Visión holística sobre las clasificaciones de los grupos electrógenos

Marcelo Algrain, Ph.D. 

Director técnico de ingeniería
División de corriente eléctrica 

Enero de 2014

INTRODUCCIÓN

Muchos fabricantes de grupos electrógenos imitan la clasificación de potencia de sus equipos (respaldo, principal y continua) conforme a la norma ISO 8528-1. Las clasificaciones se definen en términos de la potencia máxima disponible, los factores de carga, las horas de uso por año, la demanda máxima y las aplicaciones típicas. Estas definiciones amplias están destinadas a cubrir una amplia variedad de usos industriales y comerciales. Debido a esta variabilidad, algunos fabricantes, por ejemplo Caterpillar, han elegido adoptar las definiciones estándar en la forma más conservadora para reducir el riesgo de aplicación indebida de los equipos. El cumplimiento con estas clasificaciones estándar también indica los requisitos mínimos que un grupo electrógeno debería cumplir en una amplia variedad de aplicaciones; sin embargo, estas clasificaciones generalmente no especifican todas las capacidades del equipo. Algunos fabricantes han elegido ser más agresivos en las definiciones de clasificación para dar la apariencia de contar con capacidades superiores. El objetivo de este documento es educar al lector sobre los factores que se considerarán al seleccionar una clasificación en particular para una aplicación determinada.

ANTECEDENTES:

En general, la mayoría de las piezas y los componentes del motor están desarrollados para cumplir o superar la vida útil prevista del motor (o el tiempo hasta el reparo) al utilizarlo en una clasificación continua. El uso excesivamente agresivo, es decir su funcionamiento por encima de la clasificación continua durante períodos de tiempo prolongados podría provocar el desgaste acelerado y un tiempo de inactividad imprevisto. En el extremo opuesto, un uso excesivamente conservador también podría afectar la vida útil del motor producto de la descarga y es posible que no le ofrezca un valor óptimo al propietario. Por consiguiente, en el desarrollo de un motor se considera una infinidad de factores. En términos generales, las restricciones de diseño pueden agruparse en las siguientes categorías:

• Estructural: relacionada con los niveles de esfuerzo operativo de los componentes en lo que respecta a los límites de resistencia a la fatiga de los materiales
• Térmica: relacionada con el impacto en las propiedades del material a causa de cambios en la microestructura en el material a temperaturas elevadas
• Desgaste: relacionado con el impacto en la pérdida de material asociada con el movimiento relativo cíclico en altos niveles de esfuerzo y temperaturas elevadas

Dentro de estas amplias categorías, hay muchas consideraciones que tienen un rol fundamental en determinar la solidez de un motor. Entre las principales consideraciones que impulsan los límites se encuentran:

Presión máxima del cilindro

• Impacto estructural debido a un aumento de las vibraciones y el efecto en las tapas, unión de cabezales/bloques y pasadores de biela
• Fatiga térmica en componentes como el cilindro, el bloque, los cabezales y los pistones
• Aumento en el desgaste en los asientos de válvula, anillos de pistón y cojinetes de bancada

Temperatura en el cilindro

• Fatiga térmica producto de un aumento en el calor en la parte inferior de la platina de cabezal, borde erosionado del pistón, orificios de escape
• Desgaste acelerado de las válvulas y los asientos de válvula
• Otras consideraciones, como el congelamiento excesivo de los pistones

Temperatura y presión de escape

• Impacto estructural producto de la vibración en la empaquetadura del cabezal del distribuidor, unión de empaquetadura de turbo, y unión de resbalamiento
• Fatiga térmica y oxidación del colector, las válvulas y las guías, el tubo y los prisioneros del colector
• Desgaste y erosión del múltiple de escape 

Presión de inyección máxima

• Fatiga mecánica en los brazos/ejes, prisioneros e inyectores del balancín
• Generación de calor en los inyectores

Queda claro que las altas condiciones de carga y las temperaturas elevadas durante períodos prolongados de tiempo inclinarían las variables mencionadas anteriormente hacia los límites superiores y tienen un efecto acumulativo más alto en los factores estructurales, térmicos y de desgaste. Es fundamental equilibrar todos estos factores para desarrollar un motor robusto. Caterpillar cuenta con abundantes conocimientos sobre el diseño del motor y se aplican al desarrollo de cada motor y a la determinación de clasificaciones precisas que aseguran que el equipo cumplirá con los estrictos objetivos de fiabilidad y durabilidad de Caterpillar.

