECS-200” y un relé de
protección Multilin “GE-489” para los turbogeneradores 1 y 3 pertenecientes a la
Industria Azucarera “SANTA ELENA”.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conocer el principio de funcionamiento de los relés digitales.
Estudiar la importancia del control automático de la regulación de la excitación de un
generador sincrónico.
Comprender el funcionamiento y programación de la tarjeta de regulación de excitación
“DECS-200” y del relé de protección Multilin “GE-489”.
Instalar y ajustar los equipos a los turbogeneradores y demás elementos del sistema de
potencia ubicados en la planta eléctrica de la Industria Azucarera “Santa Elena”.
Realizar las diferentes pruebas a los equipos instalados para comprobar el correcto
funcionamiento de la planta eléctrica
1.4. METODOLOGÍA
La metodología aplicada para el estudio de estos equipos se basa en cada una de las
siguientes actividades:
a. Recopilación de información de los turbogeneradores (datos de placa, características del
circuito de excitación, características de operación, monitoreo y sistema de enfriamiento)
6
b. Recopilación de la información del sistema de potencia (descripción de los
transformadores de potencial (TP) y de corriente (TC) tanto para protección como para
medida, carga nominal, entre otros)
c. Lectura del manual del fabricante de la tarjeta de regulación de excitación y del relé de
protección Multilin; para conocer las especificaciones, aplicaciones, programación e
instalación de estos equipos.
d. Manejo del software para la interfaz con el usuario de manera de familiarizarse con la
programación del DECS-200 y del GE-489.
e. Diseño de planos de conexión de los equipos para realizar una perfecta instalación
garantizar un perfecto funcionamiento de los generadores.
f. Realización de pruebas a los equipos para observar el desempeño de estos ante
variaciones en el sistema y descartar posibles fallas en la conexión de los equipos.
1.5. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
La Industria Azucarera “SANTA ELENA, C.A” ubicada específicamente en la carretera
vía Payara Centro “I” Tocuyano, Sector Sistema de Riego Las Majaguas, Municipio Agua
Blanca Acarigua; esta tiene como principal objetivo la producción de azúcar, manteniendo
estrictas normas de calidad durante el proceso de producción, para obtener azúcar blanca de
excelente calidad, así como también de los productos secundarios tales como la melaza
(utilizada para alimentación agropecuaria), el bagazo (utilizado como materia prima por la
industria de papelería), cachaza que es el desecho solido que se le extrae al jugo de la caña
(utilizado en la agricultura como abono), etanol que es el alcohol natural de la caña, entre
otros.
La estructura organizacional de la empresa esta compuesta de la siguiente manera: Gerente
de planta, Gerente de producción, Gerente de mantenimiento, también hay un director de
7
recursos humanos e higiene y seguridad industrial, sala técnica encargada de los nuevos
proyectos, y un director de planificación. Todos ellos deben responder a las exigencias de la
presidencia, además, la empresa cuenta con diferentes departamentos cada uno con funciones
específicas pero que en conjunto permiten mantener el proceso de producción de azúcar en
perfecta armonía y tranquilidad. Cada uno de estos departamentos posee un jefe de
departamento, jefe adjunto de departamento, dos supervisores y obreros de primera, segunda y
tercera clase.
A continuación se explica el proceso de elaboración de azúcar y se mencionan cada uno de
los departamentos existentes en la Industria Azucarera “Santa Elena”. En la figura 1.1 se
observa un esquema básico del proceso de producción de azúcar y los departamentos
principalmente involucrados en la producción.
Instalaciones de Romanas; que es un lugar donde se pesan los camiones que transportan la
caña a la entrada y la salida para verificar la cantidad de toneladas de caña que lleva cada
camión.
Instalaciones de muestra: es una instalación donde se ubica una sonda que toma una
muestra de la caña que transporta cada camión para hacerle un estudio y verificar el valor
del PH y las propiedades del jugo para luego ser valorizado y cancelado el viaje según sea
la calidad de la caña de azúcar.
Las mesas: en total son dos mesas que no son mas que un espacio donde se descarga la
caña de azúcar y es transportada por medio de unas cadenas y cintas transportadoras hasta
un conductor plano donde se encuentra, un detector de metales, la picadora de caña y la
desfibradora para que se pueda extraer la mayor cantidad de jugo posible en el
departamento de molinos.
8
Figura.1.1. Proceso de producción de azúcar
Departamento de molinos y maquinaria: en este departamento se ubican los molinos, en
total son 5 molinos que operan con una turbina de vapor que es alimentada por el
departamento de calderas, todos estos molinos están conectados en cascada de manera de
mantener la secuencia de molienda igual en todos los molinos, entre cada molino se
encuentran cintas transportadoras llamadas Donelys. El jugo de caña es bombeado a la
fábrica para ser procesado y el bagazo se transporta al departamento de calderas para
generar la presión de vapor.
9
Departamento de calderas: encargado de generar la presión de vapor, en total son 6
calderas, pero en condiciones normales operan 4 calderas que mantienen un flujo de vapor
de 400 psi.
Departamento de Fabrica: en este departamento se lleva a cabo el procesamiento de la
materia prima (jugo de caña) hasta obtener el producto final envasado y listo para ser
trasportado.
Departamento turbinas: es el departamento encargado del montaje y monitoreo de las
turbinas de vapor en toda la fábrica, estas turbinas están ubicadas mayormente en los
molinos y en la planta eléctrica.
Departamento de instrumentación: es el departamento encargado de todos los lazos de
control de la industria (patio de caña, molinos, calderas, planta eléctrica, fabrica y almacén
de azúcar), así como el monitoreo de todas las variables necesarias para controlar dichos
lazos tales como temperatura, nivel, presión de vapor, entre otras.
Departamento de Mantenimiento: este se encarga de mantener en condiciones óptimas
todas las instalaciones mecánicas, eléctricas y demás instalaciones para que se pueda
desempeñar la factoría en completa normalidad.
Departamento de soldadura: encargado de realizar las maniobras de soldadura en toda la
planta.
Departamento de Electricidad: encargado de la planta eléctrica donde se genera la energía
eléctrica que utiliza el central azucarero, además se encarga de todas las instalaciones
eléctricas, alumbrado, dispositivos de control de potencia como variadores de velocidad
10
para el control de motores, PLC, en resumen se encargan de manejar cualquier instalación
de tipo eléctrico por mas sencilla que parezca.
Laboratorio: En cada proceso se toman muestras del producto que realiza el departamento
y estas se llevan al laboratorio donde se analizaran dichas pruebas. Cada parada debe ser
reportada al laboratorio así como la causa, ya que al final del día se debe hacer un reporte
de la molienda realizada por cada turno y la calidad del producto.
CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Y DE LOS EQUIPOS
En este capítulo se describirán cada una de las especificaciones y datos técnicos de los
equipos con que cuenta la Industria Azucarera “Santa Elena” para la realización de este
trabajo, esto permite realizar un enfoque general sobre las necesidades y dificultades que se
pueden presentar a lo largo del este proyecto técnico para la modernización de la planta
eléctrica de esta industria, a continuación se describirán detalladamente las características de
operación de los turbogeneradores, del sistema de excitación digital DECS-200 que se
utilizará para el control del campo de excitación de los generadores sincrónicos, y las
características del relé de protección Multilin GE-489 para la protección de los generadores
sincrónicos.
2.1. RECOPILACIÓN DE DATOS Y CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE
LOS TURBOGENERADORES.
Los generadores son de fabricación francesa de la industria JEUMUNT SCHNEIDER, los
datos de placa son los siguientes:
• Voltaje de generación nominal 4160 V
• Corriente de carga nominal 736 A
• Capacidad de generación 5132 KVA
• Factor de potencia 0.8
• Velocidad sincrónica 1800 rpm
12
El circuito de excitación presenta las siguientes características:
• Voltaje de excitación nominal 65 V
• Corriente de excitación nominal 7 A.
De las características anteriores se puede deducir que cada generador posee una capacidad
de generación nominal de 4.11 MW suficiente para suplir la carga de la Industria Azucarera
Santa Elena (aproximadamente 7 MW) si son conectados en paralelo, además se observa que
presenta una resistencia de campo de aproximadamente 9.28 Ω.
Cada generador opera con una turbina cuyo torque lo proporciona un flujo de vapor que
requiere 60 libras de presión, esta turbina se hace girar a 5600 rpm para el turbogenerador 1
(TG1) y a 9000 rpm para el turbogenerador 3 (TG3) por lo cual es necesario acoplar un
reductor de velocidad que permite disminuir la velocidad hasta alcanzar 1800 rpm que es la
velocidad nominal del generador, esto se hace con ayuda de un Gobernador que es un
instrumento que me permite controlar la velocidad de la turbina, la respuesta y la sensibilidad
de esta ante cambios de presión y flujo de vapor que comúnmente ocurren en este tipo de
industria.
El flujo de vapor es producido por el Departamento de Calderas que se encargan de
mantener la presión de vapor en toda la planta, en total son 6 calderas que generan un flujo de
400 libras. Un esquema básico de un turbogenerador se observa en la figura 2.1, este tipo de
generación de energía es utilizado principalmente en este tipo de industria, en vista de que se
aprovecha el bagazo de la caña en combinación con gasoil para producir el calor necesario
para la generación del flujo de vapor. Las calderas poseen alimentadores de bagazo que no es
más que un conjunto de cintas transportadoras que trasladan el material desde el Departamento
de Molinos donde se extrae el jugo de caña hasta las calderas, la combustión se realiza por
medio de un transformador de ignición que produce un arco e inicia la generación del calor en
las calderas. El agua necesaria para producir el vapor debe ser agua tratada y es almacenada en
13
un tanque y luego es inyectada por medio de las bombas de trasiego que tienen un sistema de
control para mantener el nivel del domo superior e inferior de las calderas.
Figura 2.1. Esquema básico de un turbogenerador.
El sistema de enfriamiento de este tipo de generador sincrónico se realiza por medio de
circulación de agua por dentro del generador (similar al sistema de enfriamiento que utilizan
los automóviles), luego al salir el agua se enfría por medio de unos ventiladores industriales
hasta llegar a una temperatura adecuada para ser nuevamente re circulada. También se cuenta
con válvulas para la lubricación de aceite para distribuir una película de aceite en los cojinetes
del generador y evitar roces mecánicos entre el eje y los cojinetes. Cabe destacar que los
generadores sincrónicos están diseñados para que en su sentido de rotación permitan la entrada
de aire y ventilación de su estructura; además este generador contiene seis resistencias
térmicas RTD ubicadas en puntos estratégicos del estator y una RTD para cada rodamiento en
total son 8 RTD de tipo PT-100 (100 Ω de platino) esto para monitorear la temperatura del
estator y de los rodamientos (esto será programado en las entradas RTD del relé de protección
Multilin) el aislamiento de este generador permite hasta 150 ºC por lo cual un incremento por
encima de este valor podría causar daños irreparables en el equipo.
En cuanto al circuito de excitación es bueno señalar que este tipo de generadores necesita
un poco más de corriente de campo para alimentar el rotor que la que se puede entregar por
14
una tarjeta de excitación o una fuente DC, por lo cual el fabricante utiliza un pequeño
generador ubicado en la parte frontal del turbogenerador que gira sobre un rotor secundario
acoplado al rotor principal, se alimenta con tensión y corriente DC al rotor de este pequeño
generador y este induce tensión (AC) en el estator que luego pasa a través de rectificador
trifásico, la salida de este rectificador se conecta a la excitación del campo principal en el
rotor, garantizando así mayor tensión y mayor corriente de campo y así mismo se garantiza
menor exigencia de voltaje a la tarjeta de regulación de excitación. Observe la figura 2.2.
Figura 2.2.Circuito de excitación del Generador Sincrónico.
2.2. ESPECIFICACIONES Y APLICACIONES DEL DECS-200 (SISTEMA DE
CONTROL DE EXCITACIÓN DIGITAL).
El sistema de control de excitación digital (BASLER DECS-200), esta basado en un
microprocesador para realizar el control de la potencia de un generador mediante la
programación y ajuste de los parámetros del sistema y de los ajustes de los componentes de
regulación del DECS-200, utilizando un sistema de control PID, con un amplio rango de
aplicaciones con gran flexibilidad para la optimización del sistema. Este sistema puede
realizar una regulación de excitación de hasta 15 A dc para 32 Vdc, 63 Vdc, ó 125 Vdc según
sean las especificaciones del circuito de excitación del generador.
