“Selección y mantención de un grupo electrógeno para un buque

“Selección y mantención de un grupo electrógeno
para un buque mercante”
Tesis para optar al Título de:
Ingeniero Naval.
Mención: Maquinas Marinas
Profesor Patrocinador:
Sr. Héctor Legue Legüe.
Ingeniero Civil Mecánico.
M.Sc. Ingeniería Oceánica.
Víctor Manuel Palma Contreras
Valdivia-Chile
2010
Este logro está dedicado a los incondicionales de siempre; mi familia, en especial a ese
hombre del salitre, arriero y aventurero que fue mi abuelo Jorge, y a su inseparable
compañera, sabia y esforzada, mi abuela Natividad.
Si olvidamos a nuestros ancestros no somos nada…
2
Índice:
Resumen.
6
Introducción.
8
1. Capítulo I: Motores primarios.
9
1.1Turbinas a vapor.
10
1.1.1 Principio de funcionamiento.
10
1.1.2 Componentes principales de las turbinas.
12
1.1.3 Turboalternadores.
15
1.1.4Sistemas de seguridad de las turbinas.
19
1.2Generadores de cola.
20
1.3Motores diesel.
21
2. Capítulo II: El alternador.
22
2.1Principios físicos.
22
2.2Generacion de corriente alterna.
27
2.2.1Produccion de corriente alterna.
2.3Potencias en C.A.
27
33
2.3.1Potencia en un circuito R-L.
36
2.3.2Factor de potencia.
38
2.4Importancia practica del factor de potencia.
39
2.5Sistemas trifásicos.
41
2.6Generacion de energía eléctrica trifásica.
42
2.7El alternador trifásico.
44
2.8Acoplamiento de alternadores.
48
3
3. Capítulo III: Balance eléctrico.
50
3.1Terminos relacionados.
51
3.2Descripcion de la nave.
53
3.3Estados de carga.
53
3.4Balance eléctrico.
53
3.5Seleccion del equipo.
58
3.6Consideraciones en la selección del grupo electrógeno.
59
3.7Instalacion y emplazamiento a bordo.
61
3.8Pruebas a bordo.
61
4. Capítulo IV: Mantención.
67
4.1Componentes principales del GE.
68
4.2Funcionamiento de los grupos electrógenos.
71
4.3Proteccion eléctrica.
72
4.4Mantencion general del grupo electrógeno.
76
4.4.1Del motor primario.
4.4.2Aspectos relativos a la manutención y detección de fallas. 77
4.4.3 Inyectores.
79
4.4.4Bombas de combustible.
84
4.4.5Calibracion.
86
4.4.6Sincronizacion.
87
4
4.5 Sistemas de protección del motor diesel.
88
4.6Mantencion del alternador.
90
4.7Normas de seguridad.
92
Conclusiones.
93
Bibliografía.
94
Anexos.
95
5
Resumen
Esta tesis tiene como objetivo principal seleccionar un grupo electrógeno para instalar en un
buque mercante, en este caso un buque granelero, luego de seleccionar el equipo necesario, se
describirán algunas consideraciones a realizarse para la mantención periódica de los grupos
electrógenos a bordo, y así podrá tener a bordo un correcto funcionamiento de estos equipos.
En el primer capítulo se abarcará una breve descripción de los motores primarios para hacer
funcionar los generadores a bordo, en el segundo capítulo se abordaran los conceptos básicos
de funcionamiento del alternador, el cual al ser excitado por el motor primario
genera una
corriente electromagnética la cual energizara los diferentes equipos y motores eléctricos en la
nave. Luego de estas descripciones se pasará a calcular el balance eléctrico de un buque
granelero para así determinar el equipo electrógeno a instalar, finalmente se mostraran las
distintas operaciones de mantención periódica a bordo para prevenir fallas en estos equipos.
6
Summary
The main objective of this thesis is to select and install a generator group into a merchant ship,
in this case a bulk carrier. After selecting necessary gear, we will describe some considerations
to take into account to periodic maintenance of generator groups and then we will have a right
functioning of these gears on board.
On the first chapter, we will develop a brief description about primary engines to make work the
generators on board. On second chapter we will describe the basic concepts of alternator
functioning, which being excited by primary engine, it will generate an electromagnetic current
that will energize different gears and engines along the ship. After these descriptions are made,
we will calculate the bulk carrier electrical balance in order to determine the generator group to
install. Finally, we will describe the different periodic maintenance operations to prevent
failures in these gears on board.
7
Introducción:
La electricidad ha jugado un papel importante en la industria naval, y en las puertas del siglo
XXI aun con mayor razón la energía eléctrica se a transformado en motor fundamental para el
funcionamiento cabal de los equipos auxiliares y principales dentro de los buques, tanto para
navegación, habitabilidad , equipos de trabajo, salvamento, e incluso propulsión.
La electricidad en un buque es producida por el grupo electrógeno a bordo, entiéndase como
grupo electrógeno al conjunto de instalaciones a bordo para producir energía eléctrica
compuesto por el motor primario y el generador eléctrico.
8
Capítulo I
“Motores primarios”.
Se entiende como motor primario al sistema rotativo necesario para el accionamiento de la
planta generadora a bordo, este puede variar según las características y requerimientos de
potencia que tenga el buque.
Estas maquinas que son las encargadas de accionar mecánicamente los correspondientes
motores eléctricos que transforman la energía mecánica en la correspondiente energía eléctrica
se pueden clasificar en los siguientes grupos:
-Maquinas alternativas.
-Turbinas a vapor.
-La línea de ejes del buque.
-Motores diesel.
Los motores diesel de mediana y alta velocidad son los equipos que más uso tienen en la
industria naval como motores primarios, éstos motores pueden tener altos costos en cuanto a su
operación y manutención, debido a su uso continuo tanto en operaciones en puerto como en
navegación, con el respectivo consumo que conllevan de combustible, como el diesel marino o
en el caso de motores mas sofisticados como los de ultima generación con “common rail” CAT
y Detroit que usan Diesel Ciudad.
En cuanto a los costos debido al combustible estos se pueden disminuir con el uso de
combustible pesado a través de sistemas tipo Blender, dicho sistema acarrea una disminución
considerable de costos debido al uso de combustibles IFO de baja calidad en proporción con
combustibles marinos diesel oil.Pero este ahorro trae consigo mayores costos de manutención
debido a que disminuyen los tiempos de recorrida de los motores con al mayor desgaste que
presentan los motores al usar sistemas Blender.
Un mejor aprovechamiento de la economía en el uso de sistemas de motores primarios es a
través de sistemas acoplados al eje porta hélices del buque con ahorros significativos de
combustible.
Ahora bien, otro sistema de motor primario para producción de energía eléctrica es el de
turbogeneradores que aprovechan la energía desperdiciada por los gases de escape del motor
principal para calentar vapor a alta presión el cual se encargara de mover las paletas de una
turbina para así a través de un sistema de engranajes transferir la energía cinética necesaria para
mover el motor generador.
9
1.1Turbinas a vapor:
1.1.1Principio de funcionamiento:
El principio de funcionamiento de una central a vapor se basa en el ciclo conocido como ciclo
de Rankine, el cual consiste en un calentamiento a presión constante durante el cual sede
energía en forma de calor, al fluido de trabajo (en este caso agua), una expansión isoentrópica;
un enfriamiento isobárico en el cual el vapor de agua se condensa, absorbiéndose energía en
forma de calor, del fluido motor y una compresión isoentrópica.
En toda turbina de vapor la conversión de energía térmica se lleva a cabo en dos etapas en las
cuales las turbinas de vapor transforman la energía potencial de tipo térmico, en energía
mecánica.
La energía potencial térmica disponible es la diferencia de entalpías entre el estado inicial del
vapor, a la entrada de la turbina, y su estado final, a la salida de la misma; esta diferencia de
entalpías se conoce como salto entálpico o salto térmico.
En las turbinas de vapor existen unos elementos fijos que son las toberas y los distribuidores de
álabes; si el salto entálpico se transforma totalmente en energía cinética, la turbina es de acción
y la entalpía a la salida de la tobera para un proceso isentrópico será igual a la entalpía final del
vapor; en estas circunstancias, en los álabes dispuestos sobre el rotor o corona móvil, habrá
únicamente una transformación de energía cinética en mecánica.
Si la conversión de entalpía en energía cinética no es total, se utilizan distribuidores de álabes,
en los que tienen lugar dos tipos de transformaciones simultáneas, por cuanto una fracción de la
energía cinética adquirida en la tobera se transforma en energía mecánica, y el resto en energía
cinética y posteriormente en mecánica.
La transformación de energía cinética en energía mecánica se produce haciendo seguir al fluido
una determinada trayectoria, (entre álabes), de forma que su velocidad absoluta disminuya;
cualquier cambio de magnitud o de dirección en dicha velocidad, tiene que ser debido al efecto
de una fuerza, que es la acción de los álabes de la corona sobre el fluido. A su vez, se puede
decir también que todo cambio en la dirección o en la magnitud de la velocidad del fluido,
originará un empuje sobre los álabes, de forma que, para cuando éstos vayan montados sobre
una corona móvil, la potencia producida será igual al producto de la velocidad tangencial de los
álabes por la componente periférica de la fuerza.
10
TOBERA.- La circulación del vapor por la tobera es un proceso no isentrópico. Las
investigaciones de Stodola, Prandtl, Christlein, etc., coinciden en admitir que la pérdida de
energía en la tobera consta de dos sumandos principales:
- Las pérdidas debidas al rozamiento del chorro de vapor sobre las paredes
-Las pérdidas inherentes a la formación de torbellinos en el seno del fluido así como las
fugas
de vapor por el intersticio entre toberas y corona, y el choque con el borde de entrada de los
álabes.
CORONA.- El cálculo de las pérdidas originadas por el paso del vapor a lo largo de los álabes
es complejo a pesar de los numerosos y detallados trabajos experimentales que sobre el mismo
se han realizado. En particular, no es rigurosamente cierto el supuesto de que el vapor pase a
presión constante entre los álabes de la turbina de acción, de modo que las diferencias de
presiones que se establecen entre filetes fluidos de distinta curvatura, darán lugar a la formación
de torbellinos que se suman a los que origina la circulación propiamente dicha.
Estas pérdidas se pueden agrupar en:
- Pérdidas por choque contra la arista de entrada del álabe.
- Pérdidas por rozamiento de la vena de vapor sobre la superficie de los álabes.
-Pérdidas por curvatura, que son las más importantes y radican en el efecto de la fuerza
centrífuga sobre las partículas de vapor, fuerza que tiende a aumentar la presión sobre la cara
cóncava, y a disminuirla sobre la convexa.
11
Figura1.1: Esquema de una turbina de acción de una corona.
Donde:
P1; P2; P3: Estados de la presión a medida que el vapor avanza en la tobera.
C1; C2; C3: Gradientes de velocidad.
12
1.1.2Componentes principales de las turbinas:
Las turbinas tienen una gran variedad de componentes principales que forman parte de ella y
otros que, no siendo parte estructural de esta, contribuyen a su correcta operación.
a) Carcaza:
La carcaza de una turbina cumple las siguientes funciones:
-Proveer la superficie para sostener el rotor de la turbina.
-Servir como estructura base de las paletas fijas, con el objeto de guiar el vapor a través de
estas, en dirección a las paletas móviles del rotor.
Figura 1.2Carcasa de una turbina.
13
b) Rotor o rueda: Este cumple la función de alojar las paletas móviles, con el objeto de
transmitir el trabajo de la turbina, haciendo girar el eje.
Figura 1.3Rotor forjado con el eje.
c) Paletas fijas y móviles: En toda turbina de vapor existen dos tipos de paletas:
-Paletas fijas, las cuales van hechas firmes a la carcaza de la turbina, tanto en la parte
inferior, como en la tapa.
-Paletas móviles, las que van montadas en el rotor de la turbina.
(a)
(b)
Fig1.4Fijación y montaje en la base: (a) por soldadura; (b) por diente de sierra
d) Prensas de carbón y de laberinto: Para obtener el optimo rendimiento en una turbina, toda
la energía cinética del vapor debiera transformarse en trabajo mecánico del rotor, sin embargo
existe una gran diferencia de presión entre el sector de admisión del vapor y el sector de
descarga del vapor que esta sometido al vacío.
Lo anterior permite concluir que, en cualquier punto del rotor existirá una diferencia de presión
entre el interior de la turbina y la atmosfera, situación que genera los siguientes efectos:
-Filtraciones de vapor.
-Ingreso del aire al interior con la consiguiente pérdida de vacío.
14
Con el objetivo de minimizar dichos efectos se diseñaron los siguientes dispositivos:
Prensas de laberinto:
Este dispositivo consiste en pequeños anillos ubicados en los extremos de las turbinas y
montados en la carcaza y en el rotor mismo, a una distancia tal que permite formar un espacio
muy pequeño de pasada del vapor.
En la siguiente figura se muestra una de estas prensas, el principio de funcionamiento esta
sustentado en que, en la medida que el vapor escapa y pasa a través de los espacios muy
estrechos entre los anillos, su presión decrece gradualmente, debido al movimiento de remolino
que tiene lugar entre anillo y anillo.
Fig1.5 Laberinto de tambores radiales cilíndricos
Figura1. 6Laberinto de tambores radiales
El material de construcción de estas prensas es de acero al carbono que las hace resistentes a las
altas temperaturas.
Prensas de carbón:
Están conformadas por un anillo de carbón dividido en segmentos que se mantienen unidos
mediante la tensión de un resorte.Como se muestra en la figura, las prensas están diseñadas de
tal forma que aun estando forzadas a unirse por el resorte,siempre queda un pequeño espacio
libre o claro entre el anillo y el eje.
15
Figura 1.7 Junta de anillos de carbón.
1.1.3Turboalternadores:
Ya explicado el principio básico de funcionamiento de una turbina de vapor y los componentes
principales que las componen, se pasará entonces a hablar de la turbina como medio de
generación eléctrica más conocida como turboalternador.
Dado el poco espacio disponible y los bajos requerimientos de potencia, su diseño consiste en
un solo estado de simple impulso, esto implica una gran caída de presión y a la vez una gran
velocidad de rotación de la turbina.Por tal motivo generalmente van acopladas a una caja de
engranajes de reducción.
Los sistemas de turbinas auxiliares en la actualidad son usados para buques que son diseñados
para rangos de consumo eléctrico de alrededor de 15 Mw. de potencia, estas turbinas pueden
ser instaladas para condiciones de presión y temperaturas del vapor que varían entre 6-62 bar a
510°C.
16
Economizador
Colector de vapor
Caldera de gases
Eyector
Sobrecalentador
Generador de
turbina.
Turbina
Condensador
Enfriador de
aire de 3 estados
Cisterna
Figura1.8Diagrama de un sistema de recuperación de calor utilizando turbinas auxiliares.
Los componentes principales de los turbogeneradores son 4; turbina, caja de reducción,
condensador y alternador.
17
Figura 1.9, componentes en una turbina de simple impulso de uso a bordo.
1.-Soporte del cojinete
final
2.-Bomba de aceite y
regulador de tornillo sin fin
3.-Soporte del cojinete
central
4.-Engranaje acoplado
interno
5.-Sello de aceite del
cojinete de empuje
6.-Cojinete de empuje tipo
Michel
10.-Laberintos de vapor
internos
11.-Laberinto de vapor
interno
12.-Alojamiento del sello
de aceite
13.-Empaquetadura tipo
laberinto inter-estados
14.- Laberinto de vapor
interno
15.- Laberintos de vapor
externos
7.-Cojinete del rotor
16.- Cojinete del rotor
8.-Prensas de aceite tipo
laberinto
9.-Laberintos de vapor
externos
17.-Medio engranaje de
acoplamiento
18.-Medio piñón de
acoplamiento
18
19.-Tacometro
20.-cojinetes del piñón de
la turbina
21.-Cojinete exterior del
piñón
22.-Sello.
23.-sello de aceite del eje
de engranajes.
24.-Locacion de los
cojinetes del eje de
engranajes.
25.-Fin del eje de
engranajes de la turbina.
1.1.4 Sistemas de seguridad de las turbinas.
Con el objeto de proteger las turbinas de funcionamiento anormal producto de una falla o mala
operación, se diseñaron ciertos dispositivos de seguridad.Estos se activan automáticamente,
protegiendo la maquinaria de posibles daños que pueden ocurrir, antes que el personal de
guardia pueda reaccionar y solucionar el problema.
a) Trip de sobre velocidad.
Este dispositivo permite la operación de la turbina en toda condición mientras no sobrepase una
velocidad predeterminada, la cual generalmente es 10% a 15% sobre la velocidad máxima, hay
que considerar que la velocidad de rotación de la turbina puede ser en promedio de 6500
revoluciones por minuto.
Si por algún motivo la turbina alcanza dicho valor, el trip de sobre velocidad se activará
cerrando al paso de vapor, produciéndose
su detención, este
dispositivo es de suma
importancia en los equipos electrógenos, este sistema lo analizaremos más detalladamente a
medida que avancemos en esta tesis.
Las causas de por que las turbinas sufren una sobre velocidad, es por lo general una perdida
brusca en la carga eléctrica del alternador.
b) Trip de baja presión de lubricación.
Uno de los parámetros a cuidar de mayor relevancia de los necesarios para el óptimo
funcionamiento de una turbina, es la presión de aceite lubricante de los descansos como parte
del sistema de lubricación de la turbina.
Este sistema consiste en un dispositivo que mide la presión de circulación de aceite en el
circuito el cual enviara una señal de corte del vapor para la turbina en caso de detectarse una
presión mas baja del valor predeterminado de la presión de trabajo.
En esta parte, abordamos en forma parcial el sistema de generación de energía eléctrica a través
de turbinas de vapor, sistema que ha sido reemplazado en su mayoría por los generadores de
cola y por los, hasta
ahora mas utilizados, generadores
diesel, si bien se puede seguir
ahondando en el tema de las turbinas, la tesis no tiene como finalidad profundizar en ellas, si el
lector de esta tesis presentase mayor interés en este tema puede servirse de los libros se
encuentran en la bibliografía.
19
1.2 Generadores de cola:
La ventaja de este sistema es el hecho de poder abaratar costos debido a que ahorran
combustible mientras el buque esta en navegación, haciendo necesario el uso de generadores
diesel solamente cuando el buque esta en puerto o en maniobras de arribo o zarpe.
Podemos hacer funcionar este sistema de dos formas
a) Por corriente directa: Este tipo de generación eléctrica se debe al generador tipo dinamo
estos generadores no son tan sensibles a la variación de velocidad así como lo es el alternador
