Minicentral Hidroelectrica

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Minicentral Hidroelectrica

  1. 1. Minicentral Hidroeléctrica<br />Jon de la Cruz Ikazategi<br />
  2. 2. Centrales Hidroeléctricas de Baja potencia<br />Descripción general de las minicentrales hidroeléctricas<br />
  3. 3. El recurso hídrico en pequeñas explotaciones<br />Caudal – Desnivel – Turbina – Generador = Energía eléctrica<br />Por medio de canalizaciones se hace una derivación del caudal del rio (respetando el caudal ecológico)<br />Se conduce el agua de forma que se consiga un desnivel respecto al nivel del rio.<br />El salto de agua mueve una turbina. Energía potencial -> Energía mecánica<br />La turbina mueve el generador. Energía mecánica -> energía eléctrica<br />Se acondiciona la energía eléctrica y se acopla a la red<br />
  4. 4. Cantidad de energía<br /><ul><li>La cantidad de energía que se puede conseguir, viene dado por:</li></ul>Pn = 9,8 QnHnRturRalt<br /> Donde "Pn" es la potencia nominal medida en KVA; "9,8" es la aceleración 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).<br />
  5. 5. Cantidad de energia<br />
  6. 6. Partes mas importantes de una Minicentral Hidroeléctrica<br />
  7. 7. Partes mas importantes de una Minicentral Hidroeléctrica<br /><ul><li>Azud – Canal de derivación – cámara de carga
  8. 8. Rejilla- rastrillo oleo hidráulico
  9. 9. Casa de maquinas
  10. 10. Turbina y alternador
  11. 11. Control Automático
  12. 12. Cuadro de control
  13. 13. Medida de energía
  14. 14. Cuadro auxiliar
  15. 15. Protecciones</li></li></ul><li>Azud, canal de derivación y cámara de carga<br />
  16. 16. Rejilla y válvula de aislamiento<br />A la entrada de la casa de máquinas, suele haber una rejilla que evite la entrada de broza<br />En las centrales más automatizadas suelen ser accionadas por un cilindro oleo-hidraulico para su limpieza<br />Compuerta y válvula de aislamiento, para secar la central y reducir y abaratar el mantenimiento<br />La válvula de mariposa representada en la foto tiene incorporado el accionamiento hidráulico, así como un contrapeso de cerrado, de forma que ante una emergencia se cierre la válvula. Esta especialmente diseñada para aplicaciones de cierre de tuberías forzadas en centrales hidroeléctricas<br />
  17. 17. Casa de máquinas<br />Su misión principal es la de proteger a los equipos eléctricos y mecánicos de la intemperie.<br />
  18. 18. Turbina y generador<br /><ul><li>El agua entra en la casa de máquinas y mediante una conducción forzada se lleva hasta la turbina
  19. 19. La turbina transforma la energía potencial y cinética del agua en mecánica de rotación
  20. 20. La turbina lleva un control que deja pasar más o menos agua hacia los alabes de la misma, para controlar su velocidad</li></ul>Turbina tipo Pelton<br />
  21. 21. Turbina y generador<br /><ul><li>La turbina se acopla a un generador por medio de una reductora o un multiplicador, según características.
  22. 22. El generador será síncrono o asíncrono, en función de la potencia generada.
  23. 23. Si el generador es síncrono, contara con un sistema de sincronismo y un control de la excitatriz.</li></li></ul><li>Generador síncrono-asíncrono<br />Síncrono<br /><ul><li>Utilizado para potencias altas
  24. 24. Requieren equipo de sincronismo
  25. 25. Una vez acoplado mediante la excitatriz controlas la energía reactiva cedida, no usan baterías de condensadores
  26. 26. Equipos mas caros y con mas mantenimiento</li></ul>Asíncrono<br />Para potencias bajas<br />Son equipos más simples que los síncronos<br />Requieren baterías de condensadores para acoplarse a la red<br />Bajo mantenimiento, equipos más económicos<br />
  27. 27. Control automatico<br /><ul><li>La mayoría de pequeñas centrales se llaman “fantasmas”, es decir, trabajan sin personal permanente.
