Minicentral Hidroelectrica

Minicentral HidroelctricaElavorado por: Eugenio Mamani Yuler A.Centrales Hidroelctricas de Baja potenciaDescripcin general de las mini centrales hidroelctricas

El recurso hdrico en pequeas explotacionesCaudal Desnivel Turbina Generador = Energa elctricaPor medio de canalizaciones se hace una derivacin del caudal del rio (respetando el caudal ecolgico)Se conduce el agua de forma que se consiga un desnivel respecto al nivel del rio.El salto de agua mueve una turbina. Energa potencial -> Energa mecnicaLa turbina mueve el generador. Energa mecnica -> energa elctricaSe acondiciona la energa elctrica y se acopla a la red

Cantidad de energaLa cantidad de energa que se puede conseguir, viene dado por:Pn = 9,8 Qn Hn Rtur Ralt

Donde "Pn" es la potencia nominal medida en KVA; "9,8" es la aceleracin de la gravedad, en m/s2; "Qn" es el caudal de equipamiento o caudal nominal, en m3/s; "Hn" es la altura de salto neto, en metros; "Rtur" es el rendimiento de la turbina; y "Ralt" es el rendimiento del alternador (ambos adimensionales).

Cantidad de energiaEnergia conseguidaAltura del SaltoRendimiento turbinaRendimiento generadorCaudal158 KVAs2m90%90%10m3/s160 KVAs10m90%90%2m3/s640 KVAs10m90%90%8m3/s320 KVAs20m90%90%2m3/s1600 KVAs20m90%90%10m3/s320 KVAs40m90%90%1m3/s2560 KVAs40m90%90%8m3/sPartes mas importantes de una Mini central Hidroelctrica

Partes mas importantes de una Minicentral HidroelctricaAzud Canal de derivacin cmara de cargaRejilla- rastrillo oleo hidrulicoCasa de maquinasTurbina y alternadorControl AutomticoCuadro de controlMedida de energaCuadro auxiliarProteccionesAzud, canal de derivacin y cmara de carga

Rejilla y vlvula de aislamientoA la entrada de la casa de mquinas, suele haber una rejilla que evite la entrada de brozaEn las centrales ms automatizadas suelen ser accionadas por un cilindro oleo-hidraulico para su limpiezaCompuerta y vlvula de aislamiento, para secar la central y reducir y abaratar el mantenimiento

La vlvula de mariposa representada en la foto tiene incorporado el accionamiento hidrulico, as como un contrapeso de cerrado, de forma que ante una emergencia se cierre la vlvula. Esta especialmente diseada para aplicaciones de cierre de tuberas forzadas en centrales hidroelctricasCasa de mquinasSu misin principal es la de proteger a los equipos elctricos y mecnicos de la intemperie.

TurbinaEl agua entra en la casa de mquinas y mediante una conduccin forzada se lleva hasta la turbinaLa turbina transforma la energa potencial y cintica del agua en mecnica de rotacinLa turbina lleva un control que deja pasar ms o menos agua hacia los alabes de la misma, para controlar su velocidad

Turbina tipo PeltonGeneradorLa turbina se acopla a un generador por medio de una reductora o un multiplicador, segn caractersticas.El generador ser sncrono o asncrono, en funcin de la potencia generada.Si el generador es sncrono, contara con un sistema de sincronismo y un control de la excitatriz.

Generador sncrono-asncronoSncronoUtilizado para potencias altasRequieren equipo de sincronismoUna vez acoplado mediante la excitatriz controlas la energa reactiva cedida, no usan bateras de condensadoresEquipos mas caros y con mas mantenimientoAsncronoPara potencias bajasSon equipos ms simples que los sncronosRequieren bateras de condensadores para acoplarse a la redBajo mantenimiento, equipos ms econmicosControl automaticoLa mayora de pequeas centrales se llaman fantasmas, es decir, trabajan sin personal permanente.Control y visualizacin de los parmetros ms importantes desde PCs locales o remotosSistema de control de funcionamiento sin personalSistemas modulares y basados generalmente en PLCs

Turbinar en horas puntasCuando hay caudal de agua suficiente, la turbina durante todo el da, para sacar el mayor rendimiento a la central.Si el caudal de agua es limitado, entonces la turbina dar a la mxima potencia a ser posible en horas punta, donde el precio de KW/h es un 40% mayor al del resto del daEl control automtico debe ser capaz de saber la cantidad de agua que hay en la presa, para saber si debe turbinar durante todo el da, durante las horas punta, o si debe hacerlo con potencia variable segn el horario

Control y automatizacin de la central hidroelctricaDescripcin del control y automatizacin de la minicentral hidroelctrica.