La discusión anterior se centra en factores que influyen en la clasificación del motor. La consideración de diseño de grupo electrógeno siguiente es la clasificación del alternador. Generalmente, los alternadores están térmicamente limitados por la cantidad de calor interno que se genera y la capacidad de disipar ese calor. Como resultado, parte del calor se conserva dentro del alternador, lo que eleva la temperatura de la unidad por encima de la temperatura ambiente. Una variable crítica es el aumento en la temperatura del bobinado por encima de la temperatura ambiente. Este aumento de temperatura se debe al flujo de corriente en los bobinados y las pérdidas internas que se producen en la máquina durante el funcionamiento. Por lo tanto, un funcionamiento con carga más alta daría lugar a temperaturas de bobinado más altas.

Los límites permitidos en el aumento de temperatura se documentan en varios estándares 1-5 para diferentes clases de material aislante. Algunos fabricantes hacen referencia a condiciones ambientales más bajas que las que se mencionan en el estándar, dando la impresión de una capacidad de aumento de la temperatura superior para un material aislante de clase inferior, que por supuesto no es el caso. Caterpillar sigue el estándar al especificar capacidades de aumento de temperatura basadas en el funcionamiento continuo en condiciones ambientales de 40 °C (temperatura del aire de enfriamiento al ingresar a las aberturas de ventilación de la máquina). Para los alternadores con una clasificación de respaldo NEMA crea una asignación para 25 °C adicionales por sobre el aumento de temperatura máxima para un funcionamiento continuo.

El funcionamiento en estos valores de aumento de temperatura de funcionamiento de respaldo haría que el material aislante del alternador se deteriore térmicamente a una velocidad entre cuatro y ocho veces mayor que la que se produce con los valores de aumento de temperatura de funcionamiento continuo. Sin embargo, dado que el uso típico de las unidades de respaldo es menor de 500 horas al año, en comparación con las 8.000 horas de funcionamiento continuo, el funcionamiento en valores de aumento de temperatura de respaldo no provocaría el deterioro prematuro del material aislante si se siguen las directrices de la aplicación para una fuente de potencia de respaldo de emergencia, y no se usa como fuente de alimentación principal. Por lo tanto, para maximizar el valor del cliente, las unidades de respaldo suelen ser insuficientes en relación con las unidades de funcionamiento continuo.

En ciertos casos sería conveniente hacer acoplar un motor con clasificación de respaldo con un alternador de funcionamiento continuo si se espera que las condiciones de carga queden en medio de las clasificaciones de respaldo general y la clasificación principal. Además, el tipo de carga tiene un papel fundamental a la hora de determinar si se necesita un alternador grande. Por ejemplo, las cargas de armónicos altos y no lineales provocan pérdidas más importantes del núcleo de hierro, calentamiento adicional y afectan negativamente los bobinados del alternador (pueden hacer que el extremo del bobinado vibre destructivamente y provoque grietas en el material aislante o que el alternador sea más susceptible a fallas por acción de la humedad). Una buena práctica es usar alternadores de mayor tamaño para mitigar la carga de armónicos y reducir la distorsión del voltaje (utilizando alternadores de impedancia más baja) Por último, pero no por ello menos importante, se debe considerar seriamente las condiciones del ambiente y del sitio (altitud, temperatura, restricciones de flujo, etc.) en las cuales funcionará el grupo electrógeno. Si estas condiciones están fuera de la norma, podrían impedir que el grupo electrógeno cumpla con las expectativas de rendimiento. El lector debe remitirse a la Guía de aplicación e instalación publicada por Caterpillar6.

En definitiva, las directrices de clasificación de los motores y alternadores Cat® se basan en un conjunto de límites de diseño de grupos electrógenos que se usan durante el desarrollo de las clasificaciones para garantizar que el equipo alcanzará los objetivos de fiabilidad y durabilidad en una amplia variedad de aplicaciones. Si el alcance del uso se definiera de manera más restrictiva y la variedad de condiciones se controlara de forma más estricta, podrían desarrollarse clasificaciones específicas de la aplicación que permitirían que el equipo funcione casi en sus capacidades máximas con un impacto mínimo en los factores térmicos, estructurales o de desgaste y el riesgo de tiempo de inactividad. Caterpillar ofrece una cartera de clasificaciones de grupos electrógenos diseñada para ofrecer cobertura a aplicaciones de finalidad general o específica, y al mismo tiempo, maximizar el valor del propietario.