Fuente DC
Rotor Secundario
Estator Secundario
Puente Rectificador Trifasico
Rotor Principal Estator Principal
+
V DC
-
+V AB
-
+V BC
-
+
V AC
-
15
2.2.1. FUNCIONES PRINCIPALES DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN
(BASLER DECS-200):
El sistema de control de excitación digital DECS-200 tiene como principales funciones las
siguientes:
2.2.1.a. Posee 4 módulos de control:
• Regulación automática de voltaje (AVR)
• Manual o regulación de corriente de campo (FCR)
• Factor de potencia (PF)
• Potencia reactiva (VAR)
2.2.1.b. Contiene un ajuste de preposición para los puntos de ajustes (setpoint) de cada
uno de los módulos de control.
2.2.1.c. Límite de sobrexcitación (OEL) y subexcitación (UEL) en AVR, VAR Y PF.
2.2.1.d. Mínima frecuencia (compensación en V/Hz)
2.2.1.e. 8 protecciones contra fallas al generador:
• Sobrevoltaje de campo
• Sobrecorriente de campo
• Sobrevoltaje del generador
• Pérdida de voltaje del generador
• Pérdida de campo
16
• Pérdida de sensibilidad
• Perro guardián del microprocesador (interrupción WATCHTDOG TIMER)
• Monitor del diodo de excitación.
2.2.1.f. Historial de eventos
Es una base de datos que contiene información sobre las alarmas ocurridas durante la
excitación, de los ajustes de los controles del DECS-200, así como también de la fecha y la
hora de cada registro.
2.2.1.g. Entradas del DECS-200:
• Entrada de voltaje de sensado rms (monofásico)
• Entrada de voltaje de sensado rms (trifásico)
• Entrada de sensado de corriente del generador (1 ó 5 A nominal)
• Entradas analógicas (±10 Vdc y de 4 a 20 mA dc) para control remoto de los setpoint.
• Entradas separadas de AC y DC.
2.2.1.h. Interfaz HMI (interfaz máquina-humano):
Incluye un panel frontal con pulsadores de control, diodos led indicadores y una
pantalla de cristal liquido.
Proporciona un software llamado BESTCOMS Windows para realizar los ajustes
de control.
3 puertos de comunicación; por la parte frontal un puerto para la comunicación
serial (RS-232) para la comunicación con la PC y uso del BESTCOMS Windows. A
la izquierda del panel un puerto serial (RS-232) para la comunicación con otro DECS-
200, y un puerto RS-485 para la comunicación con terminal remoto.
17
Un ejemplo de la estructura del sistema de control de excitación digital (DECS-200) se
observa en la figura 2.3, donde se pueden ver las entradas y salidas principales de la tarjeta de
regulación de excitación.
• Potencia de Operación: este módulo entrega la potencia necesaria para el control de la
modulación del ancho del pulso (PWM) para efectuar la excitación del campo del
generador, así mismo esta potencia puede ser entregada por un imán permanente (PMG).
Figura 2.3. Estructura general del DESC-200. [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
• Alimentación: se puede utilizar cualquiera de las 2 alimentaciones (120/125 Vac/Vdc),
además la figura 2.2 nos muestra un método de respaldo en caso de que una de las dos
alimentaciones falle.
18
• Sensado: La tarjeta de regulación DECS-200 sensa tanto el voltaje como la corriente del
generador, esto se hace mediante los transformadores de potencial (normalmente colocado
en las fases a y c) y de corriente (ubicado en la fase b). El voltaje y corriente de campo son
censados internamente por la tarjeta de regulación. Esta etapa es de suma importancia
puesto que de ella depende los ajustes que debe realizar la tarjeta de regulación para
mantener la tensión en los bornes de salida y por ende de la corriente y voltaje de campo
para el ajuste de los reactivos según sea la carga que este manejando el generador.
• Puertos de comunicación: para la comunicación con el PC y uso del BESTCOMS
Windows (COM 0), para la comunicación entre 2 DECS-200 (COM 1), y para la
comunicación remota el puerto RS-485 (COM 2).
2.2.2. ESPECIFICACIONES DE LA TARJETA DE REGULACIÓN DECS-200
La tarjeta de regulación de excitación permite seleccionar entre conjunto de
especificaciones para ajustarla de una manera versátil, entre las cuales tenemos las siguientes:
2.2.2.a. Entradas de voltajes
• Entrada DC : (16 a 60)Vdc ó (90 a 150) Vdc
• Entrada AC: (85 a 132) Vac; 50/60 Hz
Nota: El transformador de aislamiento para entradas AC y DC es requerido siempre y cuando
se este efectuando el control dual de fuentes de alimentación.
2.2.2.b. Carga (Burden)
• Entrada DC: 30 W
• Entrada AC: 50VA
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2.2.2.c. Potencia de operación (selección a utilizar en el montaje)
• 63 Vdc (salida del modulo PWM)
• Voltaje nominal: 120 Vac
• Rango de operación: (100 a 139) Vac; ±10%
• Rango de frecuencia: (50 a 500 Hz)
• Configuración: (1φ ó 3 φ)
• Burden: 1570 VA
2.2.2.d. Terminales: C2 (fase a); C3 (fase b); C4 (fase c)
2.2.2.e. Sensado del voltaje del generador:
• Tipo: 1φ ó 3 φ; 4 rangos
• Burden: <1 VA por fase
• Terminales: A1, A2, A3.
2.2.2.f. Sensado 60 Hz (selección a utilizar en el montaje: Rango 1: 120 Vac (94 a 153 Vac))
2.2.2.g. Sensado de corriente del generador:
• Tipo: 2 rangos; 2 canales
• Frecuencia: 50/60 Hz
• Rangos: 1 A ó 5 A Nominal
• Burden: <1 VA por fase
Sensado 1 A
• B1, B3 (fase B, medición, VAR/PF, UEL)
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• B4, B6 (fase B, CROSSCURRENT COMPESATION (compensación de corriente de
cruce)).
Sensado 5 A:
• B2, B3 (fase B, medición, VAR/PF, UEL)
• B5, B6 (fase B, CROSSCURRENT COMPESATION (compensación de corriente de
cruce)).
2.2.2.h. Sensado Bus voltaje:
• Tipo: 1φ; 4 rangos
• Burden: <1 A
• Rango: idéntico al elegido para el sensado de voltaje (rango 1, 60 Hz)
2.2.3. CONTACTOS DE CIRCUITO DE ENTRADA
En la figura 2.4 se observa un diagrama de bloques más detallado de la tarjeta de
regulación DECS-200, A continuación se describirán los contactos de entrada que posee el
sistema de regulación digital. En total son 11 contactos de circuitos de entrada, con
aislamiento de 12 Vdc; estos contactos permiten el control y funcionamiento de la DECS-200.
Cada una de las 11 entradas, sus funciones y tipos de entradas requeridas son definidas a
continuación:
a. INICIO (START): Esta entrada acepta un contacto momentáneo y activa el DECS-200 para
iniciar la excitación del campo del generador. Una vez que la excitación es activada esta
entrada no tiene efecto.
21
b. PARAR (STOP): Esta entrada acepta un contacto momentáneo y desactiva el DECS-200,
una vez que la excitación es desactivada esta entrada no tiene efecto. Si las entradas start y
stop se activan al mismo tiempo; el stop tiene prioridad.
c. Regulación Automática de voltaje (AVR): Esta entrada acepta un contacto momentáneo
para activar la DECS-200 en modo AVR y arrancar la regulación automática de voltaje
según sean las exigencias de la carga que este manejando el generador; este es el modo de
operación mas recomendable pues permite al DECS-200 realizar un mejor control del
campo de excitación por medio de una estrategia de control que utiliza un control PID.
Una vez activado el modo AVR esta entrada no tiene efecto.
Figura 2.4. Diagrama de bloques detallado del sistema de excitación digital DECS-200.
[Manual DECS-200 Basler Electric. 2002].
22
d. Regulación Manual de la corriente de campo (FCR): Esta entrada acepta un contacto
momentáneo para activar el modo FCR del DECS-200, al activarse esta entrada el control
sobre la corriente de campo es manual y responde a los contactos subir y bajar. Una vez
activado el modo FCR esta entrada no tiene efecto internamente. Si las entradas AVR y
FCR son activadas al mismo tiempo; el FCR tiene prioridad sobre el AVR.
e. Subir (Raice): Esta entrada incrementa el valor del punto de ajuste (setpoint) establecido
en el sistema de excitación digital, esta función es activada con un contacto cerrado, el
crecimiento ascendente es función del rango del setpoint ajustado. Además esta entrada no
tiene efecto cuando el modo preposición esta programado en mantener (Maintain) y el
contacto de preposición esta cerrado.
f. Bajar (Lower): Esta entrada disminuye el valor del setpoint establecido en el sistema de
excitación digital, esta función se activa con un contacto cerrado, el crecimiento
descendente es función del rango de ajuste del setpoint. Esta entrada no tiene efecto
cuando el modo preposición esta programado en mantener y el contacto de preposición
esta cerrado.
g. Preposición (PRE-P): Esta entrada permite un contacto continuo y ajusta todos setpoint
guardados en el valor de preposición, si se activa el modo preposición en mantener esta
entrada desbordará las entradas subir y baja para mantener el setpoint y el valor de
preposición mientras el contacto este cerrado de manera de no poder modificar el valor del
setpoint; solo cuando el contacto este abierto se podrá variar el valor de setpoint por medio
de las entradas subir y bajar. Si se activa preposición en modo libre (Release) la entrada de
preposición permite cambiar el valor del setpoint por medio de las entradas subir y bajar.
23
h. 52 L/M (unidad/paralelo): Esta entrada acepta un contacto continuo e informa al DECS-
200 si el generador se encuentra trabajando en forma aislada, en paralelo con otro
generador o en paralelo con la red de alimentación. Para activar los diferentes modos de
operación necesarios para efectuar una correcta regulación automática de la excitación (ver
tabla 2.1). Debe asociarse al disyuntor principal 52 G.
i. 52 J/K (activación de los modos VAR/PF): Esta entrada acepta un contacto continuo para
activar o desactivar los modos VAR/PF. Un contacto abierto activa la DECS-200 para el
control de potencia reactiva o del factor de potencia según sea programado. Debe asociarse
al disyuntor principal 52 G.. Es bueno señalar la importancia de los contactos 52 L/M y 52
J/K; debido a que según sean sus posiciones activaran los modos de operación para
trabajar en forma aislada, en compensación lineal de reactivos (modo DROOP) y en el
modo VAR/PF para regulación de la potencia reactiva o regulación del factor de potencia
(observe la tabla 2.1).
• Si ambos contactos (52 L/M y 52 J/K) están cerrados, el modo AVR (Regulación
Automática de Voltaje) esta activado, así como también el modo off-line de sobre
excitación (OEL) se activara si se exceden los límites configurados para este modo de
operación. Además se desactiva el modo SCL (limite de corriente del estator); esta
configuración se realiza cuando se esta trabajando con una sola unidad de generación.
• Si el 52 L/M esta abierto y 52 J/K esta cerrado, se activa el modo DROOP (compensación
lineal de reactivos), así mismo se activa el modo on-line de OEL si son excedidos los
límites configurados en este modo de operación. Esta configuración es utilizada para
conectar un generador en paralelo con la red en modo DROOP, para dos generadores en
paralelo en modo DROOP o en modo CCC (compensación de corriente de cruce).
24
• Si ambos contactos (52 L/M y 52 J/K) están abiertos, el modo VAR/PF (Regulación de
Potencia Reactiva/Regulación del factor de potencia) esta activado, el modo on-line de
sobre excitación (OEL) se activara si se exceden los límites configurados para este modo
de operación, esta configuración se efectúa cuando se esta trabajando en paralelo con la
red de alimentación.
j. Activación secundaria (SECEN): Esta entrada acepta un contacto continúo y activa la
DECS-200 para operar como unidad secundaria, es decir que la unidad empieza a trabajar
como esclavo, y obedecerá a las órdenes de la unidad maestro.
Tabla 2.1. Resumen de los efectos de los contactos 52 L/M y 52 J/K en el DECS-200
Modo de operación
del DECS-200
Contacto
52 L/M
Contacto
52 J/K
Modo de operación del
generador
AVR, OFF-LINE de
OEL activado, SCL y
UEL desactivados.