que es el mas usado en la industria, en donde la frecuencia debe ser mantenida sin alterar.Si
estos generadores tienen un regulador automático de voltaje, estos pueden funcionar con
variaciones de hasta un 10 a 15% en las revoluciones del eje de la hélice.Con estos dispositivos,
se pueden montar generadores acoplados a través de correderas o directamente por medio de
engranajes, para aprovechar mayormente los espacios y disminuir las cargas de trabajo.Este
tipo de sistema pueden usarse en navegación, pero es imprescindible el uso de generadores
diesel en caso de estar el buque en maniobras o en puerto.
b)
Por corriente alterna: El generador de corriente alterna tiene la desventaja de ser muy
sensible a la variación de velocidad producida por variaciones en el eje porta hélice durante la
navegación, por lo mismo es recomendable una configuración basada en una hélice de paso
controlable, con el fin de evitar variaciones de velocidad en el eje manteniéndolo a una
velocidad constante y de esta forma evitar subidas y bajas de tensión en el alternador.
Unidad de
desplazamiento
acoplado.
Portadores
Señal eléctrica.
Alternador
Movimiento desde
el eje porta hélice.
Unidad variable
hidráulica.
Figura 1. 10 configuración de generador de cola.
20
1.3Motores diesel
El motor diesel, es una maquina que libera la energía acumulada en el combustible a través de la
combustión.
Debe su nombre al ingeniero alemán Rudolf Diesel, quien
patento e hizo funcionar su
invención exitosamente en 1895.Desde entonces el perfeccionamiento de este aparato a sido
constante e intenso.
En estos motores podemos reconocer dos tipos, el motor diesel de 2 y 4 tiempos, siendo el
motor de 4 tiempos el mayormente utilizado como motor primario en el grupo electrógeno.
Los motores diesel se clasifican entre motores de baja, media y alta velocidad, los motores de
alta velocidad y mediana velocidad de cuatro tiempos son los utilizados preferentemente a la
hora de diseñar un grupo electrógeno.
21
Capítulo II:
“El Alternador”
En el capítulo se habló de las distintas maquinas primarias de accionamiento de los alternadores
para generación eléctrica, ahora este capítulo tratará de la parte netamente eléctrica indicando
el principio de funcionamiento de los generadores alternadores, ya que su uso a desplazado en
la mayoría de los sistemas de generación eléctrica con dinamos.
2.1Principios físicos:
Para explicar bien el funcionamiento del alternador es necesario aclarar algunos conceptos
como:
Magnetismo: Es un fenómeno de atracción o repulsión que se aprecia en materiales
ferromagnéticos, (ejemplo el níquel y el cobalto) este fenómeno tiene un gran espectro de
aplicaciones, desde la creación de altavoces, micrófonos, pequeños dinamos, hasta alternadores.
Los materiales magnetizados, que pueden ser naturales o artificiales, son conocidos como
imanes, los que poseen dos polos uno norte y otro sur.
Figura 2.1iman con polos señalados.
Los imanes a su vez generan un campo magnético que se puede apreciar si alrededor de un imán
se colocan limaduras de hierro los cuales nos indicaran la intensidad del campo magnético, la
cual es mayor mientras mas cerca estemos de los polos. Por convención teórica se dice que las
líneas de campo magnético comienzan en el polo norte y terminan en el polo sur.
Figura 2.2 líneas de campo magnético.
Electromagnetismo: Si hacemos circular corriente a través de un conductor eléctrico, este
generara alrededor un campo magnético, el cual será mayor mientras mayor sea la intensidad de
corriente del conductor.
Si alrededor de un conductor colocamos limaduras de hierro podremos observar con claridad la
formación de un campo electromagnético.
22
Esta aplicación sirve para crear campos mayores en forma artificial, el cual será mayor si este
conductor se enrolla en forma de bobina y aumentara aun más si se le dan mayor cantidad de
arrollamientos.
Figura 2.3 limaduras de hierro alrededor de un conductor.
En una bobina el campo eléctrico de cada espira se suma a la siguiente, concentrándose este en
el centro de la misma. El campo resultante en el centro de la misma es uniforme y mucho más
intenso en el exterior. En los extremos de la bobina se forman polos magnéticos.
Para determinar el sentido de las líneas de fuerza se utiliza la regla del sacacorchos, basta con
girar el sacacorchos en el mismo sentido en que circula la corriente en la espira. El sentido de
avance del sacacorchos nos indica el sentido de las líneas de fuerza. Una vez determinado este
sentido es fácil determinar el sentido de los polos.
Figura 2.4 sentido de circulación de corriente en una espira.
Magnitudes magnéticas: Al igual que para definir un circuito eléctrico
se utilizan las
magnitudes eléctricas, para definir un campo magnético se definen las magnitudes magnéticas.
Flujo magnético: El campo magnético se representa a través de las líneas de fuerza, la cantidad
de estas líneas se denomina flujo magnético (Ф).Su unidad en el sistema métrico es el Weber
(Wb).
23
Inducción magnética: Se define como la cantidad de líneas de fuerza que atraviesan una
superficie perpendicularmente. En síntesis nos indican lo concentradas que están las líneas de
fuerza en un determinado punto.
Se representa por la letra B y sus unidades son el tesla (T) en el sistema internacional.
Por lo tanto se dice que existe un tesla cuando el flujo de un Weber atraviesa un metro cuadrado
de superficie.
1tesla= 1weber
1 m2
B= Ф
S
Fuerza magneto motriz (₣): Se puede decir que es la capacidad que posee la bobina de generar
líneas de fuerza en un circuito magnético, esta aumentara conforme se aumente la intensidad de
corriente que fluye por la bobina y por el número de espiras de la misma.
₣ = N*I
₣ = fuerza magnetomotriz (amperio-vuelta) Av.
N = numero de vueltas de la espira.
I = intensidad de corriente (A)
Intensidad del campo magnético: como así lo dice indica lo intenso que es el campo magnético,
esta intensidad dependerá de la fuerza magnetomotriz(N*I) , cuanto mas larga sea la bobina
mas se dispersaran las líneas de campo, produciendo que las intensidades de estas sean mas
débiles, por lo que se puede decir es que la intensidad de campo(H) es inversamente
proporcional a la longitud media de las líneas de campo.
H= N*I
L
H = intensidad de las líneas de campo en amperio-vuelta/metro (Av/m)
N = N° de vueltas de la bobina.
I = intensidad de la corriente (A).
L = longitud de la bobina (m).
Inducción electromagnética: Cuando se mueve un conductor eléctrico en el seno de un campo
magnético, aparece una fuerza electromotriz que se muestra como una tensión eléctrica en los
extremos de dicho conductor.
24
Figura 2.5 al mover el conductor en el campo magnético del imán se genera una f.e.m.
Gracias al experimento de Faraday llevado a cabo con el uso de un imán, una bobina y un
miliamperímetro reseteado en cero, se puede deducir que cuando se mueve el conductor en
forma perpendicular a las líneas de campo se produce una f.e.m. inducida.
Si se cierra el circuito se genera una corriente eléctrica, el cual puede ser conducido a través de
un conductor de delgas sobre los que se apoyan unos contactos deslizantes.
Si por el contrario las espiras se mueven en forma paralela al campo magnético la corriente es
nula por lo tanto no hay producción de f.e.m inducida.
Figura 2.6 experimento de Faraday.
También se puede observar que al aumentar el número de espiras o la intensidad de campo
magnético, también podemos aumentar la f.e.m. Inducida.
25
Se puede decir que la f.e.m. inducida que se produce en una bobina cuando en su movimiento
corta las líneas de campo magnético viene dada por:
einducida = N ΔФ
Δt
Donde N es el número de espiras y ∆Ф/∆t nos indica la variación del flujo cortado por la
bobina respecto al tiempo.
El sentido de la f.e.m. inducida lo podemos determinar por la ley de Lenz que nos dice:
“El sentido de la corriente inducida en un conductor es tal que tiende a oponerse a la causa que
la produjo”, o también pude determinarse fácilmente a través de la regla de Fleming o de la
mano derecha.
Para aplicar esta regla se utilizan tres dedos de la mano derecha, el pulgar en ángulo recto para
indicar el sentido de desplazamiento del conductor (movimiento), el índice para indicar el
sentido del flujo magnético (campo) y finalmente el dedo del corazón para indicar el sentido de
la corriente inducida (corriente).
26
Figura 2.7 regla de la mano derecha.
2.2Generacion de corriente alterna.
Los primeros sistemas eléctricos funcionaban con generadores llamados dinamos, los cuales
han sido casi totalmente desplazados por los alternadores, ha
excepción de pequeñas
aplicaciones en diferentes industrias a pequeña escala, el motivo principal es su complejo
sistema de extracción de electricidad por medio de un colector en forma de anillo metálico
subdividido en el que frotan escobillas de grafito, además la energía no se podía transportar a
lugares lejanos, ya que no existía un sistema practico capaz de elevar y reducir la tensión de
grandes cantidades de energía.
Las ventajas del alternador por sobre el dinamo son principalmente el hecho de que se puede
ahorrar el uso de colectores ya que la energía eléctrica del estator se puede extraer directamente
de este, otra ventaja es el que las corrientes alternas se pueden elevar y reducir con facilidad
gracias a los transformadores eléctricos (estos usan corriente variable para funcionar).
2.2.1Producción de corriente alterna:
Figura 2.8 alternador elemental.
En la figura anterior se muestra un alternador elemental, el cual consiste de un campo
magnético producido por un imán y por cuyo interior se coloca una espira la cual se hace girar.
Al hacer girar el conductor se genera la fuerza electromotriz generándose una tensión V en los
extremos de la espira, para poder conectarlos a un receptor eléctrico es necesario un par de
anillos conductores unidos eléctricamente con los mismos y situados en el eje de giro de los
mismos.
27
Se puede demostrar que la tensión que aparece en los extremos tiene forma de senoide:
La espira gira en un campo magnético a una cierta velocidad angular ω, que mediremos en
radianes/segundo.
ω= α
t
Figura 2.9 ω nos indica el ángulo α girado por la espira en la unidad de tiempo.
En su giro los conductores de la espira cortan el campo magnético, por lo que aparece en los
mismos una f.e.m. inducida, al moverse la espira en el campo magnético, observaremos que el
corte de esta con respecto al campo no siempre es perpendicular (solo en B y D).En los puntos
A y C se encuentran en paralelo por lo que la f.e.m. inducida será cero.
28
Figura 2.10 espira en corte.
Figura 2.11
El conductor de la figura 2.11 se mueve con una velocidad V y un ángulo γ respecto a la
perpendicular de las líneas del campo magnético como para producir una f.e.m. debemos
mover el conductor perpendicularmente, se descompone V en su componente perpendicular Vp
obteniendo por trigonometría:
Vp= Vcosγ
La f.e.m. inducida adquiere un valor:
e=BLVp
O en su defecto:
e=BLvcosγ
e = f.e.m. inducida.
B = inducción magnética en teslas.
V = longitud del conductor en metros.
Cos γ = coseno del ángulo con el que se mueve el conductor respecto a la perpendicular del
campo magnético.
29
Ahora se ve que el conductor se mueve en el sentido giratorio en el seno de un campo
magnético a una velocidad ω según la figura siguiente:
Figura 2.12 espira en el interior de un campo magnético.
En el punto A se mueve con una velocidad tangencial V, si descomponemos esta velocidad en
su componente perpendicular respecto a las líneas de campo tendremos que:
e= BLvcosγ
Como el ángulo de giro α es complementario con γ que es la componente perpendicular:
Cosα = Senγ, de donde se deduce que:
e = BLV senα con α= ωt, nos queda:
e= BLvsenωt
Los valores B, L y V suelen ser constantes y coinciden con el valor máximo de la f.e.m. de esta
manera podemos expresar el valor instantáneo de la f.e.m. como:
e= Emáxsenωt
30
A ω se le conoce como pulsación de la corriente y sigue los cambios de la función senoidal se
mide en radianes/segundos como se explica en la figura 2.13:
Figura 2.13
Donde los valores variaran según la siguiente tabla:
Punto
A
B
C
D
E
F
G
Angulo
0°
45°
90°
135°
180°
225°
270°
Valor
0
e/2
e max.
e/s
0
-e/2
-e max.
Los valores negativos se deben a que se invierte el sentido de la f.e.m.(regla de la mano
derecha).
31
En la práctica y con el objetivo de eliminar los anillos colectores los alternadores se construyen
de tal forma que lo que se hace girar son las piezas polares que producen el campo magnético
inductor.
En el estator se colocan los conductores donde se genera la f.e.m. de inducción cuando son
cortados por el campo magnético en movimiento.
Figura 2.14 alternador elemental.
Al representar gráficamente la función senoidal estos quedan en función del tiempo o del ángulo
de giro α, en la cual podemos determinar los distintos valores que aparecen en dicha función a
saber:
Valor instantáneo: Es el valor que se obtiene de la tensión en cada punto de la senoide:
V=Vmáxsenωt
Tensión eficaz:
Vef=Vmáx
√2
Intensidad eficaz:
Ief= Imáx
√2
El conocimiento de los valores máximos es de vital importancia para saber el tipo de
aislamiento y aparatos control que se colocaran en una instalación eléctrica.
Ciclo o periodo: En el caso anterior podemos decir que cada vuelta que da la espira produce un
ciclo, el
periodo es el tiempo que transcurre en un ciclo completo, en
el caso de los
alternadores este tiempo es bastante pequeño, menos de un segundo.
Frecuencia: Es el numero de ciclos que se producen en un segundo, se representan por la letra f
y se mide en Hertz o ciclos por segundo.
Para calcular la frecuencia conocido el periodo usaremos la siguiente ecuación:
f= 1
T
O deduciendo;
ω=2πf
32
2.3Potencias en C.A.
En la figura 2.15 se ha representado el circuito equivalente de una bobina real, que en este caso
esta formado por una resistencia de valor óhmico R conectada en serie con una bobina pura de
reactancia XL.
Figura 2.15
Si a este sistema le conectamos una serie de aparatos de medida y se le aplica una tensión
alterna al conjunto como se indica en la figura 2.16:
Figura 2.16
Obtenemos las siguientes conclusiones:
Como el circuito se encuentra conectado en serie, circulara una única corriente I a través de este
sistema el valor de esta corriente depende de los valores de R y XL, cuanto mayores sean estos
menor será la corriente.
La combinación de estos efectos limitadores dados por la resistencia y la bobina se conoce
como impedancia y se representa con la letra Z.
Para determinar el valor de la corriente en el circuito aplicamos la ley de ohm como sigue:
I= V
Z
33
Los voltímetros VL y VR nos indican las tensiones en la resistencia en la bobina, de estas se
puede deducir a través de la ley de ohm para la corriente alterna lo siguiente:
VR=RI
VL=XLI
Cabria pensar que la tensión total de voltímetro vendría dada por la suma de estas dos
magnitudes, pero hay que tomar en cuenta que la bobina produce un desfase en las magnitudes
eléctricas que hace que estas magnitudes no varíen al mismo tiempo por lo que para sumarlas
habrá que conocer su situación en el diagrama vectorial:
V = VR + VL
Para que el diagrama vectorial sea mas fácil de interpretar vamos a tomar como referencia la
intensidad ya que esta es común a los dos receptores, para ello situamos el vector I con un
ángulo de cero grados.
Dado que la resistencia óhmica no provoca ningún desfase dibujamos la caída de tensión VR en
fase con la intensidad de corriente.
Una bobina provoca un retraso de 90° de la corriente con respecto a la tension.Como hemos
dibujado a la corriente en el ángulo cero, habrá que situar el vector de la tensión en la bobina
VL adelantado respecto a la misma un ángulo de 90°.
Luego la tensión V del sistema la obtenemos realizando la suma vectorial de los vectores VL y
VR.Si se observa el resultado podemos observar que la tensión V queda adelantada un ángulo φ
respecto de la corriente.
Dicho de otra manera en un circuito R-L la corriente queda retrasada un ángulo φ respecto de la
tensión, que ya no es 90° como en el caso de la bobina pura. l valor de este ángulo dependerá
del valor de la resistencia con respecto a la bobina. Por ejemplo si en un circuito es mucho
mayor la resistencia que la reactancia de la bobina este ángulo será pequeño. l contrario si
predomina la reactancia de la bobina respecto a la resistencia el ángulo alcanzara valores
próximos a los 90°.
34
Triangulo de tensiones:
Observando el triangulo vectorial de la figura, detectamos que los vectores de las tensiones
forman un triangulo rectángulo, donde V es la hipotenusa y VL y VR los catetos:
Aplicando el teorema de Pitágoras obtenemos:
V=√V2R+V2L
Triangulo de impedancias:
Vamos a aplicar en el triangulo de tensiones la ley de ohm tal como se muestra en la figura:
Si ahora dividimos cada uno de estos lados entre la intensidad I, común a todos ellos obtenemos
el triangulo de impedancias que se muestra:
Con el triangulo de impedancias podemos encontrar el valor de la impedancia Z:
Z=√R2 +X2L
35
Para determinar el ángulo de desfase φ entre I y V se puede utilizar la relación trigonométrica
de la tangente:
tgφ= XL
R
Obtenida la tangente a través de los cálculos trigonométricos podemos encontrar el ángulo de
desfase.
2.3.1Potencia en un circuito R-L
En un circuito con resistencia y bobina podemos observar que existe un consumo de energía
eléctrica que se trasforma en calor a causa de la resistencia.Por otro lado en la bobina existen
constantes cargas y descargas de energía en forma de campo electromagnético.
Esto da lugar a que en el circuito existan diferentes tipos de potencias:
Potencia activa: Es aquella potencia que se transforma en calor en la resistencia.Se puede
decir que es aquella potencia que realmente se consume en el circuito y por lo tanto es la que
debe aportar el generador al mismo.
Se puede expresar a través de la siguiente formula:
P=RI2
Su unidad es el vatio (W).Para calcular la potencia activa podemos calcularla por la siguiente
expresión:
P=VIcosφ
Potencia reactiva: Es la potencia con la que se carga y descarga constantemente la
bobina.Realmente es una potencia que no se consume, es una potencia que se intercambia entre
el generador y la bobina, haciendo
fluir una corriente extra por los conductores de
alimentación.Se calcula mediante la siguiente expresión:
QL=XLI2
Su unidad es el Volti-Amperio-Reactivo (VAR).Para calcular la potencia media reactiva
utilizamos la siguiente expresión:
Q=VIsenφ
Potencia Aparente: Es la potencia total que transportan los conductores que alimentan al
circuito.Dado que en un circuito R-L existe potencia activa y reactiva, por los conductores que
alimentan a dicho circuito se transportan ambas potencias.Si sumamos ambas potencias
vectorialmente, obtenemos la potencia aparente.
36
Se suele representar por la letra S y su unidad de medida es el Volt-Ampere (VA).Para calcular