Central Hidrulica del rio Barbedillopuesta en marcha por la empresa Electrotcnica del Urumea S.A. La central consta de su correspondiente azud, que canaliza el agua a travs de un canal (tubera subterrnea en este caso) hasta una turbina tipo Francis.La turbina est acoplada a un alternador sncrono de 1290kW que se conecta a la red de Iberdrola por medio de un transformador de 400 v a 15kV.

Necesidades de automatizacinSe requiere un sistema dotado de un equipo de sincronizacin del generador con la red para su acoplamientoControl y visualizacin de los parmetros ms importantes de funcionamiento de la central a distanciaControl de la energa reactiva que se cede a la redControl de niveles y temperaturas de los sistemas mecnicosControl del nivel y estado del agua en la presaControl de embalamiento en caso de aislamiento de la redTurbinaMultiplicadorGeneradorExcitatrizEncoderCuadro GeneralCuadro de MedidaTrafoRed ElectricaEquipo de SincronismoPLCControl de Alabes de la turbinaNivel aceite PLCControl Temperatura PLCControl Embalamiento PLCNivel de Agua en camara de cargaProtecciones trafoAlarmasComunica cionesPLC Omron C200HEs un autmata de tipo medio, con un mximo de 480 entradas/salidasSon necesarias entradas analgicas para el control de temperatura y niveles. (Tarjeta C200H-MAD01)Gestiona la supervisin y las alarmas del sistemaControla la vlvula de alabes del sistema, para mayor o menor velocidad de la turbina y el control de excitacin, para una potencia reactiva dentro de los limites establecidos.Control de embalamiento en caso de apertura con la redComunicaciones con equipos remotosSern necesarios tambin mdulos especficos de control PID para procesos como el control de la excitatriz, control de apertura de los alabes de la turbina etc (Tarjeta C200H-PID01-03)

PLC Omron C200H control de temperaturaControl de los devanados del generador, de casquillos y rodamientos del multiplicador y turbina y transformadorControl de temperatura mediante PT100

- Variacion de la resistencia en funcin de la temperatura PTC (coeficiente positivo)

- 100 ohms = 0 ; 138,5 ohms = 100

PLC Omron C200H control de temperaturaLas PT100 son un estndar en la industria, muchos generadores, en la caja de bornas, presentan conexiones de PT100 internas integradas en los devanadosLos PLCs ms modernos, cuentan con entradas y software preparado para las PT100PLC Omron C200H control de temperaturaEn nuestro caso, no contamos con entradas dedicadas a PT100 en nuestro PLCNecesitamos un convertidor PT100 Multitud de convertidores PT100, a 4-20ma; 0-10ma, 0-10V

Convertidor PT100

PLC Omron C200H - control del generadorPara controlar la tensin y frecuencia que suministra el generador necesitamos controlar dos parmetros bsicos.Tensin = excitatrizFrecuencia = velocidad del generador

La velocidad del generador la controlaremos por medio de la velocidad de la turbina, es decir, inyectando ms o menos agua en los alabes de la turbinaLa tensin la controlaremos por medio de la excitacin que tenga el generador

PLC Omron C200H control de alabes de la turbinaSe debe controlar el caudal por medio de una vlvulaLa vlvula estar accionada por un cilindro hidrulico que abra o cierre la vlvula en funcin de una seal El PLC dar una seal analgica (4-20ma) proporcional a la posicin de la vlvulaEl cilindro hidrulico en funcin de esa seal posicionar la vlvula

PLC Omron C200H control de alabes de la turbinaDeposito hidrulicoelectrovlvulaCilindro hidrulicoVlvula de control de turbinaBomba aceiteCircuito hidrulicoPLCControl de nivelesSeal de control(0-10v)Control de presin y temperaturaControl de posicinPLC Omron C200H Control circuito hidrulicoEl PLC controlar mediante una seal analgica la electrovlvula que dar ms o menos paso a la bomba de aceite y abrir ms o menos el cilindro que controla la turbinaEl PLC adems se encargara del control del nivel del deposito de aceite, la presin en la bomba y verificar que la posicin del la vlvula es la deseada.