Cerrado
Cerrado
Un generador aislado
DROOP, ON-LINE
de OEL activado.
Abierto
Cerrado
2 ó más unidades en
paralelo (para modo
DROOP ó CCC)
VAR ó PF, ON-LINE
de OEL activado
Abierto
Abierto
Paralelo con la red de
alimentación.
k. Reset de alarmas (ALRST): Esta entrada acepta un contacto momentáneo para limpiar
todas las alertas de los relés de anunciación y los mensajes en el panel frontal.
25
2.2.4. ENTRADAS ANALÓGICAS
• Rangos del voltaje de sensado del generador (sensado Vab, Vbc, Vca)
Para sensar el voltaje del generador el DECS-200 utiliza 4 rangos 120 V, 240 V, 480 V y
600 V nominal, la selección del rango es igual para el bus voltaje y para el voltaje del
generador y es basado en el voltaje secundario del transformador de potencial (TV). Para 120
Vac se tiene (85 a 153) Vac, para 240 Vac el rango es (170 a300) Vac, para 480 Vac es (348 a
528) Vac y para 600 Vac (540 a 690) Vac.
• Igualación del Voltaje (Voltage Matching)
Esta entrada es utilizada para sensar la tensión del generador en las fases a y c. Esta es
utilizada para estimar el voltaje rms y la frecuencia del generador además permite igualar los
voltajes aguas arriba y abajo del disyuntor 52 G
• Corriente de línea de la fase B:
Esta entrada se encuentra aislada internamente y permite obtener el valor de la corriente de
la fase B, por medio del un transformador de corriente (TC).
• Entrada de lazo de corriente de cruce:
Esta entrada utiliza un transformador de corriente (TC) colocado en la fase B para operar
en el modo CCC (compensación de corriente de cruce).
26
• Voltaje y corriente de campo:
Esta señal es sensada internamente, la señal de voltaje de campo es usada para la
protección de Sobrevoltaje de campo, la señal de corriente de campo es utilizada para los
limites OEL en línea y desconectado, y para la protección de Sobrecorriente de campo.
2.2.5. CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL
Este modulo permite convertir todas las señales analógicas de voltaje y corriente en señales
digitales a través de un convertidor analógico digital de 12 bits, cada señal es recibida por el
procesador digital de señales para luego ser utilizadas en las estrategia de control.
2.2.6. MICROPROCESADOR
El microprocesador es el corazón del sistema de control de excitación digital, pues es el
que permite al sistema realizar ajustes para controlar la excitación, pues es el microprocesador
el que genera los pulsos de PWM para entregar la excitación al generador, así como también
permite la comunicación con el usuario mediante la interfaz HMI para poder tener un
herramienta que permita al operador saber si esta ocurriendo alguna falla en el circuito de
excitación gracias a el sistema de alarmas que posee el DECS-200. En la figura 2.3 se puede
observar como todas las señales analógicas y las entradas de control van dirigidas al
microprocesador para que se pueda realizar la estrategia de control apropiada para mantener
los valores de ajustes invariables ante variaciones en el sistema.
2.2.7. CIRCUITOS DE MEMORIA
El DECS-200 contiene 3 circuitos de memoria; la memoria FLASH la cual es una memoria
no-volátil y permite la ejecución del software. La memoria RAM que es de tipo volátil y sirve
27
para obtener información sobre datos temporales. Y por ultimo posee una memoria EEPROM
que es programada eléctricamente y es de solo lectura, sin embargo sus datos pueden ser re-
grabados posteriormente, esta memoria es de tipo no-volátil y permite guardar los datos y
configuraciones del sistema.
2.2.8. CONTACTOS DE RELÉS DE SALIDA
En total son 5 relés de salida de los cuales 3 de ellos provienen de salidas programables
para cualquiera de las protecciones contra fallas para el generador mencionadas en el punto
2.2.1.e, los relés restantes son salidas únicas; una para sensar la conexión o desconexión de la
excitación del DECS-200, y la otra para indicar la operación de la protección del perro
guardián que posee el microprocesador cuando haya ocurrido una falla en la ejecución del
programa. Cada contacto de relé de salida puede soportar 7 A a 240 Vac cada uno con
aislamiento de 300 V. En total son 8 protecciones contra fallas al generador que puede
suministrar el sistema de control de excitación digital DECS-200:
• Sobrevoltaje de campo. Esta alarma nos informa si esta ocurriendo un incremento del
voltaje del campo de excitación, para ello se esta midiendo constantemente el nivel del
voltaje de excitación y se cuenta con un pequeño retardo de tiempo para evitar falsas
alarmas cuando existan picos producidos por el arranque de algunos motores grandes. El
valor del voltaje puede ajustarse de 1 a 325 Vdc en pasos de 1 Vdc, y el retardo de tiempo
puede ajustarse de 0.2 a 30 Seg en incrementos de 0.1 seg.
• Sobrecorriente de campo. Esta alarma informa cuando ocurre un incremento de la
corriente del campo excitación durante un lapso de tiempo determinado, con esta alarma se
informa en el panel frontal del DECS-200 o puede ordenarse una parada de emergencia en
caso de ser muy elevada la corriente de campo; esto es muy importante debido a que
permite proteger el circuito de excitación del generador. Cualquiera de los tres relés puede
28
programarse para indicar una alarma por medio de un piloto indicador para el operador de
la planta eléctrica. La operación de esta alarma se rige según la curva mostrada en la figura
2.5, obsérvese que se pueden ajustar diferentes valores para el dial del tiempo según sea el
múltiplo de la corriente de falla, esta curva es provista por el fabricante del sistema de
excitación digital DECS-200.
• Sobrevoltaje del generador. Un incremento indebido del nivel del voltaje del generador
durante un lapso de tiempo determinado activara una alarma en el panel frontal del sistema
de excitación digital DECS-200, así como también en cualquiera de los relés si se desea
programar esta alarma para Sobrevoltaje de generador. El sobre voltaje de generador se
puede configurar de 0 a 30 KVac en pasos de un 1V y el tiempo de retardo puede
configurarse de 0.1 a 60 segundos en pasos de 0.1 seg.
Figura 2.5. Curva del tiempo Vs Corriente de campo para la operación de la alarma de
Sobrecorriente de campo. [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
• Pérdida de voltaje del generador. Cuando el voltaje del generador decrece constantemente
durante un tiempo se activa esta alarma; la cual permite al operador observar que esta
29
ocurriendo una falla de bajo voltaje y tomar alguna decisión para mejorar la situación y en
caso permanecer por mucho tiempo sacar la unidad generadora de operación. La
configuración del voltaje y tiempo son idénticos a los descritos para la protección de
Sobrevoltaje del generador.
• Pérdida de sensado. Esta protección permite informar al sistema cuando existe una
pérdida del voltaje de sensado, es decir no hay manera de medir el voltaje que se esta
generando mediante el sistema de regulación de excitación; de ocurrir esto el DECS-200
activa una de sus funciones (Internal Tracking) para pasar a forma manual
automáticamente y mantener el valor de los datos configurados durante un tiempo
determinado; esta protección funciona tanto para conexión monofásica como trifásica del
transformador de potencial (TP) al sistema de excitación digital. Al igual que en los casos
anteriores se puede observar la activación de la alarma en el panel frontal.
• Pérdida de campo. La protección para pérdida del campo de excitación es muy importante
puesto que es imposible realizar un control de la excitación si existe ausencia de la misma
el sistema no puede operar bajo estas condiciones; es por ello que de ocurrir este tipo de
falla se debe sacar de operación el generador y el sistema de control DECS-200, para
evitar que se motorice el generador y ocurran fallas posteriores que pueden causar daños
irreparables. Esta protección se puede ajustar de 0 a 3.000 Mvar con pasos de 1 Kvar para
un tiempo de retardo de 0 a 9.9 seg en pasos de 0.1 seg.
• Perro guardián del microprocesador (interrupción WATCHTDOG TIMER). Esta
protección es una interrupción propia del microprocesador que permite reiniciar el
programa cuando ocurre un error durante su ejecución; esta alarma es de utilidad pues
permite retomar la excitación en un corto periodo de tiempo además se puede asignar
unos de los tres relés de salida para indicar al operador que ocurrió este tipo de falla.
30
• Monitor del diodo de excitación. Esta protección informa al sistema el estado de los
diodos del circuito de excitación de manera de saber si estos se encuentran funcionando
perfectamente, en cortocircuito o abiertos. Esto es de gran ayuda en vista de que de ocurrir
cualquiera de los casos anteriores la tensión caería notoriamente en relación con la tensión
nominal del circuito de excitación.
Dentro de este orden de ideas es bueno señalar que el DECS-200 en el arranque tiene la
capacidad de aumentar progresivamente el voltaje en porcentajes del setpoint en un lapso de
tiempo determinado, a esta función se le conoce como arranque suave (SOFT STAR). Este
aumento progresivo del voltaje se hace en base a dos parámetros: nivel de salida suave y el
tiempo de salida suave; el nivel se ajusta de (0 a 90) % del setpoint con incrementos de 1%.
El tiempo se ajusta de (0 a 72) Seg con incremento de 1 Seg. Un ejemplo de ello se muestra en
la figura 2.6; donde el nivel esta ajustado a 30% del valor del voltaje y el tiempo de salida
suave esta en 8 S, transcurrido este tiempo se alcanza el valor del setpoint en un 100%.
Figura 2.6. Gráfico para el arranque de la excitación del DECS-200. [Manual DECS-200
Basler Electric. 2002]
31
2.2.9. FUNCIONES LÍMITES
El DECS-200 contiene en su estructura varias funciones límites tales como límite de baja
frecuencia, límite de proporción V/Hz, límite de sobre excitación, límite de baja excitación, y
el límite de corriente del estator. A continuación se describen cada uno de ellos.
a. Límite de baja frecuencia. Cuando la frecuencia del generador disminuye por debajo de
este limite, el DECS-200 mantendrá el voltaje generado en el valor deseado previamente
ajustado en el setpoint; así mismo se mostrará una señal de alarma de baja frecuencia. La
frecuencia de esquina puede fijarse de 45 a 60 Hz con pasos de 0.1 Hz, esta función
permite mantener el control de la excitación cuando el generador este operando bajo carga;
es bueno señalar que esta alarma estará activada siempre y cuando la frecuencia del
sistema sea menor que la frecuencia de esquina, un ejemplo de ello se muestra en la figura
2.7. En esta figura se indica que el valor de la frecuencia de esquina que es menor al de la
frecuencia nominal de operación, para lo cual un valor por debajo de esta frecuencia se
activa esta opción del DECS-200.
Figura 2.7 Curva típica para la compensación de baja frecuencia. [Manual DECS-200 Basler
Electric. 2002]
32
b. Límite de proporción V/Hz. Al igual que en los casos anteriores esta alarma de protección
se enciende cuando disminuye la proporción de V/Hz por debajo del valor configurado en
el punto de ajuste. Esto es de gran utilidad para sistemas donde el voltaje suele cambiar
bruscamente para frecuencia bajas en vista de que se exceden la proporción V/Hz. La
figura 2.8 muestra un ejemplo típico de esta aplicación; donde para valores de frecuencia
por debajo de la frecuencia nominal se realiza un ajuste del 10% sobre el voltaje nominal
para mantener la relación V/Hz.
Figura 2.8. Curva típica para la compensación de Proporción V/Hz. [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
c. Límite de sobreexcitación. Este límite esta activado para todos los modos de operación a
excepción del modo FCR, el DECS-200 estará observando constantemente el valor del
campo de excitación para observar si se produce sobreexcitación. Es bueno señalar que
para la operación de este límite es necesario conocer si el sistema esta en modo en línea
(On-line) o modo desconectado (Off-line), esto hace referencia a si el generador se
encuentra trabajando en forma aislada o en paralelo con otro generador o la red de
alimentación. De acuerdo a esto se pueden programar una de las siguientes opciones:
33
Opción 1: esta es la opción que se tiene por defecto, esta opción permite activar el límite
de sobrexcitación on-line si uno de los contactos 52 L/M ó 52 J/K está en condición de
abierto. Así mismo para activar el límite de sobrexcitación en modo off-line ambos
contactos deben estar cerrados. Si el modo VAR/PF esta deshabilitado se activará el modo
DROOP cuando el contacto 52 J/K este abierto y el modo AVR será activado cuando este
contacto este cerrado.