la potencia aparente de cualquier circuito utilizamos la expresión:
S=VI
Triangulo de potencias:
Al igual que hacíamos con las
tensiones e impedancias podemos analizar las potencias
presentes en un circuito de C.A. a través de la suma de sus vectores como se aprecia en la
figura:
a. Partimos por el triangulo de impedancias.
b. Multiplicamos por I2.
c. Finalmente obtenemos el triangulo de potencias indicado en la figura.
Del triangulo de potencia se deduce que la potencia aparente es igual a:
S=√P2+Q2
37
2.3.2Factor de potencia (FP)
Este valor nos indica la relación entre la potencia efectiva y la aparente:
FP=
P
S
= cosφ
Si observamos el triangulo de potencias (diagrama C), observamos que el factor de potencia
coincide con coseno de φ.
Coseno de φ o el Angulo de desfase entre V e I, nos indica la cantidad de potencia activa que
existe en un circuito respecto a la potencia total aparente.
38
2.4Importancia practica del factor de potencia:
Como dijimos anteriormente en este capitulo, la potencia reactiva que se genera dentro del
alternador, no se transforma en trabajo útil para el consumo dentro de una red eléctrica
determinada, por lo que esta solo sirve para generar el campo magnético, producido por los
efectos de autoinducción de los bobinados en el alternador.Este trasiego de energía entre el
alternador y la red eléctrica nos produce el inconveniente de hacer suponer una potencia
aparente instalada en un buque muy superior a la requerida.
En consecuencia se produce un aumento de corriente por los conductores de la línea que
repercute directamente en los costos de instalación de la red eléctrica y sus accesorios (Cajas de
mando, fusibles, cables, etc.).
Se ha demostrado que al acercar mediante cálculo numérico el factor de potencia lo más
cercano a la unidad obtenemos una reducción de la corriente considerable, incluyendo la
potencia aparente y la reactiva.
Para lograr este objetivo en la vida real se recurre a condensadores instalados en paralelo con
los receptores de la corriente eléctrica en la red, tal como se muestra en la figura.
Entrada y salida de corriente
Consumo
Condensador
Figura 2.17 condensadores conectados en paralelo.
Los condensadores compensan parte de la potencia reactiva de las bobinas.Hay que pensar que
en el instante en que las bobinas descargan su energía reactiva los condensadores se cargan con
la misma.En el siguiente cuarto de ciclo los condensadores vuelven esta energía acumulada a
las bobinas para que puedan desarrollar los campos magnéticos.
De esta forma se evita que parte de la energía reactiva de las bobinas tenga que fluir
constantemente por los conductores de la línea, desde el generador hasta las mismas y
viceversa.
39
En conclusión podemos decir que la mejora del FP trae consigo una reducción de la potencia
aparente sin modificar la potencia activa, lo que trae consigo una reducción de la intensidad de
corriente por la línea de suministro de energía.Ello aporta considerables ventajas como es la
reducción de la sección de las líneas de los tendidos eléctricos, reducción de la caída de tensión
y reducción de las perdidas de potencia en los conductores.
La compensación de la energía reactiva de los condensadores, en el caso de instalaciones
industriales se realiza a través de una gran batería de condensadores conectados en paralelo a la
línea general de corriente.Como la potencia reactiva a compensar de la instalación depende de
las cargas que estén conectadas en cada momento, sé hace necesaria la utilización de grupos de
condensadores que sean capaces de conectar y desconectar escalonadamente cada uno de
ellos.Al equipo que mide la FP en cada momento y envía las señales necesarias para la conexión
y desconexión de cada uno de ellos se le conoce como reguladores de potencia reactiva.
Fig.2.18 compensación central de potencia reactiva mediante batería automática de
condensadores.
40
2.5Sistemas trifásicos:
En la práctica no existen alternadores monofásicos para la generación de grandes cantidades de
energía, tanto las centrales eléctricas como los buques en general generan energía eléctrica a
través de alternadores trifásicos los cuales generaran energía que será usada según el tipo de
consumo dentro del buque ya sea monofásico (luces, artefactos domésticos como televisores,
lavadoras, et.) o trifásico en el caso de que los consumos sean altos (grúas, molinetes,
cabrestantes, etc.)
Las ventajas de estos sistemas es que pueden generar dos fases distintas, como dijimos
anteriormente, a través de tres o cuatro hilos (tres fases mas el neutro) En la figura 2.18 se
muestra una línea trifásica con receptores tanto monofásicos como trifásicos, las líneas 1,2,3 y 4
representan las tres fases mas el neutro respectivamente.
Figura 2.18
Se puede comprobar que en una corriente trifásica existen dos tipos de tensión, si tomamos un
voltímetro y medimos la tensión entre el neutro y una de las fases encontraremos por ejemplo
220 volts y si medimos la tensión entre dos fases encontraremos 440 volts.
De aquí se deduce que en un sistema trifásico existen en una misma línea dos tensiones
diferentes.Tambien se puede demostrar que la tensión entre fases es √3 veces mayor que la que
aparece entre las fases y el neutro.
La ventaja de tener dos tensiones en una misma línea radica en la utilización de la tensión más
alta en el accionamiento y funcionamiento de bombas, grúas, molinetes, cabrestantes, etc. Y por
otro lado la utilización de la tensión más baja para usos domésticos como; lavandería,
televisión, iluminación, etc.
Todos los alternadores, motores y transformadores trifásicos poseen un mayor rendimiento y
reducción de costos a uno del tipo monofásico.Esto se aprecia en los motores trifásicos de
inducción que son los más utilizados en la industria naval (par de arranque muchísimo mas
fuerte, mejor rendimiento y mejor factor de potencia).
Los sistemas trifásicos consiguen transportar la energía eléctrica con un ahorro considerable en
la sección de los conductores
41
2.6Generacion de energía eléctrica trifásica:
Para conseguir energía eléctrica monofásica, como vimos al principio de este capitulo, se hacia
girar una espira en el seno de un campo magnético fijo.
En un sistema trifásico se hacen girar tres espiras en torno a un eje común en el seno de un
campo magnético, estas espiras se encuentran repartidas equitativamente sobre un núcleo
cilíndrico de chapas de hierro, es decir cada:
360°/3 = 120°
Al moverse cada una de las espiras en el seno del campo magnético, se inducirá en cada una de
ellas una f.e.m. senoidal del mismo valor eficaz y frecuencia.Cada una están situadas 120° en
el rotor cada una de las f.e.m. (e1, e2, e3) quedan desfasadas entre si 120° eléctricos.
El valor de cada una de estas fem tendrá la siguiente forma:
Los diagramas vectoriales tendrán la siguiente forma:
Como se puede observar en los diagramas anteriores la suma de las tres f.e.m. es cero en
cualquier momento.Esta es una de las características principales en un sistema trifásico.
En los alternadores usados actualmente se sitúan las tres bobinas en el estator, evitándose así el
anticuado sistema de anillos extractores para la extracción de energía eléctrica hacia las líneas.
42
Figura 2.18 alternador trifásico con campo inductor móvil.
En el rotor se sitúa un potente electroimán que al ser alimentado por una corriente continua
genera el campo magnético.En su movimiento de rotación el campo magnético corta los
conductores consecutivamente induciendo entre si las tres f.e.m desfasadas 120°.
De las tres bobinas del alternador se consiguen seis terminales.Existen dos formas básicas de
conexión de estas seis bobinas: conexión en estrella y conexión en triangulo.
Conexión en estrella.
Conexión en triangulo.
La forma mas utilizada por los alternadores es la conexión en estrella, ya que permite el uso del
conductor neutro (0) y con él, el uso de dos tensiones diferentes.El neutro se conecta a tierra
junto con el chasis del alternador para garantizar la seguridad eléctrica de las instalaciones.
43
Corrección del factor de potencia:
Por la misma razón que se mejora el factor de potencia en las redes monofásicas de C.A. se
mejorara también el FP en las redes trifásicas, esto se logra a través de la conexión de una
batería de condensadores conectada en estrella o en triangulo, que se acoplan en derivación a la
red eléctrica a compensar.
Figura 2.19 batería de condensadores en triangulo para la corrección del factor de potencia.
2.7 El alternador trifásico.
Todo lo anteriormente explicado tenía como objetivo el entender a cabalidad el funcionamiento
del alternador trifásico, cuyo funcionamiento explicamos a continuación:
El alternador trifásico es la maquina de producción de energía eléctrica actual que cumple con
los requerimientos tanto para usos industriales como domésticos, este es accionado en las
centrales eléctricas mediante una turbina, ya sea accionada por agua o también ya sea por una
turbina a gas.
En el primer capitulo dijimos que en la industria naval el alternador es accionado por una
maquina rotatoria la cual puede ser, turbina a gas, el sistema de ejes del buque y por ultimo el
sistema que esta en todo buque, el motor diesel.
Principio de funcionamiento de un alternador:
Como ya explicamos anteriormente los alternadores basan su funcionamiento en el principio de
inducción electromagnético, en el alternador trifásico hacemos girar las piezas polares que
generan el campo magnético inductor y dejamos estático el inducido.
En la figura siguiente se muestra un alternador trifásico fundamental de inductor móvil e
inducido fijo.El inducido situado en el estator, lo forman tres devanados independientes, y
separados entres si 120°. El inductor, situado en el rotor esta formado por el electroimán que es
alimentado por una corriente continúa de excitación.
44
Figura 2.20 Alternador trifásico.
Constitución de un alternador de inducido fijo:
El alternador consta de un circuito inductor y un circuito inducido.
El circuito inductor esta constituido por un cierto número de electroimanes, cuyo bobinado se
realiza de tal forma que los polos presenten alternativamente un polo norte y un polo sur y cuyo
número total es siempre par.La alimentación de los devanados del inductor se realiza con
corriente continua a través de dos anillos colectores y un par de escobillas.
En la figura 2.21 se muestra el aspecto de un alternador donde se ha situado en el rotor un
sistema inductor consistente en cuatro piezas polares (2 pares de polos) a la cuales se alimenta
con C.C. desde una fuente de energía exterior y a través de un par de anillo colectores.
Figura 2.21
Dado que el alternador no genera C.C. como en las dinamos, es imposible llevar a cabo un
sistema de autoexitacion.Existen diferentes métodos para alimentar de C.C. el devanado
45
inductor para la generación del campo electromagnético; se indica a continuación los más
importantes:
a) Mediante una dinamo excitatriz acoplada al eje del alternador, tal como muestra la figura
2.22, en este esquema los terminales K-J se corresponden con el devanado inductor del
alternador; la dinamo excitatriz posee una excitación Shunt y la tensión continua que
proporciona la dinamo se conecta al devanado inductor a través de un reóstato de regulación.
Figura 2.22 excitación de un alternador mediante excitatriz.
b) Mediante alternador auxiliar acoplado al eje del alternador (figura 2.23); en este caso se
monta un pequeño alternador de inducido móvil en el mismo eje que el alternador principal. El
devanado inductor (k-j) del alternador auxiliar se alimenta a través de un rectificador
monofásico conectado a los bornes de salida del alternador principal. Hay que pensar que las
piezas polares del alternador principal poseen un cierto magnetismo remanente, por lo que al
ponerse en movimiento producen una pequeña f.e.m. pero suficiente como para comenzar el
ciclo de cebado. El alternador auxiliar produce C.A. trifásica que, al ser convertida a C.C.
mediante un puente rectificador trifásico, sirve de alimentación al devanado inductor del
alternador principal.
La ventaja que posee este tipo de excitación es que si acoplamos el puente rectificador trifásico
al eje del alternador no se hace necesario el uso de colectores y escobillas para la alimentación
del circuito inductor.
Figura 2.23 Alternador excitado mediante pequeño alternador de inducido móvil.
El circuito inducido está constituido por tres bobinas situadas 120° una de la otra, y alojadas en
ranuras practicadas en un núcleo cilíndrico y hueco de chapas magnéticas (véase figura 2.24) la
conexión del devanado trifásico suele ser en estrella conectando el neutro a tierra.
46
El devanado de cada fase del inducido del estator se compone de varias bobinas, conectadas de
tal forma que las fuerzas electromotrices generadas en cada uno de los conductores que las
componen se sumen.
Figura 2.24 bobinado del inducido con 24 ranuras del estator.
Frecuencia del alternador.
Para que un alternador produzca C.A. de frecuencia fija como corresponde al funcionamiento
normal de un alternador, debe girar a una velocidad constante conocida como velocidad
sincronía.
La frecuencia o numero de ciclos por segundo que produce un alternador es directamente
proporcional a la velocidad y al numero de pares de polos del circuito inductor.Hay que pensar
que cuando los conductores del inducido son cortados por un polo norte, del rotor en
movimiento, se induce un semiciclo de tensión positiva, y que al ser cortados por un polo sur
consecutivo se induce un semiciclo de tensión negativa esto indica que cada vez que un
conductor pasa frente a un par de polos se produce un ciclo completo.Asi por ejemplo un
alternador que posee un par de polos y que gira a una velocidad de 50 revoluciones por
segundo, producirá una frecuencia de 50 ciclos por segundo.
Ahora si dotamos a este alternador con dos pares de polos se producirá una frecuencia de 100
ciclos por segundo.A raíz de estas consideraciones se deduce que:
f = frecuencia de la C.A.(Hz)
p = pares de polos del inductor.
n = velocidad en revoluciones por minuto (rpm)
47
2.8Acoplamiento de alternadores:
Cuando se desea aumentar la potencia a una red de C.A. trifásica y en el caso de los buques con
el objetivo de evitar que en caso de falla de un generador la planta se venga a bajo, se colocan
dos alternadores en paralelo o más.
Para realizar el acoplamiento con éxito es necesario cumplir las siguientes condiciones:
a) La tensión de los alternadores a acoplar debe ser igual.
b) La frecuencia también debe ser la misma.
c) El orden de sucesión de fases debe ser igual.
d) En el momento de la conexión las tensiones de los alternadores deben estar en fase.Es
decir las sinusoides que representan a las tensiones de cada uno deben superponerse
exactamente.
Para hacer que se cumplan dichos requerimientos se actúa sobre la velocidad y corriente de
excitación de los alternadores mientras se sigue con aparatos de medida adecuados
las
diferentes variables del proceso, en caso de colocar en manual podemos guiarnos por un
sincroscopio del tipo de tres luces o un frecuencímetro.
Sincroscopio
Sincroscopio de tres luces
Figura 2.25 fotografía donde se muestran los dos tipos de sincroscopios utilizados en buques.
En la actualidad los acoplamientos entre alternadores se realizan por medio de dispositivos
automáticos e informáticos de sincronización.
48
Los alternadores deben funcionar a una velocidad constante para así mantener la frecuencia a un
valor fijo.Cuando se le exige una mayor potencia eléctrica al alternador este reacciona
disminuyendo su velocidad debido a que presenta una mayor resistencia al movimiento.
Si la velocidad llegara a disminuir se perdería el sincronismo con la red a la que esta acoplado y
habrá que desconectar automáticamente el generador de la red. Para evitar esto se dota al
conjunto alternador y grupo motriz que lo acciona de un dispositivo automático de control de
velocidad, así como también regulara al sistema en caso de presentarse sobre-velocidad en la
maquina primaria (parada por sobre velocidad).
Dado que el alternador necesita suministrar una mayor cantidad de potencia reactiva a los
receptores que lo requieran, se dota al mismo un dispositivo que controla automáticamente la
corriente de excitación del inductor, produciéndose una mayor cantidad de corriente reactiva al
aumentar dicha corriente de excitación.
49
Capítulo III:
Balance eléctrico.
En capítulos anteriores se habló de los motores primarios y los conceptos a la hora de entender
el funcionamiento del alternador así como algunas definiciones que aparecen en los datos de
placa de un GE para así conocer su funcionamiento, en este capítulo se determinará a través de
un balance eléctrico el equipo a instalar en un buque mercante.
Para determinar el tipo de grupo electrógeno a instalar en un buque es necesario, primero que
todo determinar la potencia requerida por el buque en las distintas condiciones de carga y
navegación en la que este se encuentre, de esta forma se elije la potencia y número de equipos
en base a la situación de carga más desfavorable.
El cálculo de potencia es uno de los procesos de mayor importancia a la hora de instalar un GE,
ya sea este para uso en tierra tanto como para su uso en buques, los motivos son los siguientes:
1.-Si la potencia que se calcula para un generador es muy baja, el generador o los
generadores no alcanzaran a cubrir la demanda de los consumos, este inconveniente es de fácil
detección debido a que durante la puesta en marcha se observan caídas de voltaje en la
instalación eléctrica, incluso es posible que el equipo se desconecte.
2.-En caso de sobredimensionamiento de la potencia el funcionamiento aparenta ser
correcto, y no se observan interrupciones o algún otro efecto alarmante. Los motores diesel
alcanzan su mayor eficiencia entre el 70 y 80 % de su rango de potencia. Si la maquina trabaja
prolongados periodos de tiempo por debajo del 40% de su capacidad máxima se produce un
fenómeno llamado over fueling que se traduce en el mal aprovechamiento de la capacidad
energética del combustible y la baja eficiencia del motor.
Es por lo anteriormente dicho que es imprescindible en la etapa de anteproyecto de un buque
realizar el balance eléctrico en forma anticipada.
50
3.1Terminos relacionados:
Antes de proseguir con la selección de un equipo es necesario conocer algunos conceptos
importantes relacionados con las consideraciones que hay que tomar en el momento de
determinar la potencia que tendrá el grupo electrógeno, algunos términos quizás no
necesariamente salgan más adelante pero es importante su inclusión, debido a que algunas
definen lo que ocurre con los equipos al estar en funcionamiento.
a) Carga: Este concepto puede tener varias acepciones:

Conjunto de valores eléctricos que caracterizan la solicitación a que está sometido un
equipamiento eléctrico (transformador, máquina, etc.).

Equipamiento eléctrico que absorbe potencia.

Potencia (o corriente) transferida por un equipamiento eléctrico.

Potencia instalada.
b) Carga instalada: Es la suma de las potencias nominales de los equipos instalados, se expresa
en kVA, kW, MVA ó MW.
c) Carga máxima; Es el consumo máximo de un equipo en un intervalo dado.
d) Carga equivalente: corresponde a la carga intermitente que al ser multiplicada por el factor
de diversidad equivaldría a una carga continua ayudando asi a determinar la potencia
requerida a instalar en un GE.
e) Densidad de carga: Es el cociente entre la carga instalada y el área de la zona de proyecto,
se expresa, por ejemplo, en kVA / km2.
f) Demanda: Es la carga en las terminales receptoras, tomada como valor medio en un
intervalo de tiempo determinado; por lo tanto, hablar de demanda carece de sentido si no se
explicita dicho intervalo. Se expresa en kW, kVA o Amperes.
g) Demanda máxima: Es la mayor demanda instantánea que se presenta en una carga.
h) Factor de demanda (DF): Es la razón entre la demanda máxima y su carga total instalada en
un lapso de tiempo (t). El factor de demanda generalmente es menor que uno, y sólo es igual
a la unidad cuando todos los aparatos conectados a la carga están absorbiendo su potencia
nominal.
i) Factor de utilización: Es la razón entre la demanda máxima y la capacidad nominal del
sistema en un lapso de tiempo (t).
j) Factor de carga: Es la razón entre la demanda promedio en un intervalo de tiempo dado y la
demanda máxima observada en dicho lapso.
k) Factor de diversidad: Es el cociente de la suma de las demandas máximas individuales en
las distintas partes de un sistema o la instalación y la demanda máxima de un sistema y la
instalación.
l) Factor de coincidencia o simultaneidad: Cuando se alimenta a un sólo consumidor se estila
considerar su demanda máxima, pero si se alimenta a más de uno se suele considerar este
factor que toma en cuenta la no coincidencia en el tiempo de los consumos; por lo tanto es
siempre menor que uno.
51
m) Potencia de arranque (PA): Al partir los motores de las bombas estos arrancan con una
fuerte punta de tensión, para luego estabilizarse y trabajar a la potencia de trabajo (PT) o
nominal. Estos valores están en Kw.
52
3.2Descripcion de la nave.
Tipo.....................................................................................................................Buque Granelero.
Eslora total........................................................................................................................ 152.6 m.
Manga máxima........................................................................................................................ 24m.
Puntal.....................................................................................................................................13.2m.
Velocidad..........................................................................................................................12 nudos.
Capacidad tripulantes.................................................................................................. 28 personas.
Potencia Motor propulsor...............................................................................................8040 BHP.
Cantidad de bodegas………………………………………………………..…………………....4.
3.3Estados de carga.
Los estados de carga corresponden a las hipótesis
de consumo de potencia en las diferentes
condiciones de navegación o estadía en puerto del buque, los estados de carga para un buque
granelero son:
1) En puerto en reposo.
2) En puerto cargando o descargando.
3) En navegación.
4) Entrando/saliendo de puerto.
Así por ejemplo en navegación solo se usaran los sistemas auxiliares del motor principal, como
bombas de aceite, agua de chaquetas, etc. Pero no se usa la maquinaria de cubierta como grúas o
molinetes. Hay que tomar en cuenta a su vez la utilización del alumbrado en caso de que el
buque este trabajando de noche o de día.
Estos estados de carga se calculan a través de tablas que se incluyen a continuación, una vez
completadas estas tablas se podrá deducir la potencia máxima utilizada en el buque y de esta
forma la potencia y numero de generadores que se instalaran en la nave.
3.4Balanace eléctrico:
Al conjunto de hipótesis y cálculos que se realizan para estimar la potencia necesaria a cada
hipótesis de carga se le denomina balance eléctrico. Estas estimaciones se representan a través
de la siguiente tabla donde se considerará un buque granelero, en las cuales
se estimara la
potencia en base a los equipos y motores que se presume serán utilizados en el buque para su
explotación, en donde también se incluyen los diferentes equipos de respeto, así como también
los distintos estados de carga para cada condición de trabajo del buque.
En el momento de analizar y de presuponer la potencia instalada, que ha de ser consumida en
cada uno de los estados de carga señalados, es cuando aparece el concepto de factor de
utilización descrito anteriormente, dicho factor de utilización dependerá del factor de demanda
y de simultaneidad.
F. de Utilización = F de Demanda x F de Simultaneidad
53
Con respecto al factor de simultaneidad en el buque se toma en cuenta que cierto número de
receptores del mismo tipo (ejemplo: bombas de agua de chaqueta) puedan mantenerse inactivos
debido a que se trata de un equipo de respeto. Entonces el factor de simultaneidad será de un
valor 1 en caso de tratarse de que exista solo un aparato en el buque y sin equipos de respeto. En
el caso de que se encuentre más de uno este valor será menor a la unidad, por ejemplo si
tenemos tres grupos de electrobombas en servicio y dos están en funcionamiento continuo en
navegación, tendremos que el factor de simultaneidad será de o,66(2 de 3 equipos en
funcionamiento).
Teniendo en cuenta lo anterior se pueden recomendar para los diferentes servicios los valores
siguientes de factor de diversidad y de simultaneidad (extraídos del libro “Electricidad marina
practica” de Manuel Baquerizo Pardo, año 1968)
Factor
de Factor
simultaneidad
Demanda
Maquinaria
cubierta
Auxiliares
propulsión
Servicios
auxiliares
buque
de Factor
utilización
de
Grúas
Molinete
Cabrestante
de la Bombas,
compresores,
soplante auxiliar
Bombas
del auxiliares,
purificadores,
generadores de
agua
destilada,etc.
Ventiladores y
calefacción
Alumbrado
Equipos Cocina
1
1
0.75
0,6-1
0,8-0,9
0.75
0.8
-
-
0.5-0.9
-
0.3-0.1
-
-
0.6-01
0.5-1
-
54
de
55
56
Balance eléctrico
Grupos de carga
Equipos Aux. MP
Servicios Aux. del
buque
Equipos Aux. Caldera
Maquinaria de
cubierta
Luces
Entrada y salida Cargando en
En reposo en
En navegación
a puerto
puerto
puerto
KW
KW
KW
KW
INTER
INTER CON INTER
INTER
CONT.
CONT.
CONT.
MIT
MIT.
T.
MIT
MIT
100,26
32,6
133,46
32,6
32,6
17,31
5,2
72,51
1,52
16,51
9,2
51,54
24
13,8
110,24
33
13,8
TOTAL(KW)
232,41
Factor de diversidad
Carga equivalente
Carga máxima
68,91
1/3
23
32,6
350,73
72,11
1/3
24
32,6
Potencia Requerida
56,61
Carga Total
GENERADORES EN
SERVICIO
FACTOR DE
UILIZACION (%)
72,18
1,52
449,7
4
52
575,4
4
14,11
9,2
30,12
1,52
13,8
15,84
33
69,71
1/3
23,24
32,6
80,48
8,37
9,2
17,57
1/3
5,86
9,2
301,32
374,77
598,68
86,34
1
2
2
1
82,8
61,6
95
27
Potencia en la situación más desfavorable
Numero de GE recomendado
Potencia aproximada de cada GE
% extra recomendado de potencia a
agregar
Potencia real aproximada de cada GE
Potencia en KVA (tomando un FP de 0.8)
600
2
300
(KW)
(KW)
5%
315
(KW)
393,75 (KVA)
57
3.5Seleccion del equipo.
Una vez determinada la potencia del grupo electrógeno se recurre a catálogos de GE marinos,
eligiendo el equipo con la potencia más cercana a la calculada.
Para tal propósito se eligió el catalogo de la marca de motores Cummins debido a la amplia
variedad de grupos generadores marinos que posee y también a que cumplen con las normas
exigidas por las sociedades de clasificación como Lloyd Register, Germanischer Lloyd, ABS,
BV, entre otras.
58
De la tabla anterior se elige el modelo de motor primario KTA-19D (M1) debido a la potencia
de 335 Kwe que entrega siendo esta la más cercana a la potencia requerida por el grupo
electrógeno, también se pudo
haber elegido el modelo QSM11-DM pero siempre es
recomendable dejar un margen de Kw extra en caso de desgaste a través del tiempo de la
instalación eléctrica(desgaste considerable en los cables, paneles de distribución, etc.) y también
futuras modificaciones en el buque como
la instalación de nuevos consumos. Las
características de consumo de combustible, así como las dimensiones principales se pueden
encontrar en la página 101 de esta tesis.
El alternador es un modelo HCM534E de la misma marca recomendado para trabajar con este
motor primario este modelo produce corriente alterna trifásica con 380/220 Volts y con un FP
de 0.8.Las curvas de protección contra sobrecargas de este se encuentran en la página 96. Las
características de excitación para hacer partir los motores que energizará el grupo electrógeno
así como el voltaje transiente producido se muestran en las curvas de la pagina 98 . La clase de
protección de este modelo, para un factor de potencia de 0,8, así como el voltaje de trabajo
dependiendo del tipo de conexión (estrella o triangulo) y eficiencia se muestran en la página
100 de los anexos.
3.6Consideraciones en la elección del grupo electrógeno.
Una vez determinada la potencia que ha de generar el grupo electrógeno, parecería suficiente el
colocar un solo grupo electrógeno que satisficiera toda la potencia necesaria, pero como ya se
dijo anteriormente esto no es factible debido a los motivos planteados en un principio de este
capítulo, así como también a que por normas especificadas tanto en las Sociedades
Clasificadoras, como así también en SOLAS, es necesario un mínimo de dos
grupos
electrógenos para que puedan absorber juntos la potencia máxima producida por el buque en la
condición más desfavorable.
También para consideraciones generalizadas es recomendable distribuir la potencia máxima en
la condición más desfavorable en N grupos electrógenos, de tal forma que (N-1) generadores
puedan suministrar la antedicha potencia. El número N variara según los requerimientos del
armador en cuanto a costos de instalación, manutención y operación de los grupos electrógenos,
pero
especialmente dependerá
de las recomendaciones hechas por las Sociedades de
Clasificación y las normas marítimas internacionales sobre la seguridad de la vida en el mar
(SOLAS).
Estas consideraciones se encuentran en SOLAS capítulo II-1 regla 41”Fuente de energía
principal y red de alumbrado”, que
recomienda en pocas palabras el uso de dos grupos
electrógenos funcionando en paralelo para satisfacer la demanda a bordo.
59
También para satisfacer las condiciones apropiadas de seguridad establecidas por SOLAS se
dispondrá de un equipo electrógeno de emergencia o un banco de baterías que cumplan con la
regla 42 cap. II-1 de dicho libro y que puedan alimentar los equipos
auxiliares para la
propulsión, navegación y confort requerido por la tripulación.
En caso de ser un grupo electrógeno este debe funcionar bajo condiciones de escora y trimado
determinadas por SOLAS (Parte II-1 Capitulo 42) y Loyd´s Register (Parte 5 Cap. 1 sección 3
correspondiente a condiciones de operación de maquinas en buques, tabla 1.3.1) este equipo
por consideraciones de ahorro en cuanto a economía y repuestos de respeto puede ser el mismo
modelo de los GE principales.
60
3.7Instalacion y emplazamiento a bordo.
Para cumplir con las condiciones de seguridad y operatividad adecuada a bordo las casas
clasificadoras recomiendan instalar los grupos electrógenos alejados a
zonas expuestas a
estanques de combustible, y químicos peligrosos, así como también ventiladas adecuadamente
para evitar acumulación de gases, la información sobre requerimientos en espacios de maquinas
se pueden encontrar en LR parte 5, capítulo I-4(Machinery room arrangements).
3.8Pruebas a bordo.
Una vez instalado un grupo electrógeno, está establecido por norma una serie de pruebas del
equipo emplazado a bordo, supervisadas tanto por autoridades de la Armada nacional, la Casa
clasificadora, y representantes del armador y el astillero, para ser testigos de fe del correcto o
mal funcionamiento del equipo a bordo.
Estas pruebas tienen como objetivo evitar futuros accidentes debido a una mala instalación o
mal cálculo del GE que se eligió.
En relación a las pruebas que se han de realizar al GE se dirá que en el astillero, antes de que el
barco sea entregado, hay que realizar una serie de pruebas que demuestren la perfecta
instalación, maniobrabilidad, caudal de enfriamiento de aire, variación de frecuencia así como
de voltaje y posibilidad de acoplamiento de la planta, etc. además de las exigencias de pre instalación requeridas por las sociedades de clasificación como; certificados de clase, pruebas
de bancada del motor primario, aislamiento de estator y rotor, etc.Dichas especificaciones se
pueden encontrar en la pagina 83 del presente libro.
Además de estos parámetros se pueden encontrar las curvas de eficiencia del alternador (pagina
84 de anexos) seleccionado dependiendo de su factor de potencia (0,8;0,9;1,0), donde nos
indica el valor de potencia total generado por el alternador(En este caso la curva nos indica que
con una sobre velocidad de 110% de las rpm de trabajo se producirán 530 KVA)
Una vez cumplidos los parámetros anteriores, se pueden realizar las pruebas a bordo
consistentes en:
a) Pruebas de carga de los generadores:
Carga
Vacío
25%
50%
75%
100%
110%
Tiempo(minutos)
15
15
15
15
60
45
61
Los parámetros tomados en cada condición de carga son:
Test alternador
Motivo
Potencia(KW)
Determinar las potencias de trabajo
alcanzadas por el GE y su desconexión
en caso de sobrecarga.
Corriente por línea(Amp)R,S,T
Determinar que la corriente de trabajo
en la red sea la estipulada en los cálculos
eléctricos.
Voltaje de línea(V)RS,RT,ST
Determinar que los voltajes que se
usaran en el buque son los determinados
en los cálculos eléctricos(En este caso
380 Volts)
Frecuencia(Hz)
Determinar la variación de frecuencia
nominal del GE.
Aislación entre tierra generadores y Determinar que los cables y circuitos se
casco
encuentran debidamente aislados y por
lo tanto son seguros para la tripulación a
bordo.
Aislación entre fases(R,S,T)
Determinar que las fases estén aisladas
las unas de las otras y no se produzcan
cortocircuitos u accidentes más graves
como incendios.
Temperatura de las barras de cada fase
Constatar la calidad de las barras y su
resistencia al sobrecalentamiento.
Voltaje de la batería
Constatar que la batería y el estado de
carga de la batería
se encuentran en
buen funcionamiento. Si hay sobrecarga
significa que el regulador de voltaje se
encuentra más alto de lo esperado.
Test motor diesel
Presión de agua a la entrada del motor Determinar
(bar.)
que
las
bombas
de
enfriamiento funcionan adecuadamente
al igual que los filtros que puedan tener
los circuitos de enfriamiento.
Presión de entrada del refrigerante(bar)
Idem.
Presión de aceite del motor.(Bar)
Determinar el buen estado de la bomba
de lubricación y su respectivo filtro de
aceite.
62
Presión de combustible a la entrada del Asegurar que la presión de combustible
motor.(Bar)
es la indicada para que este entre a la
cámara en forma pulverizada.
Tº del refrigerante a la entrada del motor. Determinar que el enfriamiento del
(ºC)
motor es el estipulado por el fabricante.
Tº del refrigerante a la salida del Idem.
motor.(ºC)
Tº del agua a la salida del motor.(ºC)
Idem.
Tº del aceite del motor.(ºC)
Determinar que el aceite se encuentra
enfriando las partes móviles en forma
adecuada.
Temperatura de entrada de aire de Determinar que la temperatura es la
admisión.(ºC)
adecuada con el fin de evitar el punto de