Bomba de aceitePLC Omron C200H - control del generadorEl PLC recibir seales desde el cuadro general con los parmetros de tensin y frecuencia del alternadorAdems, el PLC recibir una seal de un encoder incremental, que le de una seal proporcional a la velocidad del generador y turbina.

PLC Omron C200H - control de la excitacinUna vez conectado a la red, la excitacin variar la cantidad de energa reactiva que se cede a la redEl control de la excitacin del alternador, se hace por medio de unos reguladores. Estos reguladores, aceptan seales estndar como 0-10 voltios.El PLC distribuir la seal al regulador y este alimentar el rotor del alternador.El PLC deber hacer un control PID, para ello deber tener mdulos de control PID que quiten esa carga de trabajo al procesador (Tarjeta C200H-PID01-03)PLC Omron C200H - control de la excitacinUn algoritmo PID con parmetros bien programados, para no tener una respuesta con un sobrepasamiento alto o una respuesta excesivamente lenta.En este caso, necesitamos una respuesta que no sea excesivamente lenta, pero tampoco nos interesa una respuesta con sobrepasamiento.

PLC Omron C200H - control de la excitacin

Este es un regulador comercial, para alternadores asncronosPresenta diferentes caractersticas de regulacin, as como de proteccin para la excitatrizLa entrada ST4 puede ajustar mediante un potencimetro la excitacin del rotor, o mediante una tensin 0-10v (segn datasheet)Haciendo uso de la entrada ST4, podemos conectar una salida analgica con control PID desde el PLC hasta el regulador R230 y de esta forma controlar la excitatriz.

PLC Omron C200H - control de la velocidad, encoder incrementalOmron presenta una amplia oferta de encoders.El modelo E6H-C en concreto es un modelo resistente al aguaResolucin de 500 pulsos por cicloSalida de tensin NPN e indicador de ZERONecesario un modulo rpido de entrada/salida para el PLC

Equipo de sincronismoPara no cargar al PLC con la tarea de sincronismo del generador con la red, existen dispositivos integrados que hacen esta funcin.Existe una amplia gama de productos, ms o menos sofisticados a tal efecto, los ms simples que te indican el momento de sincronismo, por un sistema de lmparas, o los ms complejos, que tienen regulacin PID para la excitatriz y control de velocidad del generador, indicador de fase, tensiones

Equipo de sincronismo Selco c6200Equipo presentado para instalarse en armarios elctricosSe encarga de la sincronizacin del equipo y del reparto de carga (activa / reactiva)Elementos de seguridad para potencia inversa o perdida de excitacinMonitorizacin de frecuenciaEntradas y salidas programablesDiferentes interfaces compatiblesCuenta con un sicronoscopio para el control manualTiene salidas programables que pueden usarse como elementos de medidaInterface Modbus RS485 para conexin con PLC o PC

Equipo de sincronismo Circuitor Synchro max PIDMedida y visualizacin directa de la tensin y frecuencia de generador y redControl PID de la velocidad del generador mediante salida de pulsos incorporadosSincronoscopio para modo manual

PLC Omron C200H Nivel de agua en cmara de cargaEl nivel de agua se puede controlar por diferentes tipos de sensores, flotadores, etcLa cmara de carga, canal y presa, se encontrarn lejos de la central, por lo que un equipo RF o alguna comunicacin va radio ser necesariaSiemens ofrece medidores multipunto para tanques idneos para este proyectoControl de nivel de agua Siemens SITRANS LUOfrecen multitud de rangos de medida (desde 0,3m hasta 60m)Margen de tolerancia muy pequeoDiferentes mdulos de comunicaciones disponiblesSalidas 0/4 20ma, rels de alarma

Son controladores basados en ultrasonidos, buena resolucin, salidas analgicas, diferentes rangos de alimentacin Control de nivel de agua Siemens SITRANS LU

Control de nivel de agua Comunicacin SITRANS LU - PLCDebido a la distancia fsica entre la central y la cmara de carga, presa y canalLa comunicacin por radiofrecuencia puede ser una solucin cmoda y tilOmron cuenta con equipos wireless por radiofrecuencia, para distancias no mayores a 60 m (o mayores con repetidores)Un maestro controla varios esclavos

Limpieza de rejilla de entradaAprovechando la comunicacin wireless para el control de nivel de presa, canal y cmara de carga, controlaremos desde el PLC central la limpieza de la rejilla a la entrada de la cmara de carga.Un circuito hidrulico, similar al explicado para el control de la turbina, mover un rastrillo entre la rejilla de entrada con la finalidad de eliminar la broza etcCuadro GeneralEl cuadro general incorporar el equipo de sincronismo, el PLC, tarjetas de E/S, tarjetas de comunicaciones, los aparatos de medida necesarios para el generador, rels y protecciones