Opción 2: permite que el contacto 52 J/K defina que modo de operación estará activado ya
sea en-línea o desconectado. Al seleccionar esta opción si el contacto 52 J/K esta abierto
se activa los límites para modo on-line de sobreexcitación; así mismo si este contacto esta
cerrado se activa los limites para el modo off-line de sobrexcitación. Esta opción se utiliza
para el modo de operación CROSS-COMPAUND que es una conexión que permite la
compensación de cruce de dos generadores funcionando en paralelo a bajas rpm. El modo
DROOP se activa con el contacto 52 L/M esta abierto.
Opción 3: si esta opción es seleccionada la sobrexcitación en línea se activa siempre, esta
opción le permite al DECS-200 trabajar en modo AVR sin las limitaciones de si este se
encuentra operando en modo en línea o desconectado.
d. Limite de baja excitación. Este limite opera en todos lo modos menos en FCR, este limite
observa constantemente el valor de la potencia reactiva (VAR) y limita cualquier
disminución de la excitación para prevenir perdida de sincronización cuando se esta
trabajando con unidades en paralelo. Al disminuir los VAR por debajo del valor fijado en
este límite el DECS-200 mostrara una alarma de baja excitación.
2.2.10. MODOS DE OPERACIÓN DEL DECS-200
• Modo Inclinación (Droop) y compensación lineal de reactivos
El modo DROOP y la Compensación lineal de reactivos son posibles gracias a la siguiente
ecuación (2.1) de compensación de carga:
34
(2.1)
Donde:
Es la salida de voltaje compensada
Es el modulo del vector del voltaje-terminal
Representan el valor de la impedancia de compensación
Es módulo de la corriente-terminal.
Esto es utilizado cuando están operando generadores en paralelo debido a que permite
realizar un reparto lineal de los reactivos compensando la impedancia de uno de los
generadores o de uno de los transformadores de potencial utilizados para el sensado del
voltaje. Cuando el porcentaje de inclinación es positivo la compensación de inclinación de
reactivos se habilita. La inclinación es producto del rendimiento del voltaje y los Kvar que el
generador esta manejando, esto es equivalente cuando se hace nula la parte real de la
impedancia de compensación. Cuando el porcentaje de inclinación es negativo la
compensación lineal de reactivos se habilita; para esta opción se toma la parte real de la
corriente IT. Esta opción es utilizada para la compensación de impedancia de los
transformadores por lo cual la parte real de la impedancia de compensación es despreciada.
• Modo de operación compensación de corriente de cruce (CCC).
Dos generadores pueden operar en CCC si se conecta la entrada del sensado de corriente en
los terminales B4 ó B5 y el común que es B6 del DECS-200; esta aplicación permite el a las
unidades DECS-200 realizar una compensación más apropiada según sea el valor de la
corriente que se este manejando en las dos unidades generadores, en general consiste en
conectar el punto de polaridad del TC1 con el punto común del TC2 y viceversa. Un ejemplo
de ello se observa en la figura 2.9 donde se muestra una aplicación del CCC para
transformadores de sensado de 5 A y un Burden de 1Ω.
35
Figura 2.9. Compensación de corriente de cruce (CCC). [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
2.3. ESPECIFICACIONES Y APLICACIONES DEL RELÉ DE PROTECCIÓN
MULTILIN GE-489
El GE-489 es un relé multifunción para generador que proporciona un conjunto de
funciones de protección, medida y monitoreo del sistema de potencia, puede usarse como
protección principal o de respaldo para generadores de tipo sincrónico o asincrónico para 50 ó
60 Hz. Entre las funciones que se pueden realizar con el GE489 para la protección del
generador se tiene la protección diferencial, protección 100% tierra del estator, direccional de
sobrecorriente de tierra, sobrecorriente de secuencia negativa, sobrecorriente instantáneo,
sobrecorriente controlado por tensión, sobrevoltaje, subtensión, sobrefrecuencia y
subfrecuencia, protección de distancia y protección de potencia inversa, además para ajustarse
a los generadores sincrónicos incluye la protección de sobrexcitación, perdida de campo y
energización accidental del generador.
El GE-489 permite monitorear un conjunto de variables del sistema entre ellas la corriente
eficaz, sobrecorriente de secuencia negativa, potencia trifásica y temperatura por medio de las
36
12 entradas RTD. Además se hace un estudio del estado del fusible de tensiones y de la
operación del interruptor. El relé de protección multifunción dispone de 4 entradas analógicas
que pueden ser usadas para observar las vibraciones del generador. Los canales de salidas
analógicas pueden configurarse para mostrar cualquier valor medido; por su parte las señales
digitales pueden emplearse para realizar estrategias de control, protección y de diagnóstico.
2.3.1. APLICACIONES DE PROTECCIÓN Y CONTROL
Entre las principales protecciones que posee el GE-489 para la protección al generador
tenemos:
• Protección diferencial (87 G)
• Bloqueo eléctrico (86)
• Sobrefrecuencia y subfrecuencia (81)
• Sobrexcitación, V/Hz (76)
• Protección direccional de sobrecorriente de tierra (67)
• Fallo del fusible (60FL)
• Protección 100% tierra del estator (59 GN/27 TN)
• Sobretensión (59) y subtensión (27)
• Sobrecorriente restringido por tensión (51V)
• Protección sobrecorriente de tierra (50/51 GN)
• Energización accidental del generador (50/27)
• Fallo del interruptor (50BF)
• Sobrecorriente (50)
• Protección térmica del estator (49)
• Inversión de fase de tensión (47)
• Sobrecorriente de secuencia negativa (46)
• Perdida del campo de excitación (40 y 40 Q)
• Vibración de los rodamientos (39)
37
• Sobretemperatura de los rodamientos (38)
• Protección de potencia inversa (32)
• Sobreexcitación V/Hz (24)
• Protección de distancia (21)
• Sobrevelocidad (12)
La principal protección es la diferencial (87 G) la cual protege al generador mediante una
estrategia de doble pendiente porcentual para determinar la zona de operación ante una falla.
Otra protección importante es la de sobrecorriente instantánea (50) que es utilizada cuando el
generador esta fuera de servicio, esto permite proteger al generador contra fallas durante el
arranque, en vista de que no es necesario distinguir entre una falla del generador o del sistema
puesto que el generador se encuentra fuera de servicio; se puede efectuar un ajuste mas fino
que el utilizado en la protección diferencial. En la figura 2.10 se muestra el diagrama de
conexión unifilar para la protección de un generador por medio del relé Multilin GE-489
Para la protección de la tierra del estator se cuenta con la protección de sobrecorriente de
tierra (51 GN). La protección 100% de falla a tierra del estator se realiza a través de una
protección de sobrevoltaje (59 GN) y una protección de subtensión (27 TN) que opera tras la
ocurrencia de componentes del tercer armónico entre los bornes y el neutro del generador;
además se cuenta con una entrada de analógica que permite sensar el valor del voltaje del
neutro del generador. También se cuenta con la protección direccional de sobrecorriente de
tierra (67) que compara el ángulo de la tensión en el neutro y la corriente que circula por el
neutro para determinar si ocurre una falla de sobrecorriente en la tierra del estator. Otra
protección importante que proporciona el GE-489 es la protección de Sobretemperatura a
través de las entradas RTD para la protección térmica del estator (49) que garantiza la
operación ante condiciones de sobrecarga en funcionamiento. Además se cuenta con una
entrada adicional de respaldo que permite comparar la existencia de la sobrecarga y de esta
manera proporcionar mayor confiabilidad. Esto se hace a través de un modelo térmico que
proporciona una curva de sobrecarga que puede usarse tanto para la corriente inversa y para
38
las RTD del estator, el enfriamiento de la maquina se simula como un decaimiento
exponencial de la capacidad térmica almacenada.
Figura 2.10. Diagrama de conexión unifilar. [Manual GE-489 GE Multilin. 2007]
Para la protección de los rodamientos se puede configurar cualquiera de las 12 entradas
RTD para monitorear la temperatura y proteger al generador ante una sobrecarga de la
capacidad térmica de los rodamientos. La protección a utilizar es la 38, al igual que para la
protección del temperatura del estator se puede usar otra entrada para ofrecer mas seguridad en
la operación de esta protección. Es bueno señalar que las 4 entradas analógicas pueden
utilizarse para un estudio completo de las vibraciones de los rodamientos a través de un
transductor de vibración y se puede configurar para el disparo del generador mediante la
protección 39. Para la protecciones del generador relacionadas con el circuito de excitación
tenemos las protecciones se sobretensión (59), subtensión (27) y sobreexcitación (24), las
cuales se pueden configurar para alarma o disparo. Para la perdida de campo se utiliza la
protección 40 y para la perdida de potencia reactiva la protección 40Q. Las corrientes de
secuencia negativa producen calentamiento en el rotor del generador, cada generador posee un
limite especifico de el limite de corriente inversa que pueden soportar sin que ocurra este
exceso de temperatura en el rotor lo cual viene dado por la ecuación K= I2.t
39
Las protecciones de respaldo del GE-489 cuentan con la protección de sobrecorriente
restringido por tensión (51 V), el nivel de arranque de esta unidad es configurado a través de
las curvas de tiempo inverso tomando en cuenta la relación fija con la tensión compuesta
medida. La protección de sobrecorriente (50) sirve de respaldo cuando alguna de las tres fases
excede el nivel de disparo. La protección de distancia (21) utiliza dos zonas Mho de operación
entre fases. También incluye las protecciones de sobrefrecuencia y subfrecuencia (81) para
piloto y disparo, en el caso del piloto de alarma el operador de la planta eléctrica debe
orientarse a corregir la falla antes de que se produzca un disparo de la unidad por la unidad 81.
2.3.2. ESPECIFICACIONES DE LAS ENTRADAS DEL RELÉ MULTILIN GE-489.
Las especificaciones que requiere el relé para realizar la protección al generador son las
siguientes:
• Entradas analógicas de corriente. Los valores típicos que permite manejar el GE-489
pueden ser seleccionados y programados en el sistema para la utilización de cualquier
entrada analógica de corriente proveniente de algún sensor, transductor o de un
transmisor, entre las opciones se tienen las siguientes:
Las entradas pueden ser de : 0 a 1 mA, 0 a 20 mA, 4 a 20 mA
Impedancia de entrada: 226Ω ± 10%
Rango de conversión: de 0 a 20 mA
Apreciación : ± 1% del fondo escala
Entradas analógicas de poder: +24 Vdc para un valor máximo de corriente de 100 mA
• Seguimiento de la entrada analógica de frecuencia: El seguimiento de la frecuencia
depende del tipo de conexión; las variables utilizadas es el voltaje (Va para conexión
estrella y Vab para conexión delta abierta) y la frecuencia. Los valores mínimos
permitidos son 6V y 10 Hz/s respectivamente.
40
• Entradas digitales: En total son 9 entradas opto-aisladas para la conexión de un switch
externo se puede utilizar un contacto con resistencia menor a 400 Ω, así mismo se
permite utilizar un transistor de tipo NPN, colector abierto para los sensores, los
valores que se deben manejar deben ser de 6 mA, con una resistencia de 4 KΩ (pull-
up) a 24 Vdc y voltaje colector-emisor menor a 4Vdc.
• Entradas para la protección de corriente de tierra: las especificaciones que deben
cumplir los elementos para la protección de corriente de tierra debes ser las siguientes:
Primario del transformador de corriente (TC): De: (10 a 10000) A
Secundario del transformador de corriente (TC): (1A / 5A)
Rango de conversión: 0.02 a 20× TC
Apreciación del TC: a< 2×TC=±0.5% de 2×TC
a≥2×TC= ±1% de 20×TC
El Burden debe ser el siguiente: Para 1 A: 0.024 VA; 0.024 Ω
Para 5 A: 0.605 VA; 0.024 Ω
• Entrada del voltaje del neutro: para esta protección el GE-489 requiere un
transformador de potencial que cumpla con las siguientes características:
El transformador de potencial puede ajustarse de 1 a 240.00 V en pasos de 0.01.
El voltaje de secundario es 100 Vac.
Rango de conversión: 0.02 a 1.00×fondo escala
Apreciación: ± 0.5% del fondo escala.