rocío.
Temperatura de los gases de escape.(ºC)
Nos indicará el estado de carga del
motor y la carga en cada cilindro.
Temperatura de combustible a la entrada Asegurar que los combustibles entran a
del motor.(ºC)
la cámara a la Tº adecuada para una
combustión ideal.
RPM
Comprobar las rpm a las que gira el
motor
según
lo
esperado
por
el
fabricante para evitar un funcionamiento
antieconómico del motor.
Sobre velocidad.
Determinar si se cumple la parada por
sobre velocidad y ver si el equipo se
desconecta al trabajar en sincronía con
otro GE.
b) Pasos de carga: Se somete el equipo a variaciones bruscas de carga, para comprobar la
reacción del regulador de velocidad y por ende las variaciones de voltaje y frecuencia que deben
ser de acuerdo a lo establecido por la normas de las casas clasificadoras. Lo más exigente es
llevar el motor funcionando con el 100% de su carga a 0%, el tiempo de reacción debe ser de 2
seg, con una variación de voltaje de +/- 16% y de frecuencia +/- 4%.
63
c) Pruebas en paralelo: Se prueba la capacidad de reacción de cada uno de los grupos
electrógenos a través de distintas pruebas como:
ACCION
Funcionamiento esperado en los tableros de
ambos grupos electrógenos.
Se
suprime
carga
de
cada
generador Se mide la reacción en segundos(no más de 6
funcionando a un 110%, luego se suprime la segundos)
carga de los no esenciales.
Se lleva el generador a 100% y se suprime la Se determina la frecuencia máxima a la que
carga.
llega, tiempo de recuperación y voltaje.
Se lleva de 0% a 50%
Se determina la frecuencia mínima y el tiempo
de estabilización de la misma.
Luego se procede a probar los grupos electrógenos en paralelo para ver la reacción de estos en
diferentes condiciones, las principales serán:
CONDICION
Generador 1 50% de carga
ACCION
Se desconecta generador 1
REACCION
Generador 2 compensa carga.
Generador 2 50% de carga
Generador 1 50% de carga
Se desconecta generador 2
Generador 1 compensa carga.
Generador 2 50% de carga
Generador 1 50% de carga
Se conecta generador 2
Se igualan las cargas a 25%
Generador 2 desconectado
Generador 2 50 % de carga
Se conecta generador 2
Se igualan las cargas a 25%
Generador 1 desconectado
d)Comprobación de parada por corriente inversa: El fenómeno de corriente inversa en un grupo
electrógeno se debe a que cuando dos equipos están trabajando en paralelo y uno de estos se
encuentra trabajando con menos carga, el alternador de este equipo con menos carga tiende a
absorber corriente y en vez de trabajar como alternador absorbe carga como si fuera un motor,
para lo cual no fue diseñado, por lo mismo estos equipos cuentan con una desconexión por
corriente inversa, la prueba consiste en lo siguiente:
ACCION
REACCION
Se trabaja con generadores en paralelo con Se desconecta generador 1 (la reacción no
generador 1 a 10% de carga.
debe tardar en llegar en más de 5 segundos)
Se trabaja con generadores en paralelo con Se desconecta generador 2 (la reacción no
generador 2 a 10% de carga.
debe tardar en llegar en más de 5 segundos)
64
e) Comprobación de Alarmas y Sistemas de Seguridad: Se simulan las diferentes fallas
utilizando equipos especializados que envían las señales al panel de control local, con el fin de
no someter a los grupos electrógenos a condiciones exigentes de trabajo innecesariamente. Esta
prueba se divide en condiciones que generan alarma visual, acústica y aseguran el equipo y
condiciones que solo generan alarma visual y acústica, las primeras son: baja presión de aceite,
alta temperatura del refrigerante y sobre velocidad, las segundas son: baja presión de agua
refrigerante, bajo nivel del liquido refrigerante, fugas de combustible, diferencial de presión en
los filtros de aceite y temperatura del aceite.
f)Se somete a ambos alternadores a pruebas de aislación con multitester en el cual se comprueba
la aislación entre fases, entre tierra y casco del buque y entre cada fase(R,S,T) y la tierra, estas
mediciones se realizan con el generador en frio(esto significa con generador fuera de servicio) y
luego se realiza con el generador en caliente(inmediatamente después de haber sacado fuera de
servicio el generador), estos rangos deben tender a infinito en las mediciones entre cada fase y
entre fase y tierra, en el caso de la masa a tierra y el casco este debe dar cero, luego al comparar
las mediciones en frio y en caliente estas deberían ser las mismas.
g) Otro factor a tomar en cuenta es la medición de vibraciones cuando el alternador esta en
pruebas de mar, estas se miden en cuatro puntos en los fundamentos del grupo electrógeno con
un acelerómetro.
65
66
Capítulo IV
Mantención.
Ya sabiendo el principio de funcionamiento de un alternador y ya realizada la instalación del
grupo electrógeno en el buque, no queda más que dar las herramientas necesarias para lograr
una adecuada mantención y operación a bordo, en lo respectivo a su mantenimiento predictivo,
es debido a lo anterior que en este capítulo se hablara de los componentes principales del grupo
electrógeno y algunas consideraciones técnicas a tomar en cuenta durante la operación de estos.
Al hablar de grupos electrógenos se habla de aquellos grupos compuestos por un motor diesel y
un alternador, la elección del motor diesel se debe a su capacidad de operar en todo momento,
su fácil emplazamiento abordo y las facilidades de manutención del mismo.
67
4.1Componentes principales del GE:
En el siguiente esquema se puede apreciar en forma simple un grupo electrógeno estándar, de
fácil instalación y ampliamente utilizado como apoyo en buques de una antigüedad mayor a 20
años debido al estado de los grupos electrógenos originales de estos , pudiendo evitarse así
fallas debidas principalmente a la vejez de estos equipos.
Figura 4.2 esquema generalizado de un GE.
a) Motor diésel. El motor diésel que acciona el Grupo Electrógeno ha sido seleccionado por su
fiabilidad y por el hecho de que se ha diseñado específicamente para accionar grupos
Electrógenos. La potencia útil que se quiera suministrar la proporcionará el motor, así que, para
una determinada potencia, habrá un determinado motor que cumpla las condiciones requeridas.
b) Sistema eléctrico del motor. El sistema eléctrico del motor es de 12 VC, excepto aquellos
motores los cuales son alimentados a 24 VCC, negativo a masa. El sistema incluye un motor de
arranque eléctrico, una/s batería/s libre/s de mantenimiento (acumuladores de plomo), sin
embargo, se pueden instalar otros tipos de baterías si así se especifica, y los censores y
dispositivos de alarmas de los que disponga el motor. Normalmente, un motor dispone de un
manocontacto de presión de aceite, un termo contacto de temperatura y de un contacto en el
alternador de carga del motor para detectar un fallo de carga en la batería.
c) Sistema de refrigeración. El sistema de refrigeración del motor puede ser por medio de agua,
aceite o aire. El sistema de refrigeración por aire consiste en un ventilador de gran capacidad
que hace pasar aire frío a lo largo del motor para enfriarlo. El sistema de refrigeración por
agua/aceite consta de un radiador, un ventilador interior para enfriar sus propios componentes o
enfriado a través del sistema de enfriamiento con agua de mar.
68
d) Alternador. La energía eléctrica de salida se produce por medio de una alternador
apantallado, protegido contra salpicaduras, auto excitado, autorregulado y sin escobillas
acoplado con precisión al motor, aunque también se pueden acoplar alternadores con escobillas
para aquellos grupos cuyo funcionamiento vaya a ser limitado y, en ninguna circunstancia,
forzado a regímenes mayores.
e) Depósito de combustible y bancada. El motor y el alternador están acoplados y montados
sobre una bancada de acero de gran resistencia La bancada puede incluir un depósito de
combustible con una capacidad mínima de 8 horas de funcionamiento a plena carga, en caso
contrario se puede construir uno que cumpla con las normas de la casa clasificadora a la que
este sujeto el buque.
f) Aislamiento de la vibración. El Grupo Electrógeno esta dotado de tacos antivibrantes
diseñados para reducir las vibraciones transmitidas por el Grupo Motor-Alternador. Estos
aisladores están colocados entre la base del motor, del alternador, del cuadro de mando y la
bancada.
g) Silenciador y sistema de escape. El silenciador de escape va instalado en el Grupo
Electrógeno ,el silenciador y el sistema de escape reducen la emisión de ruidos producidos por
el motor.
h) Sistema de control. Se puede instalar uno de los diferentes tipos de paneles y sistemas de
control para controlar el funcionamiento y salida del grupo y para protegerlo contra posibles
fallos en el funcionamiento. El manual del sistema de control proporciona información detallada
del sistema que está instalado en el Grupo Electrógeno.
i) Interruptor automático de salida. Para proteger al alternador, se suministra un interruptor
automático de salida adecuado para el modelo y régimen de salida del Grupo Electrógeno con
control manual. Para grupos Electrógenos con control automático se protege el alternador
mediante contactores adecuados para el modelo adecuado y régimen de salida.
j) Bomba de trasiego: En el caso de motores diesel utilizados en buques, es necesario la
instalación de una bomba de trasiego que suministre combustible desde los estanques de doble
fondo al estanque de servicio diesel, en las instalaciones de este tipo es fundamental una bomba
en el caso de que el grupo electrógeno se encuentre en cubierta o en caserío.
k) Algunos elementos opcionales del equipo:
Cargador electrónico de baterías:
Asegura la carga de la batería, aunque el grupo permanezca largos períodos de tiempo sin
funcionar.Suelen ser de una intensidad máxima de carga de 5 A.
69
Resistencia calefactora del motor:
El motor diesel lleva instalada una resistencia calefactora controlada por un termostato en el
circuito de líquido refrigerante. El objetivo de esta resistencia es mantener el motor diesel a una
temperatura suficiente para asegurar el arranque rápido en cualquier momento, y que pueda
aceptar rápidamente la carga a conectar.
Opcionalmente también se instalan sistemas de calefacción en el alternador y en el cuadro
eléctrico, para evitar condensaciones de vapor de agua dentro de estos elementos.
Además de lo mencionado anteriormente, existen otros dispositivos que ayudan a controlar y
mantener, de forma automática, el correcto funcionamiento del mismo. Para la regulación
automática de la velocidad del motor se emplean una tarjeta electrónica de control para la señal
de entrada "pick-up" y salida del "actuador". El pick-up es un dispositivo magnético que se
instala justo en el engranaje situado en el motor, y éste, a su vez, esta acoplado al engranaje del
motor de arranque. El pick-up detecta la velocidad del motor, produce una salida de voltaje
debido al movimiento del engranaje que se mueve a través del campo magnético de la punta del
pick-up, por lo tanto, debe haber una correcta distancia entre la punta del pick-up y el engranaje
del motor. El actuador sirve para controlar la velocidad del motor en condiciones de carga.
Cuando la carga es muy elevada la velocidad del motor aumenta para proporcionar la potencia
requerida y, cuando la carga es baja, la velocidad disminuye, es decir, el fundamento del
actuador es controlar de forma automática el régimen de velocidad del motor sin aceleraciones
bruscas, generando la potencia del motor de forma continua. Normalmente el actuador se acopla
al dispositivo de entrada del fuel-oil del motor.
70
4.2Funcionamiento de los grupos electrógenos:
1) Arranque: Para el arranque de grupos electrógenos se utilizan normalmente dos técnicas: la
batería de acumuladores y el aire comprimido, usándose esta última normalmente en grupos
electrógenos de gran potencia. El sistema de arranque debe de estar diseñado para poder realizar
3 intentos consecutivos de arranque. Debe de tener un sistema de supervisión que permita un
mantenimiento preventivo, evitando así el fallo en el momento del arranque. El motivo más
frecuente de fallo en el arranque es el fallo de la batería.En algunos casos puede suponer una
razón para escoger el arranque por aire comprimido.
2) Grupo electrógeno en paralelo: Cuando un grupo electrógeno debe de funcionar en paralelo
con otra fuente de energía hará falta sincronizar el grupo y luego cargarlo progresivamente, para
el funcionamiento en paralelo de grupos electrógenos, normalmente se utilizan grupos con
potencias similares.
Hay diferentes esquemas de colocar en paralelo un GE pero la configuración mas utilizada en la
industria naval es el siguiente:
Todos los grupos electrógenos están conectados a una unidad de control de reparto de carga, de
manera que se reparte la potencia activa y reactiva. Se
representa un ejemplo de esta
configuración en la figura 4.2. El regulador de velocidad de cada grupo recibe la referencia de
ajuste de la potencia activa del repartidor de potencia activa, el cual asegura también la
regulación de la frecuencia.
De la misma forma, cada uno de los reguladores de excitación recibe la referencia de ajuste de
la potencia reactiva del repartidor de potencia reactiva, asegurando a la vez la regulación de
tensión. Este esquema permite una gran variación de la carga sin fluctuaciones de la frecuencia
o de la tensión.
Figura 4.2 Funcionamiento en paralelo con un repartidor de carga.
71
3) Funcionamiento isócrono: Los grupos electrógenos están diseñados normalmente para
funcionar de modo aislado (llamado también modo isócrono o en isla). En este caso la
frecuencia estará controlada por el regulador de velocidad del grupo. Las sobrecargas que
sobrepasan la potencia máxima del grupo electrógeno (potencia de socorro) provocan una
disminución de la frecuencia, lo que podría hacer actuar el sistema de desconexión de algunos
receptores (desenganchado).
4) Desconexión: Antes de parar un grupo electrógeno hay que reducir su carga a cero
transfiriendo la carga a otras fuentes y después abrir el interruptor automático del grupo. El
grupo deberá girar algunos minutos en vacío para permitir su refrigeración antes de pararlo. En
ciertos casos es necesario continuar el sistema de refrigeración después de parado el grupo, para
eliminar el calor latente de la máquina. Para dejar el grupo fuera de servicio, habrá que seguir
las recomendaciones indicadas por el fabricante.
Las operaciones para poner un grupo en servicio o fuera de servicio de forma correcta deberán
quedar aseguradas por el equipo de mando y control del grupo.
4.3Protección eléctrica:
En esta sección hablaremos de las protecciones eléctricas presentes en el grupo electrógeno.
Puesto que los grupos electrógenos son fuentes de energía eléctrica, los relés de protección de
máxima corriente deben de estar conectados a los transformadores de corriente del neutro de los
arrollamientos del estator para prevenir los defectos en los arrollamientos del alternador.
Para el funcionamiento en paralelo con otros grupos electrógenos son necesarios relés de
protección adicionales a nivel del interruptor automático del grupo electrógeno para los defectos
lado red del grupo electrógeno. Para estos relés de protección se instalan transformadores de
corriente a nivel del interruptor automático del grupo electrógeno protegiendo así la conexión
global del mismo.
Como puede verse en la figura normalmente se conectan relés direccionales de potencia activa y
reactiva al transformador de corriente del neutro del alternador.
También pueden conectarse a los transformadores de corriente asociados al interruptor
automático.
72
Figura 4.3 Protecciones recomendadas en un grupo electrógeno.
73
La figura anterior muestra las protecciones recomendadas en un grupo electrógeno enumeradas
con sus códigos convencionales:
1) protecciones conectadas a transformador de corriente del neutro del alternador:








32P: relé direccional de potencia activa.
32Q: relé direccional de potencia reactiva para la pérdida de excitación (grupos>
1MVA).
46: componente inversa (grupos > 1 MVA).
49: imagen térmica.
51: corriente máxima.
51G: defecto a tierra.
51V: corriente máx. manteniendo la tensión.
87G: protección diferencial del alternador (para grupos > 2 MVA).
2) protecciones conectadas a los transformadores de tensión:




25: «synchro-check» (únicamente para funcionamiento en paralelo).
27: falta de tensión.
59: sobretensión.
81: frecuencia fuera de límites (máxima y mínima).
3) protecciones conectadas a los transformadores de corriente al lado de la línea
(Solamente para funcionamiento en paralelo):


67: corriente máxima direccional (no es necesario si se utiliza el 87G).
67N: corriente máxima direccional homopolar
4) protecciones mecánicas generales de grupo, conectadas a los detectores:



49T: temperatura del estator (recomendada para alternadores de más de 2 MVA).
49T: temperatura de los cojinetes (recomendada para alternadores de más de 8 MVA).
64F: protección de tierra del rotor.
74
La tabla siguiente da algunos ajustes que deben tener cada una de las protecciones e indican las
acciones que desencadenan:
75
4.4Mantencion general del grupo electrógeno:
4.4.1Del motor primario:
Aunque cada motor incluye un manual de operación para su correcto mantenimiento,
destacaremos los aspectos principales para una buena mantención predictiva del motor.