DEFINICIONES DE LAS CLASIFICACIONES

Caterpillar usa la norma ISO 8528-1 como base para las clasificaciones de potencia de los grupos electrógenos. El estándar define las categorías de clasificación generales y establece la salida de potencia promedio permitida (factor de carga) para cada una. Caterpillar usa estas definiciones y proporciona clasificaciones adicionales para vincular estrechamente la selección de clasificación para aplicaciones típicas. La tabla que se proporciona en el apéndice resume las clasificaciones Cat y las compara con las clasificaciones ISO. El lector también debe remitirse a la Publicación LEXE0047 para obtener una cobertura completa de las definiciones de clasificación del grupo electrógeno Cat7. Las cinco clasificaciones principales que se ofrecen para los grupos electrógenos Cat son:

• Respaldo de emergencia (ESP): destinada a aplicaciones de respaldo de servicio en edificios de menos de 200 horas al año.
• Respaldo: destinada a las aplicaciones de servicio de respaldo para un uso máximo previsto de 500 horas al año.
• Respaldo de misión crítica: destinada a las aplicaciones de servicio de respaldo para un uso máximo previsto de 500 horas al año, en un factor de carga promedio permitido más alto que el de la clasificación de respaldo.
• Potencia principal: destinada al funcionamiento en horas pico para instalaciones remotas, aplicaciones de neutralización de picos, alquiler y cogeneración con cargas variables.
• Continua: destinada al funcionamiento en el 100 % de la clasificación de la placa de identificación durante períodos prolongados de tiempo en carga básica o el funcionamiento como fuente de servicio público para sitios remotos.

Dadas estas clasificaciones múltiples, sería natural suponer que no hay diferencias significativas en el equipo en sí mismo de una clasificación a otra. En general, en el mundo moderno de los motores con control electrónico, ese no es el caso en absoluto. Básicamente, el software que se muestra en el sistema de control electrónico determina si el motor funciona como una unidad continua, principal o de respaldo. En algunos casos, el equipo puede tener marcada las clasificaciones dobles, por ejemplo, clasificaciones Principal y de Respaldo. Esto puede resultar desconcertante, ya que los factores de carga, en algunas clasificaciones, se limitan al 70 %, en otras al 85 % e incluso el 100 % en función de la clasificación que se esté aplicando. La clave está en cómo se usa el equipo. Por ejemplo, considere una unidad con una clasificación de respaldo de 2,5 MW y compárela con una unidad con clasificación principal de 2,25 MW. La unidad con clasificación Principal tiene una capacidad de sobrecarga del 10 %, la unidad de respaldo no tiene capacidad de sobrecarga, por lo tanto ambas son capaces de ofrecer una potencia máxima de 2,5 MW. Ahora compare la unidad con clasificación principal con una unidad de clasificación Principal de las directrices de administración de carga. La primera puede funcionar con un factor de carga del 70 % durante una cantidad de horas ilimitada al año. La segunda puede funcionar con un factor de carga del 100 % si las horas de funcionamiento están restringidas a 500 horas al año con cargas variables. Esta limitación en las horas de funcionamiento es la misma que en la unidad de respaldo, pero con un factor de carga del 100 % sobre una base de 2,25 MW (clasificación Principal) que equivale al factor de carga del 90 % de clasificación de Respaldo de 2,5 MW. Por lo tanto, una unidad de respaldo tendría la capacidad de funcionamiento en aproximadamente el 90 % del factor de carga si el tiempo por encima de esa carga es mínimo. En la clasificación de misión crítica se tienen en cuenta todos estos factores, al definir una clasificación que es un agregado de varias otras, pero está destinada a una aplicación específica. En general, la elección de la clasificación correcta surge de realizar los intercambios adecuados entre las horas de funcionamiento, la carga máxima y la carga promedio. Los distribuidores Cat están bien posicionados para ayudar a los clientes con sus necesidades de clasificación de grupo electrógeno.