• Entrada del voltaje de fase: el transformador de potencial para medir las tensiones de
fase debe tener las siguiente especificaciones técnicas:
El voltaje puede ajustarse de 1 a 300,00 V en pasos de 0.01 V
41
El transformador de potencial en el secundario: 200 Vac
Rango de conversión: 0.02 a 1.00×fondo escala
Apreciación: ± 0.5 % del fondo escala
Burden > 500 K Ω
• Entradas RTD: el GE-489 permite ajustar de manera versátil el tipo de resistencia
térmica que se requiera para el sensado de la temperatura y capacidad térmica del
generador, a continuación se describen las características de las resistencias térmicas:
Se deben utilizar RTD (tipo 3 conductores) y estas pueden ser de 100 Ω de platino (Pt),
10 Ω cobre (Cu) o de 100 Ω, 120Ω de níquel (Ni).
El sensado de corriente para las RTD es de 5 mA
Aislamiento: 36 Vp (aislamiento para entradas y salidas analógicas )
Rango: −50 a 250 ºC
Apreciación: ±2 ºC/ ±4 ºF para Platino (Pt) y Níquel (Ni)
±5 ºC/ ±9 ºF para Cobre (Cu )
Resistencia de carga: máximo 25 Ω para RTD tipo Pt y Ni y 3 Ω par RTD tipo Cu.
2.3.3. SALIDAS ANALÓGICAS DEL RELÉ DE PROTECCIÓN MULTILIN GE-489
Las salidas analógicas del relé de protección Multilin GE-489 son dos; las salidas
analógicas de corriente y las salidas de pulsos. Las características de estas se enumeran a
continuación:
• Salida analógica de corriente
Rangos: 4 a 20 mA, 0 a 1 mA
Apreciación: ±1% del fondo escala
Carga: Para: 4 a 20 mA (la carga es 1.2 K Ω)
42
0 a 1 mA (la carga es 10 K Ω)
Aislamiento: 36 Vp
Se pueden asignar 4 salidas para cada una de las siguientes funciones: salida de
corriente para las fases a, b, c; registro de corriente trifásica; salida de corriente de
secuencia negativa, carga del generador, RTD del estator y rodamientos, voltajes entre
fases (Vab, Vbc, Vca ), frecuencia en V/Hz; circulación de componentes de tercer
armónico por el neutro del generador; potencia trifásica (en MVA, Mvar, Mw), factor
de potencia (FP), entradas de tacómetro, uso de la capacidad térmica, demanda de
corriente, potencia activa y reactiva, y torque del generador.
• Salidas de pulsos
Tipo de parámetros: Kw/h; Kvar/h; KVA/h
Intervalos: de 1 a 5000 en incrementos de 1.
Ancho del pulso: 200 a 1000 ms con incrementos de 1 s.
2.3.4. ESPECIFICACIONES DE LAS PROTECCIONES
Cada protección que posee el GE-489 presenta ciertas características tales como aplicación,
curvas de operación, tiempos de operación y tiempo de retardo, entre otras que hacen posible
hacer del GE-489 un sistema confiable y seguro para proteger al generador ante la ocurrencia
de fallas en el sistema de potencia.
• Protección de distancia (21)
Características: Mho desplazado
Ángulo: se puede configurar de 50º a 85º en pasos de 1º.
Tiempo de retardo: de 0.15 a 150 segundos con incrementos de 0.1 s
Numero de zonas: 2 zonas Mho de operación.
43
• Protección direccional de tierra (67)
Uso: Alarma y disparo
Nivel de arranque: 0.05 a 20×TC en pasos de 0.01
Tiempo de retardo: 0.1 a 120 s con incrementos de 0.1 s
• Protección de sobrecorriente de tierra(50/51GN)
Uso: Disparo
Formas de curva: (Normas): ANSI, IEC, IAC, FlexCurve, Definite Time
Tiempo de retardo: De 0 a 100 s con incrementos de 0.01 s.
Nivel de arranque. Según sea la entrada de corriente de tierra.
• Sobrecorriente de fase (50)
Uso: Disparo
Nivel de arranque: 0.15 a 20×TC en pasos de 0.01.
Tiempo de retardo: De 0 a 100 s con 0.01 s. de incremento
• Energización accidental del generador (50/27)
Uso: Disparo.
Variables a sensar: bajo voltaje y/o disyuntor (52G) fuera de servicio
Nivel de arranque: 0.05 a 3×TC en pasos de 0.01 de cualquier fase
Tiempo de retardo: 0 a100 s (incrementos de 0.01 s).
• Pérdida de excitación (medición de impedancia (40))
Uso: Disparo
44
Nivel de arranque: De 2.5 a 300 Ω en el secundario los incrementos son de 0.1
Tiempo de retardo: 0.1 a 10 s (con incrementos de 0.1 s)
Elementos utilizados: dos zonas de circulo impedancia
• Protección de sobrecorriente de secuencia negativa (46)
Uso: Disparo
Nivel de arranque: De 3 a 100% FLA (función limite de alarma )con incrementos de
1%
Formas de curva: I22×t = K (definición del tiempo de alarma)
Tiempo de retardo: 0.1 a 100 s con pasos de 0.1 s.
• Protección de sobrevoltaje del neutro(59GN)
Forma parte de la protección 100% tierra del estator (al igual que la protección 27TN).
Uso: alarma y disparo
Nivel de arranque: De 2 a 100V en el secundario con incrementos de 0.01 V
Tiempo de retardo: 0.1 a 120 s en pasos de 0.1 s.
• Protección para subtensión del neutro (27TN)
Uso: Alarma y disparo
Variables observadas: Baja potencia y bajo voltaje para conexión delta abierta
Nivel de arranque:0.5 a 20 V en el secundario con pasos de 0.01 si es conexión delta
abierta, se debe adaptar para conexión en estrella
Tiempo de retardo: 5 a 120s en pasos de 1 s.
• Protección de sobrecorriente fuera de servicio (50)
Uso: Disparo
45
Nivel de arranque:0.05 a 1×TC con pasos de 0.01 de cualquier fase
Tiempo de retardo: 3 a 99 ciclos en pasos de 1.
• Alarma de sobrecorriente
Uso: Alarma
Nivel de arranque: De 0.1 a 1.5×FLA en pasos de 0.01
Tiempo de retardo: De 0.1 a 250s con incrementos en pasos de 0.1
• Protección de sobrefrecuencia (81)
Uso: Alarma y disparo
Voltaje requerido: 0.5 a 0.99× tasa de voltaje en la fase A
Formas de curvas: 1 alarma de primer nivel, 2 nivel de disparo
Tempo de retardo: 0.1 a 2100 s en pasos de 0.1 s
• Protección de sobrecarga/ Modelo térmico (49)
Uso: Alarma y disparo
Curvas de sobrecarga: 15 normas de curvas de sobrecargas, curvas Custom.
Curvas de torsión: Fase desequilibrada, curva de proporción caliente/tibio
Nivel de arranque de sobrecarga: 1.01 a 1.05
• Protección de sobrevoltaje (59)
Uso: alarma y disparo
Formas de curva: tiempo inverso, alarma de tiempo definido
Tiempo de retardo: 0.2 a 120 s en pasos de 0.1 s
46
• Protección diferencial de fase (87G)
Uso: Disparo
Nivel de arranque: 0.05 a 1×TC en pasos de 0.01
Formas de curva: Doble pendiente porcentual
Tiempo de retardo: 0 a 100 ciclos en pasos de 1.
• Protección de sobrecorriente de fase (50)
Uso: Disparo
Nivel de arranque: 0.15 a 20×TC en pasos de 0.01 de cualquier fase
Formas de curva: ANSI, IEC, IAC, FlexCurve, Definite Time
Tiempo de retardo: 0 a 100 s en pasos de 0.001 s.
• Protección térmica RTD
Uso: Alarma y disparo
Nivel de arranque: 1 a 250 ºC en pasos de pasos de 1 ºC.
Histéresis de arranque: 2ºC
Tiempo de retardo: de 0 a100 s en pasos de 0.001 s.
• Protección de baja frecuencia (81)
Uso: Alarma y disparo
Voltaje requerido: 0.50 a 0.99 ×Tasa de voltaje en la fase A.
Nivel de arranque: 20 a 60 Hz en pasos de 0.01 Hz
Formas de curva: 1 nivel de alarma, 2 nivel de disparo
47
• Protección de bajo voltaje (27)
Uso: Alarma y disparo
Nivel de arranque: 0.5 a 0.99×Tasa V en pasos de 0.01.
Formas de curva: Tiempo Inverso, definición de tiempo de alarma
Retardo: 0.2 a 120 s en pasos de 0.1 s
• Protección contra inversión de rotación de fase (47)
Uso: Disparo
Configuración: ABC o ACB
• Volt /Hertz (24)
Uso: Alarma y disparo
Nivel de arranque: 1 a 1.99×Nominal en pasos de 0.01
Tiempo de retardo: 0.1 a 120 s en pasos de 0.1.
2.3.5. ENTRADAS DIGITALES
• Entrada digital de A hasta G
Uso: Alarma, disparo y control
Tiempo de retardo: 0.1 a 5000 s en pasos de 1
• Secuencia de disparo
Uso: Disparo
48
Nivel de arranque: 0.2 a 0.99×rata de Mw en pasos de 0.01, potencia inversa.
Tiempo de retardo: 0.2 a 120 s en pasos de 0.1 s.
• Entrada de tacómetro:
Uso: Alarma y disparo
Medición de revoluciones = 0 a 7200 rpm
Ciclo del pulso: > 10%
Nivel de arranque: 101 a 175×rata de velocidad en pasos de 1
Tiempo de retardo: 1 a 250 s con incrementos de 1s.
2.3.6. ALIMENTACIÓN
Se puede seleccionar dos rangos Bajo/Alto
Bajo rango: 20 a 60 VDC
20 a 48 VAC (de 48 a 62 Hz)
Alto rango: 90 a 300 VDC
70 a 265 VAC (de 48 a 62 Hz)
Potencia: máximo 45 VA
2.3.7. PUERTOS DE COMUNICACIÓN
Puerto RS-232: ubicado en el panel frontal (sin aislamiento)
Puerto RS-485: aislamiento de 36 Vp
Rata de baudios para RS-485: 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200,
Rata de baudios para RS-232: 9600
Para comunicarse con el PC se utiliza el software EnerVista Launchpad que proporciona un
lenguaje agradable para los ajustes del sistema de potencia que se desea proteger.
CAPÍTULO III PROGRAMACIÓN E INSTALACIÓN DEL DECS200
3.1. PROGRAMACIÓN DEL DECS-200
Para comunicarnos con el DECS-200 se utilizará el BESCOMS SOFTWARE, una
aplicación basada en Windows® que proporciona un interfaz sencillo y agradable que permite
personalizar las aplicaciones del DECS-200. Su instalación es muy sencilla sólo basta con
correr el archivo de instalación del Software, la conexión del PC con el DECS-200 es por
medio del puerto serial RS-232. A continuación se mostraran una serie de pasos para la
programación del DECS-200; las imágenes que se muestran a continuación son tomadas del
software BESCOMS-DECS-200 versión 1.05, Basler Electric, 2001-2007, y corresponden a la
programación realizada a las unidades DECS-200 de la Industria Azucarera “Santa Elena”.
3.1.1. Para establecer la comunicación es necesario hacer clic en la barra de herramienta para
la comunicación tal como se muestra en la figura 3.1.
Figura 3.1. Comunicación del PC con el DECS-200
50
3.1.2. Una vez establecida la comunicación es bueno configurar la fecha y la hora a través de
la barra de herramientas de configuración (CONFIGURE), tal como se muestra en la
figura 3.2.
Figura 3.2. Configuración del reloj de tiempo real
En la ventana que se despliega se observa el un espacio para configurar la fecha y el
formato en que se desea ordenarla ya sea Día/Mes /Año ó Mes/Día/Año, posteriormente
aparece un espacio para configurar la hora y el formato para ser mostrada (12 h ó 24 h). Luego
de esto se pueden enviar los datos al DECS-200, para enviar los datos hacer clic en la opción
“SEND SETTING TO DECS-200” y se enviaran los datos automáticamente.