Controlar el nivel de aceite. El motor debe estar nivelado horizontalmente, se debe
asegurar que el nivel está entre las marcas MIN y MAX de la varilla. Si el motor esta
caliente se habrá de esperar entre 3 y 5 minutos después de parar el motor.

Aceite y filtros de aceite. Respetar siempre el intervalo de cambio de aceite
recomendado y sustituya el filtro de aceite al mismo tiempo. En motores parados no
quite el tapón inferior.En el caso de carter seco o sump tank es recomendable que
cuando el aceite se cambia por completo, limpiar y revisar es depósito en caso de hallar
partículas como paños, metales, o vidrios que puedan dañar por accidente el sistema de
lubricación.

Filtro del aire. El filtro del aire debe sustituirse cuando el indicador del filtro así lo
indique. El grado de suciedad del filtro del aire de admisión depende de la concentración
del polvo en el aire y del tamaño elegido del filtro. Por lo tanto los intervalos de
limpieza no se pueden generalizar, sino que es preciso definirlos para cada caso
individual.

Correas de elementos auxiliares. Comprobación y ajuste. La inspección y ajuste deben
realizarse después de haber funcionado el motor, cuando las correas están calientes.
Afloje los tornillos antes de tensar las correas del alternador. Las correas deberán ceder
10mm entre las poleas. Las correas gastadas que funcionan por pares deben cambiarse al
mismo tiempo. Las correas del ventilador tienen un tensor automático y no necesitan
ajuste. Sin embargo, el estado de las correas debe ser comprobado.

Sistema de refrigeración. El sistema de refrigeración debe llenarse con un refrigerante
que proteja el motor contra la corrosión interna y contra la congelación si el clima lo
exige. Nunca utilizar agua sola. Los aditivos anticorrosión se hacen menos eficaces con
el tiempo. Por tanto, el refrigerante debe sustituirse. El sistema de refrigeración debe
lavarse al sustituir el refrigerante. Lo mejor es recurrir en al manual del motor el lavado
del sistema de refrigeración.