Desde el cuadro general tambin podremosrealizar las tareas de puesta en marcha oparo de la central en modo manualTrafo y cuadro de medidaEl trafo adaptar la tensiones nominales del generador a las de la red, este tendr que tener unas protecciones determinadas, control de temperaturaEl cuadro de medida nos dar la cantidad de potencia cedida a la red o consumida en caso de inactividad.Las compaas elctricas exigen una aparamenta determinada y unas protecciones determinadas para el acoplamiento a su redEl cuadro de medida debe satisfacer las exigencias de las compaas elctricas

Esquema propuesto por Iberdrola para la conexin a su red de alta tensin.Aparamenta de medida y de proteccin.PLC Omron C200H control de embalamientoUna vez conectado a la red y hecho el sincronismo, la tensin y frecuencia la impone la red.La excitacin controlar la cantidad de energa reactiva que se cede a la red y la cantidad de caudal, es decir, el par con el que se hace girar al motor, la cantidad de energa activa.Si el motor se desconecta de la red por cualquier motivo (salto de interruptor por seguridad) el generador se queda sin carga y tiende a embalarseEl PLC debe ser capaz de controlar el embalamiento de la turbina, con suficiente velocidad como para que no sufra ningn elementoDeber disminuir la excitacin y cerrar la vlvula de la turbina y accionar un freno en caso de que sea necesario.Puede usarse un regulador PID

PLC Omron C200H - comunicaciones Se necesita una comunicacin en ambos sentidosPermita la visualizacin y control de los parmetros necesarios a tiempo realConexin a equipo local (PC)Conexin a equipo remotoTarjeta de comunicaciones LK201

PLC Omron C200H comunicacin PC localEl PLC contar con un modulo de comunicaciones LK201 encargado de proporcionar una salida RS232RS232 es una norma de comunicacionesPLCLK201Modem RS232RS232 a RS422PC localModem TelefonicoPC remotoPLC Omron C200H Tarjeta LK201 RS232 / RS422La tarjeta dota al PLC de una salida de comunicaciones en norma RS232.Se har un cambio de la norma RS232 a RS422Un modem moderar la conexin con el PC

PLC Omron C200H conexin PC remotoMediante la salida proporcionada por la tarjeta LK201 en norma RS232, conectada a un modem telefnico, podemos establecer contacto desde un PC remoto mediante una lnea de telfono.Gran cantidad de dispositivos de comunicaciones disponiblesComunicaciones de ida y vuelta, visualizacin y control del estado del PLCPLC Omron C200H Pautas para la programacin del PLCEl PLC permitir el control automtico, manual o semiautomtico de la central.Deber diferenciar el arranque y sincronismo (ejecutado por el equipo de sincronismo) del funcionamiento general de la central.Visualizar el generador durante el funcionamiento general, controlando el caudal de la turbina, la tensin y la frecuencia de red, la energa activa y reactiva cedida a la mismaControlara la excitatriz del generador y la entrada de agua a la turbina para controlar la energa activa y reactiva

PLC Omron C200H Pautas para la programacin del PLCLlevar el control y visualizacin de los niveles de consigna en cmara de carga, azud y canal, as como la limpieza de la rejilla de entradaUn sistema de paro de la centralSeales de alarmas por temperatura en los sistemas mecnicos, niveles de aceite, presin en los circuitos hidrulicosScadaScada (supervisin, adquisicin y control de datos)Scada es una aplicacin software que corre en el ordenador de controlUna pantalla grfica da una idea del estado del sistema y permite introducir consignas o valores de programacinAdems el scada debe ser capaz de recoger los datos de la central en histricos

ScadaOmron ofrece Fixdmacs, como aplicacin de ScadaLas aplicaciones Fixdmacs ofrecen una arquitectura abierta a posibles modificaciones, mejoras o ampliaciones de hardware y softwareInterfaces grficas simples y efectivasPermite la visualizacin de datos actuales y histricos, as como el control de mquinas y actuadoresDentro del Scada se encuentran las comunicaciones, entre PLC y PC local y PC remoto, as como comunicacin entre PLC y sensores-actuadoresMinicentral HidroelctricaJon de la Cruz Ikazategi