3.1.3. Configuración del sistema: la figura 3.3 muestra las opciones que provee la barra
del menú CONFIGURE. En esta ventana se elige los tipos de límites en que se desea
trabajar con el DECS-200; si se desea seleccionar un solo límite, combinaciones entre
ellos o si no se quiere seleccionar ninguno de ellos. Además se selecciona el tipo de
sensado haciendo referencia al tipo de conexión, es decir si es trifásica o monofásica;
También se selecciona el valor de la frecuencia de trabajo (50 Hz ó 60 Hz).
51
La opción siguiente es el Voltaje Matching; esta opción permite igualar los voltajes cuando
se conectan generadores en paralelo con la red de alimentación u otra unidad generadora. Los
campos restantes que son de solo lectura pertenecen al número de la versión y nombre del
equipo. La información mostrada en esa ventana del sistema es la que fue seleccionada para la
programación del DECS-200 para los turbogeneradores de la empresa.
Figura 3.3. Menú de la Configuración del sistema (System Options)
3.1.4. La siguiente ventana de este menú corresponde a los datos del sistema (SYSTEM
DATA), en la cual se configuran el valor del primario y secundario de los
transformadores de potencial y de los transformadores de corriente, así como también
seleccionar si deseamos utilizar el INTERNAL TRACKING o el EXTERNAL
TRACKING; la primera opción permite hacer un cambio de modo automático (AVR)
a modo manual (FCR) cundo exista una pérdida del voltaje sensado por el DECS-200
activando los valores de preposición para mantener la excitación durante un tiempo
determinado y evitar que pueda invertirse el flujo de potencia del generador y este
empiece a consumir potencia. La segunda opción es utilizada cuando se utilizan dos
DECS-200 operando en paralelo y de ocurrir alguna falla crítica uno de ellos se coloca
como maestro y el otro como esclavo para solventar la falla que esta ocurriendo. Para
cualquiera de estos modos de operación existe una alarma indicadora en el panel
52
frontal de este sistema de control. En la figura 3.4 se muestran los datos configurados
para el caso de los turbogeneradores de la industria santa Elena.
Figura 3.4. Datos del sistema (System Data) Figura 3.5: Tasa de datos del sistema
3.1.5. La próxima ventana de esta barra del menú de configuración es la de Tasa de datos
(Rated Data), la cual permite calcular la potencia activa y reactiva del generador al
introducir los datos de tensión nominal, corriente nominal y el factor de potencia,
además realiza el cálculo de la resistencia del circuito del campo de excitación al
introducir el valor del voltaje y corriente de campo. La figura 3.5 muestra los datos
configurados para la industria “Santa Elena”.
3.1.6. La última ventana de este menú permite seleccionar las entradas auxiliares las cuales
pueden ser de voltaje o de corriente (ver figura 3.6), así como también el lazo ya sea
interno (AVR/FCR) o externo (VAR/PF), también se indican las ganancias de lazo
para todos los modos según sea la entrada auxiliar; en la parte inferior de esta ventana
se muestran los campos permitidos para colocar el porcentaje para la compensación en
modo de compensación de inclinación de reactivos (Droop) o compensación de
corriente cruzada (referir al capitulo II numeral 2.2.10).
53
Figura 3.6. Configuración de entradas auxiliares y modos de operación.
3.1.7. La segunda barra contiene el menú (SETTINGS) en el cual se ajustaran todos los
valores de los Setpoint para cada uno de los modos de operación del DECS-200. En
primer lugar se despliega la ventana correspondiente a los modos AVR/FCR, en el
campo superior se coloca el valor de ajuste, en el siguiente campo se coloca el
porcentaje de holgura con que se realizará la regulación. El campo dirigido a la
preposición permite colocar un valor de ajuste que puede ser igual o diferente al del
primer campo, aunque por lo general estos valores deben ser los mismos; Así mismo se
realiza para la configuración de los datos para los modos VAR y PF (ver figura 3.7 y
3.8). La respuesta del Pre-p se basa en lo expuesto en el numeral 2.2.3.g del capitulo II.
Figura 3.7. Modos AVR/FCR Figura 3.8. Modos VAR/PF
54
3.1.8. La siguiente ventana de este menú es para configurar la puesta en marcha de los
modos de operación del DECS-200 (obsérvese la figura 3.9). Para ello existe un campo
para configurar el porcentaje del nivel de arranque y el tiempo de puesta en marcha; así
como también la configuración de baja frecuencia y el porcentaje para igualar el
voltaje mediante la opción del voltaje Matching.
Figura 3.9. Modos de operación Figura 3.10.a. Selección de opciones de OEL
3.1.9. Siguiendo el orden de las ventanas de esta barra del menú, la siguiente corresponde a
la selección de la opción de trabajo para el límite de sobreexcitación y la forma en que
trabajaran los contactos de entrada 52 L/M y 52 J/K. lo expuesto aquí se observa en la
figura 3.10.a. Dentro de este orden de ideas la próxima ventana permite configurar los
valores para los cuales trabajara este límite para modo de operación en-línea y
desconectado; esto se observa en la figura 3.10.b.
3.1.10. Las 3 ventanas siguientes son utilizadas para los gráficos de sobreexcitación (en-línea y
desconectado), para los limites de baja excitación y los limites de corriente del estator
y se muestran en las figuras 3.10.c, 3.11 y 3.12 respectivamente; es bueno señalar que
la protección de corriente del estator no es utilizada para la programación del
turbogenerador de la industria Azucarera santa Elena.
55
Figura 3.10.b. Limites de sobrexcitación (on line-off line) Figura 3.10.c.Grafico de Sobrexcitación
Figura 3.11. Limite de baja excitación Figura 3.12. Limite de corriente del estator
3.1.11. la barra del menú GAIN, contiene las ganancias proporcionales, derivativas e
integrales de cada proceso, también muestra el rango de estabilidad del sistema que por
lo general es 21. Estos valores son calculados automáticamente al introducir la
constante del tiempo de excitación y la constante de tiempo de generación ubicados el
la opción PID de esta barra de opciones; el ajuste de estos tiempos se realizó de manera
empírica haciendo ensayo y error hasta obtener una respuesta rápida y optima,
tomando en cuenta que el sistema de excitación debe responder mas rápido que el
gobernador de la turbina. Obsérvese la figura 3.13.
56
Figura 3.13. Ganancias y rango de estabilidad para el control PID del DECS-200
3.1.12. La siguiente ventana muestra un análisis del sistema para cada uno de los modos de
operación (AVR, FCR, VAR, y PF), en dicho análisis si pueden observar el estado de
las alarmas previamente programadas en el sistema; ver figura 3.14.
Figura 3.14. Análisis del sistema
Ajuste de las constantes de tiempo de excitación y del generación
57
3.1.13. La barra del menú protección permite configurar las alarmas para que se activen
cualquiera de los 3 relés de salida. En esta ventana se activa el tipo de alarma, se
direcciona el relé que se requiere para su operación y se ajusta el tipo de contacto que
se requiera ya sea normalmente abierto o Normalmente cerrado así como también
mantenido o momentáneo, esta configuración se observa en las figuras 3.15.a, 3.15.b,
3.15.c, 3.15.d respectivamente. Estas protecciones no se utilizaron para la excitación
del los turbogeneradores 1 y 3 de Industria “Santa Elena”.
Figura 3.15.a. Activación de las alarmas Figura 3.15.b. Niveles de arranque
Figura 3.15.c. Asignación del relé Figura 3.15.d. Configuración del contacto
58
3.1.14. El siguiente menú permite observar las mediciones de todas las variables del sistema
como voltaje, corriente, campo de excitación, modo de operación, potencia aparente,
real y reactiva. Esto se puede ver fácilmente el la figura 3.16, además esta ventana
permite cambiar los modos de operación de automático a manual, activar el modo
VAR o el modo PF; también nos permite subir o bajar el nivel del Setpoint del voltaje
y permite hasta detener la excitación.
Figura 3.16. Medición de las variables observadas por el DECS-200
Siguiendo cada uno de los pasos antes descritos se realizará la programación del sistema de
regulación de excitación para un generador sincrónico, de una manera versátil, segura y
confiable que proporcione un sistema robusto antes los cambios bruscos de carga como ocurre
en la Industria Azucarera “Santa Elena”. En las imágenes antes descritas se observan los datos
de programación utilizados para el ajuste de los turbogeneradores 1 y 3 de la industria.
59
3.2. INSTALACIÓN DEL DECS-200
Para la instalación de la tarjeta de regulación DECS-200 es necesaria la ubicación de un panel
de control para tener una orientación vertical de esta tarjeta, en el mismo panel se realizará el
cableado correspondiente a las conexiones internas pertenecientes a los contactos de entrada,
así como también las conexiones externas provenientes del sensado del voltaje del generador,
corriente del generador, circuito del campo de excitación y demás variables medidas por el
sistema de control de excitación digital. Una conexión típica dada por el fabricante de estos
equipos es la mostrada en la figura 3.17, donde se observa en forma general las conexiones de
la tarjeta con el sistema de generación. En la parte inferior izquierda de la figura 3.17 se puede
ver con facilidad la conexión del campo de excitación al rotor del generador por los contactos
+F y –F. Posteriormente se observa la conexión de la entrada de poder por medio de un
transformador de potencial (TP) y un contactor que permite la conexión o desconexión del
DECS-200, esta entrada puede ser trifásica o monofásica en las fases A y C.
Figura 3.17. Conexión típica del DECS-200 (dado por el fabricante). [Manual DECS-200
Basler Electric. 2002]
60
Obsérvese la conexión del sensado del voltaje por medio de un transformador de potencial y a
través de un transformador de corriente se obtiene el sensado de la corriente que siempre debe
ser colocado en la fase B del generador. El transformador de potencial ubicado después del
disyuntor 52G es el utilizado para la conexión del Voltaje Matching que se utiliza para igualar
los voltajes cuando se esta trabajando con unidades en paralelo. En la parte superior de la
figura se observan de izquierda a derecha; las entradas analógicas de voltaje y corriente que
permite el DECS-200; un puerto para la comunicación RS485 y los contactos para los relés de
salida. En la parte superior derecha de esta figura se observan las entradas de alimentación de
DC y AC y a continuación los 11 contactos de entrada que posee el DESC-200 para realizar
sus estrategias de control. Las dimensiones del DECS-200 se observan en las siguientes
figuras. Donde se muestra el panel frontal y la vista superior de la tarjeta de regulación de
excitación.
Figura 3.18. Vista frontal y superior del DECS-200. [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
En la figura 3.20 se observa la vista lateral izquierda del DECS-200 donde se encuentran todas
las regletas de conexión para realizar las conexiones internas y externas que requiere la tarjeta
de regulación de excitación.
61
Figura 3.19. Proyección del dibujo en el panel del tablero de conexión [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
Figura 3.20.Vista lateral izquierda del DECS-200. [Manual DECS-200 Basler Electric. 2002]
62
La figura 3.20 muestra un conjunto de regletas para realizar la conexión de las entradas
analógicas, entradas de poder, contactos de entrada y contactos de salida del DECS-200. El
panel utilizado para la ubicación del DECS-200 tiene como medidas 80 cm x 60 cm x 30 cm
(largo× ancho × Profundidad), en la figura 3.21 se ilustra como quedara la instalación del
DECS-200 antes de ser cableado. Para realizar las conexiones internas se utilizó conductores
de control calibre Nº 18, y para el sensado de corriente, voltaje, sensado de bus voltaje, y para
el circuito de excitación se utilizaron conductores calibre Nº12, teniendo en cuenta que los
transformadores de potencial y corriente no superan los 20 A en condiciones normales de
funcionamiento.
Figura 3.21. Vista general del panel de control del DECS-200
63
El plano 1 muestra el esquema de conexión utilizado para la instalación del sistema de control
de excitación DECS-200, en este plano se observan dos regletas la RT1 y RT2, la primera de
estas utilizada para la conexión de los 11 contactos de circuitos de entrada, y los 5 circuitos de
relés de salida. La configuración y operación de estos contactos se encuentran descritas en el
capitulo II en los numerales 2.2.9 y 2.2.15 respectivamente.