Filtro de combustible. Sustitución. Limpieza: no deben entrar suciedad o contaminantes
al sistema de inyección de combustible. La sustitución del combustible debe llevarse a
cabo con el motor frío para evitar el riesgo de incendio causado al derramarse
combustible sobre superficies calientes.
76
4.4.2Aspectos relativos a la manutención y detección de fallas en el motor a través del
tiempo (mantención preventiva):
Uno de los factores determinantes en la operación de los grupos electrógenos, es la mantención
correcta y la capacidad de detectar e identificar fallas durante la operación de los motores diesel.
Con el objetivo de dar una pauta en la operación de estos motores se darán algunos puntos que
son comunes en la mantención y operación de todos los motores diesel.
a) Presión de compresión:
La presión que se puede medir en el pistón da una indicación del estado mecánico del motor,
especialmente relacionado con el estado de las válvulas y anillos. Buena presión de compresión
permitirá al motor girar suave y rapidamente.Una mala compresión será causa de un giro lento
y dificultoso. Una compresión poco uniforme de los cilindros causara un giro no uniforme.
La toma de presiones de compresión varia de motor en motor, algunos se toman a través de los
inyectores, pero para toma de presión de compresión en los modelos YANMAR, existen los
conos atmosféricos los cuales se indican en la figura numero 8, que van instalados en las
culatas, a través de estos se realiza la toma de presiones tanto de compresión como de
combustión., de la cual se hablará más adelante.
Hay que tomar en cuenta que para medir la presión de compresión se debe anular la inyección
de combustible en el cilindro que estamos analizando, para esto se corta la alimentación a través
de las bombas de inyección de alta presión.
Cono atmosférico
Manómetro para toma
de presiones.
Figura 4.4 toma de presiones de compresión y combustión.
77
Las presiones de compresión varían según el modelo del motor, para el modelo “YANMAR
S185L ST” la presión es de 35 Bar para la compresión y para el modelo YANMAR 6 MAL-HT
es de 40 Bar en promedio.
Las diferencias de presiones de compresión entre cilindros tienen un rango aceptable según las
especificaciones de los diseñadores de un 10%.
Si la presión de compresión está por debajo de los valores indicados por el fabricante se puede
deber a las siguientes razones:
1.-Los anillos del pistón están desgastados (se fuga el aire por los anillos).
2.-Desgaste por corrosión en las válvulas de admisión y escape.
3.-Puede haber un adelanto o atraso en la inyección.
Los primeros dos puntos se solucionan simplemente reemplazando las piezas dañadas por
nuevas.
El tercer punto se logra ajustando el “timing” de la inyección, regulando las bombas de alta
presión de los motores generadores en el momento en que el cilindro esta a punto de llegar al
PMS (punto muerto superior), Para esto es de vital importancia saber el orden de encendido de
los cilindros.
En la mayoría de los motores diesel el “timing” o punto de inyección de combustible se realiza
entre los 11° y 16° antes del PMS.
b) Presión de combustión:
La metodología para tomar esta presión es la misma que la anterior, la diferencia radica en que
esta presión es mayor debido a que la inyección de combustible en este caso no se restringe en
la bomba de alta presión.
La presión de combustión varía al igual que la de compresión, según el tipo de motores con el
que estamos trabajando, en el caso de los motores YANMAR 6 MAL-HT y YANMAR S185L
ST las presiones de combustión son 56 y 80 Bar respectivamente.
Valores bajo los indicados anteriormente indican posibles fallas en las bombas de alta presión o
también pueden indicar falla de inyección en las toberas.
A continuación se describirá como funcionan y que tipo de exigencia deben satisfacer cada
uno de estos componentes que conforman el sistema de inyección del motor diesel.
78
4.4.3 Inyectores:
Para introducir el combustible a la cámara de combustión es necesario contar con una elevada
presión, superior obviamente a la que hay en la cámara en esos momentos y que es alrededor de
unos 41 bares.
Pero además se debe saber que el proceso de la inyección tomara tiempo, por
lo que
probablemente cuando la última cantidad de combustible deba entrar a la cámara, deberá vencer
una gran presión ahí existente, causada no solo por la compresión sino también por el aumento
en la temperatura debido a la combustión de las primeras partículas. De ahí entonces que la
presión de inyección son valores que fluctúan alrededor de los 90 a 340 bares (dependiendo
obviamente del modelo de motor con el que trabajemos) y que deberán producir los sistemas de
inyección.
Además de elevar la presión a estos elevadísimos valores los sistemas de inyección deben estar
diseñados de tal forma que el combustible se introduzca a la cámara en el momento más
adecuado, esto es unos cuantos grados antes del PMS como dijimos anteriormente, durando otra
cierta cantidad después del PMS con el objetivo de obtener la mayor potencia y rendimiento en
la maquina.
Cuando el sistema de inyección cumple con lo anterior se dice que esta sincronizado (en ingles
timing).
Otro factor importante que han de cumplir los sistemas de inyección es la calibración que
implica que a cada cámara llegue la misma cantidad de combustible cumpliendo con valores
determinados por el fabricante en cada caso.
La pulverización pasa a ser uno de los factores mas importantes a la hora de producir una
combustión adecuada, para lo cual se realizan las pruebas de bancadas, cómo se muestra en la
figura 4.5, que consisten en accionar cada inyector por separado en un banco de pruebas,
debiendo este pulverizar en forma atomizada y sin producir goteos a la vez que producir las
presiones de inyección indicadas por el fabricante.
79
Figura 4.5 banco de pruebas de inyectores con manómetro para indicar la presión de
Inyección.
Pero esto no basta para tener una correcta combustión, también es importante que las partículas
se distribuyan en la forma más homogénea para facilitar el contacto entre el combustible y el
aire y obtener así una buena combustión.
Para ello, aparte de recurrir al diseño de inyectores, también los fabricantes recurren a una
optimización en el diseño de las cámaras de combustión, variando estas en una amplia gama de
diseños así como también diferentes tipos de inyección como directa y a través de pre-cámaras.
Figura 4.6 inyección directa y con pre-cámara.
Además de las consideraciones anteriores en los inyectores debe producirse un brusco inicio y
termino de la inyección durante el ciclo del motor diesel, con el objetivo de evitar que las
partículas no se quemen produciendo obstrucción de las toberas por producción de carboncillo.
80
Con estos datos anteriores se deduce cuales podrían ser las fallas en los motores al detectar
bajas presiones de combustión en las pruebas periódicas de los motores diesel, pero para
resumir un tanto podríamos decir que:
a) Una baja presión de inyección, influirá fuertemente en la pulverización y distribución,
variando el comportamiento esperado por el fabricante e influyendo en una mala
combustión y en una menor potencia esperada y humos excesivos por el escape.
b) Si el sistema no esta bien sincronizado, la inyección se encontrara adelantada o atrasada.
En el primer caso el motor funcionara en forma dura y con golpeteos en cambio si la
inyección esta atrasada, no se aprovechara toda la energía de la combustión en la
expansión y los gases saldrán más calientes, perdiendo potencia en el motor y en casos
extremos quemando las válvulas de escape.
c) Si la cantidad de combustible que llega a los cilindros no es el mismo, el motor
funcionara en forma dispareja, en forma irregular. Pero aunque llega en la misma
cantidad, si la calibración está defectuosa por ser mayor de la especificada entonces el
motor funcionara con excesivos humos por el escape, en forma antieconómica e incluso
con menor potencia debido a la mala combustión. Si el combustible es menor al
especificado, el motor no entregara máxima potencia y quizás no funcionara en Ralentí,
vació o carga máxima.(Se llama ralentí al funcionamiento del motor en que no entrega
potencia útil sino que funciona venciendo su propio roce y entregando la energía
necesaria para mover todos sus elementos auxiliares).
81
a) Funcionamiento de los inyectores:
Para describir el funcionamiento de los inyectores primero se deben tener claros sus
componentes principales, los que se adjuntan a través de la figura siguiente.
A
B
C
D
E
F
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
Retorno de combustible
Tuerca de cierre
Tuerca de cierre del resorte
Válvula del resorte
Tuerca de apriete
Entrada de combustible
Aguja de inyección
Sujetador de la tobera
Cuerpo de la tobera
Válvula de la tobera
Tuerca de apriete de la tobera
G
H
I
J
K
Figura 4.7 diagrama general de un inyector.
La válvula del inyector está en posición cerrada por efecto del resorte que lo empuja hacia abajo
a través del vastago.Cuando la bomba produce bruscamente alta presión, esta actúa levantando
la válvula contra la acción del resorte, por lo que el combustible es descargado a esta alta
presión a la cámara combustión. Al cesar bruscamente también la presión producida por la
bomba, la válvula se cierra terminando la inyección.
Ya habíamos dicho anteriormente, que la inyección se iniciaba cuando la presión alcanzaba un
valor tal que era capaz de levantar la válvula contra la acción del resorte; podemos deducir que
este valor dependerá de la tensión a que este sometido el resorte, el cual será ajustado a través
del tornillo de ajuste.
La apariencia externa y el tamaño de ajuste varían según su diseño y funcionamiento está
basado en los principios explicados anteriormente.
82
b) Comprobación de los inyectores:
Ya se dijo anteriormente que en el momento de probar los inyectores estos deben ser probados a
través de un banco de pruebas o probador hidráulico indicado en la figura 11, una de las
precauciones a evitar es el de no colocar las manos bajo el inyector al probarlo, debido a que la
alta presión y pulverización del combustibles podrían producir la entrada de combustible al
flujo sanguíneo provocando envenenamiento.
Las tres pruebas a realizar son las siguientes: Presión de inyección, forma de pulverización y
condiciones mecánicas del inyector (fugas).
a) La presión de inyección debe ser especificada por el fabricante y al ser accionado el inyector
el manómetro dará el valor correcto, esta se puede ajustar por medio de la tuerca de regulación.
b) En segundo lugar se observa la pulverización y la distribución que se debe comparar con la
especificada por el fabricante, si no es la adecuada la tobera debe reemplazarse.
c) Finalmente se determina el estado mecánico del inyector. Para lo cual se bombea combustible
por medio del probador a un valor un poco menor a la presión de la inyección. En tales
condiciones la presión debe mantenerse durante un cierto tiempo antes de ir bajando
paulatinamente hasta un tercio del valor de inyección.
Si la presión baja muy rápidamente se puede deber a fugas. Estas fugas pueden ser acusadas por
goteos en los agujeros de inyección de la tobera, podemos tener fugas tanto externas a la
válvula como internas, ambas acusadas por una drástica caída de presión. En caso de tener
fugas internas se debe cambiar la tobera.
En algunos casos las boquillas pueden rectificarse, en caso de tener fugas externas (goteo) estas
pueden trabajarse con pasta esmeril al ser pulidas la tobera contra el asiento. Luego el resultado
se observa a simple vista debido al efecto de espejo que se genera en asiento y tobera. Luego de
rectificar y probar su correcto funcionamiento, las válvulas se pueden usar nuevamente.
Al instalar los inyectores hay que asegurar que las golillas y empaquetaduras que evitan
posibles fugas en el circuito sean de las medidas correctas y estipuladas por el fabricante, de
preferencia partes originales.
83
4.4.4Bombas de combustible:
Dentro de las bombas de inyección se pueden encontrar muchos sistemas diferentes,
obviamente estos varían según varían los sistemas de inyección en los motores, según sean:
-De bomba múltiple.
-Bombas individuales.
-Distribuidores.
Las bombas elevan la presión del combustible y por medio de cañerías de alta presión es
enviado al inyector que pulveriza y distribuye el combustible. Si tenemos una bomba por
cilindro decimos que es individual. Pero si estas se juntasen en un solo bloque formando un
todo tendremos una bomba múltiple.
Pero si existe un solo juego de elementos que elevan la presión y lo distribuye a cada cilindro,
se dice entonces que hay una bomba distribuidora.
Dentro de los sistemas, que se describieron anteriormente, el sistema más usado es la bomba
individual Bosch que tiene una configuración generalizada como la mostrada a continuación.
1
Conexión de válvula de descarga.
2
Resorte de la válvula de descarga.
3
Válvula.
4
Asiento de la válvula.
5
Juntura de la válvula.
6
Cuerpo de la bomba.
7
Juntura de tornillo de cierre.
8
Tornillo de cierre.
9
Cremallera de control.
10 Anillo de retención
11 Guía del embolo
12 Camisa de control
13 Embolo
14 Camisa de guía
15 Resorte de la bomba
16 Anillo de retención
Figura 4.8 bomba Bosch.
El combustible por medio de una bomba auxiliar o de
17 collarín
transferencia llega a las lumbreras llenando de combustible el espacio sobre el embolo y por
medio de la ranura helicoidal llena también el espacio entre el embolo y la camisa, sucediendo
todo esto cuando el embolo esta en su recorrido más bajo. La presión de la bomba de
transferencia no es capaz de vencer el resorte que mantiene la bomba de descarga cerrada.
Cuando el embolo comienza a subir el combustible escapa hacia fuera de las lumbreras, pero
llega un momento, cuando el embolo cierra las lumbreras, que el combustible queda encerrado
84
sobre el embolo y en el espacio que hay entre el y el cilindro. Al seguir subiendo el embolo y al
hacerlo rápidamente, bruscamente también sube la presión hasta que vence la válvula de
descarga y el combustible es forzado entonces al inyector.
Suponiendo el fluido prácticamente incompresible, se puede decir entonces que la inyección se
inicia cuando el embolo cierra las lumbreras. Y la inyección durara hasta que la hélice se
comunique con la lumbrera, ya que entonces la presión disminuirá súbitamente, cerrándose la
válvula de descarga, al poder comunicarse el combustible de alta presión a los pasajes de baja
presión.
Figura 4.9 a) Inicio de la inyección.;b) Inyectando;c) Termino de la inyección.
85
4.4.5Calibracion:
Como se dijo antes, una bomba esta calibrada cuando entrega la misma cantidad de
combustible a cada cilindro y según las demandas de potencia.
Esto se realiza en forma segura, solo usando un banco de pruebas, haciendo operar la bomba a
una determinada velocidad y midiendo la entrega de combustible, las bombas por lo general
vienen calibradas en fábrica y se les coloca una marca en la camisa dentada de control y la
cremallera.
Coincidiendo estas marcas la bomba ya esta calibrada.
Hélice
Cremallera.
Camisa de control
Flanche de control del embolo
Figura 4.10 la cremallera y la camisa de control deben coincidir en las marcas.
86
4.4.6Sincronizacion:
Los procedimientos de calibración de las bombas variaran según el tipo de modelo pero para el
caso general las instrucciones son:
a) La guía del embolo tiene una línea de sincronización que se puede observara través de la
ventanilla de inspección y otra marca en la misma ventanilla.
B) Se hace girar el cigüeñal del motor hasta que la leva quede en contacto con el taqué de la
bomba en su parte más baja.
c) Guiar el cigüeñal en su correcto sentido de rotación hasta que el pistón del cilindro en el que
ha de inyectarse, alcanza posición inicial de inyección. Esta se encuentra marcada en el volante
del motor, cuando esto sucede las dos líneas de referencia en la bomba deben coincidir.
e) Si lo anterior no ocurre, debe ajustarse el taqué hasta conseguir la exacta coincidencia de las
marcas. Debe ser ajustada bien la contratuerca de seguridad del tornillo de ajuste.
87
4.5 Sistemas de protección del motor diesel:
Si bien para mantener el correcto funcionamiento del equipo diesel se tienen que realizar las
operaciones descritas anteriormente, también debemos considerar los sistemas de seguridad
automáticos y alarmas que tienen como objetivo prevenir cualquier falla causante de perjuicios
del equipo, antes de que la tripulación pueda alcanzar a reaccionar.
Para prevenir fallas de estos sistemas de detección y alarma se realizan una serie de pruebas a
los generadores en forma periódica y los cuales son descritos a continuación:
1.-Alarma de baja presión de aceite: Tiene como objetivo dar alarma al panel de control cuando
esta ha bajado de su presión nominal de trabajo, para tal motivo el generador tiene en su circuito
válvulas de mariposa que se abren y hacen que disminuya la presión en el mismo, si la alarma
se mantiene el generador debería parar automáticamente (parada por baja presión de aceite)
Válvula
de
descompresión
de aceite.
Figura 4.11 válvula de descompresión
2.-Alarma de alta temperatura de agua de chaquetas: Se activa en forma simulada colocando el
censor en un medio con agua a alta temperatura y a través de un pirómetro se mide la
temperatura en el momento en que la alarma se activa en el panel de control.
Censor de temperatura
de agua de chaquetas.
Figura 4.12 prueba de sensores de alta temperatura.
88
Además de los parámetros controlados a través de alarmas, no hay que olvidar los parámetros
locales de temperaturas y presión que se deben tomar mientras el motor se está probando en la
toma de presiones de compresión y combustión, parámetros que pueden indicar el estado de
funcionamiento de sus diferentes componentes, para así prevenir futuros contratiempos en
estas maquinas térmicas.
Hay que tomar en cuenta que algunas alarmas implican la parada del motor como son la parada
por baja presión, y la parada por sobre velocidad de rotación del motor que tiene como objetivo
mantener constante las rpm del motor para así mantener la frecuencia de la electricidad
generada en un rango necesario para que los alternadores acoplados al eje generen la
electricidad en forma adecuada.
Para tal objetivo se acelera el motor en forma gradual por sobre sus rangos de trabajo, de esta
forma el motor llegando a ciertas rpm sobre las de trabajo normal, deberá
automáticamente.
89
parar
4.6Mantencion del alternador:
Durante el mantenimiento rutinario, se recomienda la atención periódica al estado de los
devanados (en especial cuando los generadores han estado inactivos durante un largo tiempo) y
de los cojinetes.
1) Estado de los devanados. Se puede determinar el estado de los devanados midiendo la
resistencia de aislamiento a tierra, es decir, la resistencia óhmica que ofrece la carcasa de la
máquina respecto a tierra. Esta resistencia se altera cuando hay humedad ó suciedad en los
devanados, por lo tanto, la medición de aislamiento del generador nos indicará el estado actual
del devanado. El aparato utilizado para medir aislamientos es el megóhmetro o Megger. La
AVR (regulador automático del voltaje) debe estar desconectado en el caso de que el generador
sea del tipo auto excitado. Para que las medidas tengan su valor exacto la máquina debe estar
parada. Es difícil asegurar cuánto es el valor de la resistencia de aislamiento de un generador,
pero como norma a seguir se utiliza la fórmula: R (resistencia en Megohmios) = Tensión
nominal en V. / Potencia nominal KW + 1000 siempre y cuando la máquina esté en caliente, es
decir, en pleno funcionamiento.
Figura 4.13 medición de aislamiento en un alternador.
Para medir la resistencia de aislamiento se conecta el polo positivo del megóhmetro a uno de los
bornes del motor y el negativo a su masa metálica; hacemos mover la manivela del megóhmetro
si la tuviera, ya que existen megóhmetros digitales, y se observará que la aguja se mueve hacia
una posición de la escala hasta que se nota que resbala y en ese mismo momento se lee
directamente la resistencia de aislamiento en la escala del aparato. Durante la medida, el
generador debe separarse totalmente de la instalación, desconectándose de la misma. Si la
resistencia de aislamiento resulta menor que la propia resistencia del devanado, sería
imprescindibles secarlos.
90
Se puede llevar a cabo el secado dirigiendo aire caliente procedente de un ventilador calentador
o aparato similar a través de las rejillas de entrada y/o salida de aire del generador, aunque otro
método rápido y eficaz seria el secado mediante un horno por calentamiento de resistencias.
Alternativamente, se pueden cortocircuitar los devanados del estator principal, provocando un
cortocircuito total trifásico en los bornes principales con el grupo electrógeno en marcha. Con
este método se consigue secar los bobinados en muy poco tiempo, aunque para ello debe
consultar el método y la forma de realizarlo según el tipo de alternador en su correspondiente
manual.
2) Cojinetes. Todos los cojinetes son de engrase permanente para un funcionamiento libre de
mantenimiento. Durante una revisión general, se recomienda, sin embargo, comprobarlos por
desgaste o pérdida de aceite y reemplazarlos si fuese necesario. También se recomienda
comprobar periódicamente si se recalientan los cojinetes o si producen excesivo ruido durante
su funcionamiento útil. En caso de verificar vibraciones excesivas después de un cierto tiempo.
Esto sería debido al desgaste del cojinete, en cuyo caso conviene examinarlo por desperfectos o
pérdida de grasa y reemplazarlo si fuese necesario. En todo caso se deben reemplazar los
cojinetes después de 40.000 horas en servicio.Otra forma de determinar el desgaste de los
cojinetes es midiendo la distancia entre el estator y el rotor por medio de un Feller, de esta
forma revisando las medidas originales del conjunto se puede saber la presencia de algún
desalineamiento.
Estator.
Feller.
Rotor.
Figura 4.14 Medición de holgura entre estator y rotor.
3) Anillos rozantes y Escobillas. Muy a menudo el chisporreteo en las escobillas se debe a la
suciedad en los anillos rozantes, o alguna otra causa mecánica. Hay que examinar la posición de
las escobillas de manera que han de tocar los anillos rozantes en toda su superficie, asimismo
deben reemplazarse cuando se ha gastado una cuarta parte de su longitud. Se han de limpiar a
fondo los anillos rozantes de forma cíclica, quitándoles todo el polvo o suciedad que los cubra,
y en especial cuando se cambian las escobillas.
91
4) Bateria.El uso normal y la carga de baterías tendrá como efecto una evaporación del agua.
Por lo tanto, se tendrá que rellenar la batería de vez en cuando. Primero, limpiar la batería para
evitar que entre suciedad y después quitar los tapones. Añadir agua destilada hasta que el nivel
esté a 8 mm por encima de los separadores. Volver a colocar los separadores.
4.7Normas de seguridad:
Un grupo electrógeno se diseña para que sea una máquina segura si se utiliza de forma correcta
y está correctamente instalado, las regulaciones relativas a GE marinos están expuestas en
SOLAS parte II-1 Reglas 40 y 41. y las reglas exigidas por las sociedades clasificadoras como
Lloyd`s
Register
(Partes
5
Maquinaria
principal
y
auxiliar)
capitulo 2 sobre sistemas de protección obligatorio a motores primarios de grupos electrógenos
y la parte 6(Control,electrical and FIRE protection) capitulo 2.
Otras consideraciones a tomar en cuenta en forma generalizada serán:

Los grupos electrógenos pueden producir niveles de ruido superiores a los 105 dBA.
Una exposición prolongada a niveles de ruido superiores a 85 dBA es peligrosa, por lo
que se deben emplear protectores auditivos.

Se debe comprobar que el equipo eléctrico está correctamente aislado para la tensión de
trabajo del grupo electrógeno.El borne de masa debe estar conectado a una toma de
tierra efectiva.

En los incendios provocados por el sistema eléctrico, sólo se podrán utilizar extintores
de la clase BC o ABC. No utilizar extintores de agua o de espuma si el grupo o el equipo
están bajo tensión.

Comprobar que el punto de unión de todos los neutros de los alternadores cumple la
reglamentación de puesta a tierra, dicha comprobación por lo general se puede realiza en
las pruebas de muelle y de mar.
92
Conclusiones:
Es de vital importancia para el ingeniero naval el tener los conocimientos básicos en cuanto a
grupos electrógenos se trata, tanto en la etapa de pre-selección del equipo basado en el balance
eléctrico, para luego pasar a las etapas de pruebas de muelle y mar.
Esta tesis puede ser utilizada como guía pero no reemplazar los conocimientos que se van
adquiriendo en cuanto a la mantención y operación de grupos electrógenos, ya que los avances
en la tecnología harán que siempre se tengan que actualizar los contenidos de todo ámbito de
trabajo en el que el ingeniero se desenvuelva.
El ingeniero naval mención maquinas marinas estará constantemente en contacto con estos
equipos y es fundamental que tenga los conocimientos básicos en cuanto a mantención
periódica se trata para así mantener un correcto funcionamiento de estos sistemas.
Finalmente, hay que tomar en cuenta que las experiencias de pruebas de alarmas, pruebas de
funcionamiento de generadores y trips de parada se llevaron a cabo en ASENAV cuando me
encontré trabajando en control de calidad, así como también las experiencias de mantención
periódica (además de las fotografías) las realice en mi practica como aspirante a oficial en el
buque MN Acacia.
93
Bibliografía:
 Marine auxiliary machinery 7th edition HG McGeorge.
 Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines Eighth edition.
 SOLAS 2002-2004
 Lloyd`s Register rules 2007.
 Informes de mantención grupos electrógenos Yanmar.
 Manuales de mantención de grupos electrógenos MTU.
 “Lecciones de electricidad aplicada al buque “Manuel Baquerizo Pardo.
 Cuaderno técnico nº196 de Schneider electric.
 Internet;
http://www.copimerainternacional.org/congreso07/Conferencias/CONFERENCIA
S/MECANICA/MEC-1-002/MEC-1-002-PPT.pdf
94
ANEXOS
95
96
97
98
99
100
101