De los circuitos de relés de salida solo se está utilizando la salida On-Off del DECS-200 que
permite detectar la conexión o desconexión de la tarjeta de regulación al presionar el contacto
de entrada Start o Stop respectivamente. Este contacto activa un relé externo R1, que a su vez
enciende un piloto indicador de encendido y activa el contactor principal K1 para conectar la
entrada de poder al DECS-200 a través de un transformador de potencial de 4160/110 V, Este
contactor K1 tiene en serie un modulo de restricción de corrientes de Inrush (ICRM) que se
encarga de limitar la corriente producida en el transitorio de los transformadores. K1 también
tiene en serie un pulsador de parada de emergencias (Nº 86: que significa bloqueo eléctrico),
con esto se permite desconectar la entrada de poder del DECS-200, al presionar este botón ya
que se debe haber disparado el disyuntor 52 G para evitar que se invierta el flujo de potencia
del generador.
Luego de conectarse esta entrada de poder empieza el control del campo de excitación, un
voltaje remante de 4 V de lado de baja tensión es suficiente para arrancar la excitación del
generador. El circuito de control se encuentra en la parte inferior izquierda del plano. En el
panel del DECS-200 se observará en incremento del voltaje de sensado al valor que se ha
colocado en el setpoint, también se puede observar el valor de la corriente de campo y de la
corriente de sensado de la fase B por medio de un transformador de corriente de 800/5 A.
En la regleta RT2 se encuentra conectado el resto de las conexiones del DECS-200 tales como
la salida de excitación (+f y –f), la entrada de poder, el sensado de voltaje, sensado de
corriente, sensado del voltaje Matching el cual es opcional. La alimentación también es
64
conectada en esta regleta y cada conductor (fase y neutro) posee un fusible en serie de 10 A
para proteger la entrada de alimentación de la tarjeta de regulación. Es muy importante
conectar el transformador de corriente como se indica en este plano (ver punto de polaridad),
en vista de que si es conectado en forma inversa las mediciones de potencia activa, potencia
reactiva y el factor de potencia serán negativas y no podrá conectarse en paralelo con otra
unidad generadora ya que la compensación de reactivos efectuada por el DECS-200 será muy
elevada e instantáneamente se invertirá el flujo de potencia del generador que esta operando,
lo cual puede causar daños irreparables en el generador aunado al hecho de tener que realizar
una parada de emergencia del servicio de energía eléctrica. En la carcasa del panel de control
utilizado se conecta a una tierra electrónica en donde se conectaran las demás conexiones de
tierra, en ningún caso se deben mezclar la conexiones de tierra electrónica con la puesta a
tierra del sistema de potencia.
CAPÍTULO IV PROGRAMACIÓN E INSTALACIÓN DEL GE489
4.1. PROGRAMACIÓN DEL RELÉ MULTILIN GE-489
El relé multifunción de protección al generador Multilin GE-489 proporciona un software
llamado Enervista Launchpad, el cual permite realizar los ajustes del sistema de una manera
versátil y amigable para la programación de las protecciones al generador. La instalación de
este programa es muy sencilla se puede hacer vía CD o por medio de la web. Para la
programación del GE-489 es necesario seguir los siguientes pasos:
4.1.1. El GE-489 posee un seguro que permite mantener invariable los ajustes del sistema.
Para poder programar el relé es necesario realizar un puente de conexión entre los
puntos de regleta C1 y C2.
4.1.2. Al abrir por primera vez el programa se observará una ventana que contiene toda la
información sobre productos de la GE. Se debe seleccionar la opción IED SETUP, tal
como se indica en la figura 4.1.a, luego seleccionar la opción agregar producto (Add
product); se ubica el producto (*489 GENERATOR MANAGEMENT RELÉ) y se
agrega; ver figura 4.1.b.
4.1.3. Seleccionar la imagen del GE-489; inmediatamente se despliega la ventana que
permite realizar las configuraciones al GE-489.en la figura 4.2 se observa la ventana de
programación del Enervista Launchpad.
66
4.1.4. En la ventana de programación seleccionar la barra de menú “File“para crear un nuevo
programa. La figura 4.3.a muestra un ejemplo de esto. Se despliega una ventana que
contiene la dirección en que se va guardar el archivo, la versión del relé, la descripción
o nombre que se desee colocar al archivo y el número de serial del relé.
Las imágenes mostradas a continuación fueron tomadas del software de calibración Enervista
Launchpad versión 4.4, General Electric, 2007, y corresponden a la programación realizada a
las unidades GE-489 de la industria.
Seleccionar
Figura 4.1.a. Vista general del software Figura 4.1.b. Agregar el producto
Figura 4.2. Ventana de programación del EnerVista Launchpad software
Seleccionar
Seleccionar
67
4.1.5. Una vez creado el nuevo archivo se debe seleccionar la opción Device Setup, se despliega una ventana para agregar el sitio de trabajo, se le coloca un nombre y se selecciona la opción Add Site. Ver figura 4.3.b.
Selección
Luego de llenar los datos Y luego aceptar
Figura 4.3.a .Crear un nuevo programa. Figura 4.3.b. Crear un nuevo sitio de trabajo
4.1.6. Después de crear el nuevo programa y el sitio de trabajo se puede iniciar la
programación del relé. En la parte inferior izquierda del menú se encuentra los
parámetros que se van a programar en el GE-489, el primer parámetro (Device
Definition) indica el código serial y definición del producto. La siguiente opción
(SR489 Setup) contiene las opciones de preferencias, reloj de tiempo real, información
general del programa y puerto de comunicación utilizado (Observe la figura 4.4.). Para
editar cada uno de los campos se selecciona la opción que se desea cambiar y se edita
al valor deseado, posteriormente se selecciona la opción guardar para guardar los
cambios realizados
4.1.7. La siguiente opción (System Setup) es utilizada para programar las necesidades del
sistema de potencia, aparecen las opciones de sensado de corriente y tensión así como
los parámetros del generador, y la inicialización de los relés de salida. En la figura 4.5
se observa la selección utilizada para los turbogeneradores de la industria azucarera
“Santa Elena”.
Seleccionar
Agregar sitio
Aceptar
68
Figura 4.4. Configuración de la opción SR-489 Setup
Figura 4.5.Ajuste de los parámetros del sistema
En la parte superior derecha de la figura 4.5 se observa una ventana dirigida al sensado de
corriente de fase y del neutro, en la industria Santa Elena se va utilizar solo el sensado de fase,
Seleccionar
Aceptar
69
los TC utilizados son de 800/5 A. Para el sensado de voltaje se va utilizará la conexión delta
abierta tal como se indica en la figura 4.5, el TP de neutro no se va utilizar en esta aplicación;
con esto se deduce que la protección 100% tierra que ofrece el GE-489 no va ser utilizada. En
la ventana siguiente se indican los ajustes del sistema voltaje de generación, factor de
potencia, potencia aparente, frecuencia del generador y secuencia de fase. La ventana
siguiente es para activar los relés de salida del GE-489, puesta en marcha y cierre de los relés
así como también las opciones de sincronización estos.
4.1.8. La siguiente opción (Digital Inputs) del menú permite configurar en primera instancia
la utilización del estatus del Breaker, la siguiente opción permite configurar cualquiera
de las entradas digitales para propósito general (en total se pueden utilizar 7 propósitos
generales); así mismo fue programada una entrada digital en caso de ocurrir una falla
en la turbina tal como se muestra en la figura 4.6.
Figura 4.6. Entradas digitales (estatus del breaker y entrada de propósito general)
Seleccionar
70
4.1.9. La opción para configurar los relés de salida permite configurar cada uno de los seis
relés para restablecerse o para reset remoto, tal y como se indica en la figura 4.7 donde
se ilustra la configuración de esta opción para el relé 1, de igual manera se realiza para
cada uno de los relés de salida.
Figura 4.7. Ajuste de los relés de salida
4.1.10. Una de las opciones más importantes es la de protección pues es allí donde se ajustan
todas las protecciones que ofrece el GE-489. La primera aplicación de esta opción es la
programación de los elementos de corriente (sobrecorriente de fase, direccional de
fase, direccional de tierra, secuencia negativa, sobrecorriente off-line, sobrecorriente
de tierra, entre otros). La figura 4.8 muestra el ajuste de algunos elementos de
sobrecorriente de manera similar se realiza para cada uno de los elementos de corriente
restantes. Es bueno señalar que las opciones de protección de sobrecorriente del neutro
no serán utilizadas en esta aplicación en vista de que la empresa no adquirió el TC
debido a que no desea utilizar este tipo de protección.
Guardar
Seleccionar
71
4.1.11. El siguiente conjunto de opciones es para el ajuste de los elementos de voltaje
(sobrevoltaje, subtensión, V/Hz, inversión de fase, sobre voltaje del neutro, voltaje de
tercer armónico, entre otros), en la figura 4.9 se observa el ajuste de algunas de estas
protecciones; de manera análoga se realiza el ajuste para los elementos restantes.
Figura 4.8. Programación de los elementos de corriente del GE-489
4.1.12. La siguiente protección corresponde a los elementos de potencia (alarma y disparo de
potencia reactiva, alarma y disparo de potencia inversa), un ejemplo de estos ajustes se
muestra en la figura 4.10.
4.1.13. Para la protección térmica del generador se utilizan las entradas RTD para la
programación de estas se debe seleccionar la opción “Temperature RTD”, se debe
elegir el tipo de RTD que posee el generador y luego se debe programar el uso (estator;
rodamientos o cojinetes), temperatura para alarma y temperatura de disparo. Un
Seleccionar
72
ejemplo de este ajuste se visualiza en la figura 4.11 donde se realiza el ajuste para la
RTD#1, por lo general las seis primeras RTD (1-6) se utilizan para el estator, las
próximas cuatro (7-10) son utilizadas para los rodamientos o cojinetes del generador, y
las dos restantes son utilizadas para cualquier otra aplicación.
Figura 4.9. Programación de los elementos de voltaje del GE-489
4.1.14. Cada una de las seis entradas digitales pueden ser configuradas (ver figura 4.12) para
utilizarlas en alguna aplicación del GE-489, estas no se serán utilizadas para la
protección de los turbogeneradores 1 y 3.
4.1.15. El GE-489 provee una serie de pruebas que permiten simular una falla durante un lapso
de tiempo determinado. Esto es de gran utilidad pues permite probar si los ajustes de
protección han sido los indicados y si las protecciones del relé operan durante la
ocurrencia de alguna falla. Para esto se utiliza la opción del menú “SR489 Testing”, se
Seleccionar
73
puede escoger entre las opciones simular una pre-falla o una falla, las condiciones para
estas fallas son configuradas fácilmente mediante las opciones “Pre-fault setup” y
“fault setup”, en las cuales se puede escoger entre simular una falla de voltaje y
corriente o simular una falla de temperatura o de las entradas analógicas. La figura
4.13 muestra las ventanas de configuración de estas pruebas.
Figura 4.10. Ajuste de los parámetros de potencia del GE-489
Alarma potencia recativa
Seleccionar o cambiar
Disparo potencia reactiva
Aceptar o cambiar
74
Figura 4.11. Programación de las resistencias térmicas RTD.
Figura 4.12. Ajuste de las entradas digitales del GE-489.
Selección del tipo de RTD
Configuración de la RTD#1
Asignación Relé de alarma
Aceptar o cambiar
Asignación Relé de Disparo
Entrada analógica #1
Tipo de señal
Salida relé de alarma
Salida relé de disparo
75
Figura 4.13. Pruebas y simulación de pre-fallas y fallas
Figura 4.14. Conexión del PC con el GE-489
Simulación
Selección del modo de simulación
Configuración Pre-Falla
Configuración Falla
Simulación de pre-falla Voltaje-Corriente
Simulación de falla RTD/Entrada analógica
Aceptar
Serial
Asignación del puerto (COM) Velocidad de respuesta
Aceptar
76
4.1.16. Luego de haber realizado todos los ajustes de protección se puede efectuar la
comunicación con el equipo para esto se selecciona la opción Quick Conect, alli se
despliega una ventana que contiene el tipo de puerto utilizado, el puerto COM
asignado y la velocidad de comunicación. Se debe seleccionar conexión serial el puerto
COM depende del que asigne el computador y se puede buscar fácilmente por el
administrador de dispositivos, y la velocidad de comunicación es 19200 baudios. La
figura 4.14 nos ilustra el proceso de conexión del PC con el GE-489. Una vez
establecida la comunicación se procede a enviar el programa al relé como se indica en
la figura 4.15.
Una vez ya enviado el programa se pueden activar las simulaciones para observar los
disparos de las unidades correspondientes a las fallas simuladas, al observar el
comportamiento de estas protecciones ante la ocurrencia de situaciones de fallas en el sistema
de potencia y asegurarse de que los ajustes han sido los apropiados, posteriormente desactivar
las pre-fallas o fallas simuladas para evitar inconvenientes en la protección del generador.
Figura 4.15. Envío de los datos al GE-489.
Seleccionar
77
Siguiendo cada uno de estos pasos se garantiza un ajuste apropiado del relé de protección
Multilin GE-489 lo que permitirá realizar una protección eficaz al generador contra fallas que
ocurren comúnmente en el sistema de potencia, lo que trae consigo la continuidad de la
generación de energía eléctrica y la protección de los equipos ante la situaciones de fallas que
pueden causarles daños irreparables. El GE-489 posee un conjunto de protecciones que
requieren sensores y transductores para su aplicación (como lo son la entrada de tacómetro,
entradas digitales entre otras).
4.2. INSTALACIÓN DEL RELÉ MULTILIN GE-489
Para instalar el GE-489 se prepara un panel que se encuentra en la parte superior del
disyuntor principal (52 G) de los generadores, lugar que era provisto para la ubicación de las
protecciones con relés electromecánicos anteriormente. El relé contiene una caja de
conexiones (case) que es utilizado para conexiones permanentes y de una unidad móvil que
puede ser insertada o retirada cuando se desee. Solo se realizaran aquellas conexiones que han
sido requeridas previamente. El GE-489 no requiere ningún tipo de ventilación. Las
dimensiones del este se observan en la figura 4.16.
Figura 4.16. Dimensiones del relé Multilin GE-489. [Manual GE-489 GE Multilin. 2007]
78
El relé debe instalarse al frente en una puerta de manera que no presente interferencia
cuando requiera abrirse la puerta del panel (ver figura 4.17), para realizar estas conexiones es
bueno retirar la parte móvil del relé y hacer las conexiones fijas con la caja de conexiones, esto
se hace para facilitar la instalación mecánica del relé y evitar accidentes durante la
instalación. Un ejemplo de todas las conexiones posibles se observa en la figura 4.18 dada por
el fabricante.
Figura 4.17. Ubicación del relé GE-489 en el disyuntor principal del generador.
En la parte superior de la figura 4.18 se observa la protección diferencial por medio de los
TC, la protección 100% tierra del estator que incluye el TV y el TC en el neutro del generador,
en la parte superior derecha se observa la conexión del TP en conexión estrella y aun lado se
observa la conexión delta abierta. Obsérvese el transductor opcional (de 4-20 mA) para
observar sobrexcitación en el circuito de campo. En la parte lateral izquierda se observan las
entradas RTD previamente apantalladas, debajo de estas se encuentran las entradas de señales
digitales que operan con un transistor como interruptor a 24 Vdc, debajo de este se reseña el
contacto 52 a del disyuntor para observar el estatus del mismo. En la parte inferior de la figura
4.18 se muestran las conexiones de las salidas analógicas y digitales, así como la conexión del
computador a traces del puerto RS-485 y en la parte lateral derecha se encuentra la
alimentación, relés de salida e interfaz con el computador con el puerto RS-232.
79
Figura 4.18. Diagramas de conexiones provistas por el fabricante. [Manual GE-489 GE Multilin. 2007]
El plano nº 2 indica el diagrama de conexiones utilizado por la industria azucarera para la
conexión del relé de protección Multilin, en la parte superior de este plano se observan los TC
para la protección diferencial, y sensado de corrientes de fase, así mismo se observan el
transformador de potencial en conexión delta abierta para las protección de elementos de
voltaje, todas estas conexiones van a una regleta principal llamada RT; de manera de
ilustración en el plano esta regleta se separa en un varias sub-regletas para mejor
visualización, las correspondientes para la conexión de los TC y TP son las regletas RT a y RT
b respectivamente.
80
La entrada de alimentación del relé y las conexiones de tierra electrónica son conectadas en
la sub-regleta RT c; la alimentación se extiende algunos puntos de la sub-regleta RT d donde
se hallan las conexiones de los relés de salida configurados tanto para disparo (Relé 1) como
para alarma (Relés 2, 3, 4 y 5); el relé 5 es el que presenta asignada mayor cantidad de salidas
de alarma para encender un piloto indicador (P1) para el operador de la planta eléctrica cuando
exista la ocurrencia de alguna de las fallas enunciadas en el plano. Los relés restantes solo
poseen una salida de alarma cada uno. Todas conexiones son realizadas en el contacto abierto
de los relés del GE-489. En esta misma sub-regleta se conecta un dispositivo de la General
Electric transductor de señales analógicas de corriente para observar las variables más
importantes del sistema de potencia.
La última conexión de la RT d corresponde a la llave de acceso para la configuración de los
setpoint ya sea vía manual o por medio del software EnerVista. En las regletas RT e y RT f se
realizarán las conexiones de las entradas de las resistencias térmicas rtd; en total se conectaran
6 rtd para el estator y las 4 restantes para la temperatura de los cojinetes del generador. Cada
entrada rtd posee tres conductores; dos de ellos para el sensado de la temperatura y el otro es
un común o retorno que debe ser interconectado con las demás puntos comunes de las
resistencias térmicas. La ultima sub-regleta (RT g) es utilizada para la conexión de una entrada
digital que nos indicará si ocurre una falla en la turbina de vapor del generador para disparar la
unidad 52 del disyuntor principal.
Para la conexión del sensado de corriente, sensado voltaje, alimentación, conexiones de
tierra y de cada uno de los circuitos de relés de salida se usara conductor calibre #12 TW. Para
las conexiones del visor de variables y de la entrada digital se usará conductor TW calibre
#18, y para la conexión de las entradas de resistencias térmicas se utilizará conductor tipo
termocupla de tres hilos para la conexión desde el generador hasta la regleta principal RT.
81
CONCLUSIONES
En este trabajo se realizó un estudio detallado del sistema de generación de energía
eléctrica de la Industria Azucarera “Santa Elena”, en vista de que se desea modernizar la
planta eléctrica de la empresa con equipos de electrónica de potencia que permiten realizar
operaciones de control y protección a los generadores sincrónicos para garantizar un mejor
desempeño de planta y mejoramiento en materia de electricidad. Para ajustar estos equipos al
sistema es necesario un análisis del funcionamiento de la tarjeta de regulación de excitación
(DECS-200) y del relé de protección contra fallas al generador (Multilin GE-489).
El sistema de control de excitación DECS-200 permite ajustar de una manera versátil el
control de la regulación del circuito de campo del generador, que en sistemas con turbinas de
vapor son muy variables antes los cambios de carga. Este sistema además, mantiene el voltaje
generado de forma automática o manual, sin exceder los valores del campo de excitación; de
igual manera permite controlar la potencia reactiva y el factor de potencia cuando se esta
trabajando en paralelo con otras unidades generadoras.
La estrategia de control se realiza mediante un controlador de tipo PID, las ganancias del
control se ajustan automáticamente en el Bestcoms Software, al colocar en el menú de
ganancias, en la opción PID los valores de las constantes de tiempo de excitación y tiempo de
generación, este ajuste se realiza de manera empírica hasta obtener una respuesta rápida y
estable ante los cambios de carga, tomando en cuenta que la excitación debe responder mas
rápido que el gobernador de la turbina de vapor para evitar inconvenientes en la generación de
energía eléctrica.
82
Cada modo de operación es activado por medio de los contactos de los circuitos de entrada,
la posición de estos le indicaran al DECS-200 que estrategia de control va a realizar y bajo
que condiciones esta trabajando (una sola unidad, unidades en paralelo o en párelo con la red
de alimentación), así mismo el DECS-200 estará midiendo constantemente el voltaje y
corriente de fase, el voltaje y corriente de excitación, frecuencia, entre otras variables para
efectuar los ajustes necesarios que requiera el sistema de potencia
El sistema de protección digital contra fallas al generador GE-489 proporciona una
herramienta muy importante para la protección de generadores sincrónicos, incluye un
conjunto de protecciones de fácil calibración y permite la observación de varias variables, para
observar el desempeño del generador en el sistema de potencia y realizar operaciones de
alarma o disparo de sus unidades de protección ante la ocurrencia de alguna falla que pueda
ocasionar daños en los equipos.
Por otra parte este relé permite configurar entradas analógicas, de las cuales se utilizó una de
ellas para detectar si ocurre una falla en la turbina de vapor, así mismo se utilizaron las
protecciones térmicas del relé para monitorear la temperatura del estator y de los rodamientos
para realizar operaciones de alarma y disparo si ocurriese un incremento de la temperatura.
Para la conexión de estos equipos se utilizaron los esquemas de conexiones provistos por
los fabricantes y en base a estos se realizaron los planos de instalaciones eléctricas para cada
equipo, en los cuales se observan solo las conexiones necesarias para la implementación de
este proyecto técnico. Una vez instalados los equipos se efectuaron los ajustes de
programación y las pruebas de generación en vacio, y bajo carga para comprobar el
desempeño de la excitación del campo y de las protecciones de los turbogeneradores 1 y 3 de
la planta eléctrica de la industria azucarera “Santa Elena”.
83
RECOMENDACIONES
Una mejora del sistema de control de excitación digital esta en automatizar sus operaciones
ya que estas responden manualmente a los contactos de entrada 52 L/M y 52 J/K (que indican
cuando el generador está operando en forma aislada, en párelo con otra unidad generadora o
en paralelo con la red), en vista de que no se pueden asociar directamente con el disyuntor
principal del generador (52 G) por que los niveles de tensión que manejan los contactos de
entrada del DECS-200 son diferentes a los que maneja el disyuntor, esto se podría
implementar con el uso de un PLC.
El sistema de control de excitación posee tres salidas asignables de relés para configurar el
sistema de protecciones contra alguna de las fallas que pueden ocurrir durante la excitación,
sin embargo estos relés son utilizados solo para alarma ya que el fabricante no recomienda
utilizar estos relés para disparo por la potencia que pueden manejar estos contactos, por lo que
se recomienda diseñar un sistema de control que permita realizar el disparo, de esta manera se
tiene una protección de respaldo adicional.
En cuanto al sistema de protección contra fallas al generador GE-489 es bueno señalar que
contiene un conjunto de protecciones muy importantes que no han sido utilizadas, tales como
la protección 100% tierra del estator que protege al generador contra fallas en el neutro,
además, posee entradas digitales que permiten trasductores de velocidad, de vibración, entre
otros que permitirán utilizar al 100% las ventajas del GE-489, incluso para la elaboración de
un sistema supervisor con alta tecnología y ofrecer al operador de la planta eléctrica un
sistema confiable y moderno para mejorar el desempeño de la industria.
84
REFERENCIAS
Basler Electric (2002), Manual de instrucciones para el sistema de excitación digital DECS-
200. EE.UU.
General Electric (2007), Manual de instrucciones del relé de protección contra fallas al
generador 489. Canadá.
Romero Carlos & Stephens Ricardo, Sistemas de Protecciones. Universidad de Los Andes.
Mérida, Venezuela.
Chapman, Stephen J (1997), Máquinas Eléctricas. McGraw-Hill. Bogotá, Colombia
ANEXOS
REGISTRO FOTOGRÁFICO
86
Figura A.1. Panel del control de excitación digital Basler DECS-200.
Figura A.2. Tarjeta de regulación excitación digital DECS-200.
87
Figura A.3. Regleta RT1 Figura A.4. Regleta RT2
Figura A.5. Vista frontal del panel de control
88
Figura A.6. Canalizaciones de la instalación eléctrica.
Figura A.7. Tranquilla para la canalización de los conductores.
89
Figura A.8. Canalización de los conductores hasta el panel de control
Figura A.9. Panel de control del relé de protección para generador “Multilin GE-489”.
90
Figura A.10. Relé de protección para generador “Multilin GE-489”.
Figura A.11. Vista trasera de la caja de conexiones del relé “Multilin GE-489”.
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Figura A.12. Panel de control del relé de protección para generador “Multilin GE-489”.
Figura A.13. Turbogenerador 1.
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Figura A.14. Vista lateral del Turbogenerador 3 Figura A.15. Acople del reductor de velocidad (5600 rpm/1800rpm) y del turbogenerador 1
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Figura A.16. Acople de la turbina de vapor y del reductor de velocidad del Turbogenerador 1
Figura A.17. Turbina de vapor del Turbogenerador 1
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Figura A.18. Gobernador de la turbina Turbogenerador 1