  28. 28. Control y visualización de los parámetros más importantes desde PC’s locales o remotos
  29. 29. Sistema de control de funcionamiento sin personal
  30. 30. Sistemas modulares y basados generalmente en PLC’s</li></li></ul><li>Turbinar en horas puntas<br />Cuando hay caudal de agua suficiente, se turbina durante todo el día, para sacar el mayor rendimiento a la central.<br />Si el caudal de agua es limitado, entonces se turbinará a la máxima potencia a ser posible en horas punta, donde el precio de KW/h es un 40% mayor al del resto del día<br />El control automático debe ser capaz de saber la cantidad de agua que hay en la presa, para saber si debe turbinar durante todo el día, durante las horas punta, o si debe hacerlo con potencia variable según el horario…<br />
  31. 31. Control y automatización de la central hidroeléctrica<br />Descripción del control y automatización de la minicentral hidroeléctrica del rio Barbedillo.<br />
  32. 32. Central Hidráulica del rio Barbedillo<br /><ul><li>puesta en marcha por la empresa Electrotécnica del Urumea S.A.
  33. 33. La central consta de su correspondiente azud, que canaliza el agua a través de un canal (tubería subterránea en este caso) hasta una turbina tipo Francis.
  34. 34. La turbina está acoplada a un alternador síncrono de 1290kW que se conecta a la red de Iberdrola por medio de un transformador de 400 v a 15kV.</li></li></ul><li>Necesidades de automatización<br /><ul><li>Se requiere un sistema dotado de un equipo de sincronización del generador con la red para su acoplamiento
  35. 35. Control y visualización de los parámetros más importantes de funcionamiento de la central a distancia
  36. 36. Control de la energía reactiva que se cede a la red
  37. 37. Control de niveles y temperaturas de los sistemas mecánicos
  38. 38. Control del nivel y estado del agua en la presa
  39. 39. Control de embalamiento en caso de aislamiento de la red</li></li></ul><li>Nivel aceite PLC<br />Control Embalamiento PLC<br />Protecciones trafo<br />Alarmas<br />Control Temperatura PLC<br />Turbina<br />Multiplicador<br />Generador<br />Excitatriz<br />Encoder<br />Control de Alabes de la turbina<br />Cuadro General<br />PLC<br />Equipo de Sincronismo<br />Trafo<br />Nivel de Agua en camara de carga<br />Comunica ciones<br />Cuadro de Medida<br />Red Electrica<br />
  40. 40. PLC Omron C200H<br /><ul><li>Es un autómata de tipo medio, con un máximo de 480 entradas/salidas
  41. 41. Son necesarias entradas analógicas para el control de temperatura y niveles. (Tarjeta C200H-MAD01)
  42. 42. Gestiona la supervisión y las alarmas del sistema
  43. 43. Controla la válvula de alabes del sistema, para mayor o menor velocidad de la turbina y el control de excitación, para una potencia reactiva dentro de los limites establecidos.
  44. 44. Control de embalamiento en caso de apertura con la red
  45. 45. Comunicaciones con equipos remotos
  46. 46. Serán necesarios también módulos específicos 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)</li></li></ul><li>PLC Omron C200H – control de temperatura<br />Control de los devanados del generador, de casquillos y rodamientos del multiplicador y turbina y transformador<br />Control de temperatura mediante PT100<br />- Variacion de la resistencia en función de la temperatura PTC (coeficiente positivo)<br />- 100 ohms = 0º ; 138,5 ohms = 100º<br />
  47. 47. PLC Omron C200H – control de temperatura<br />Las PT100 son un estándaren la industria, muchos generadores, en la caja de bornas, presentan conexiones de PT100 internas integradas en los devanados<br />Los PLC’s más modernos, cuentan con entradas y software preparado para las PT100<br />
  48. 48. PLC Omron C200H – control de temperatura<br />En nuestro caso, no contamos con entradas dedicadas a PT100 en nuestro PLC<br />Necesitamos un convertidor PT100 <br />Multitud de convertidores PT100, a 4-20ma; 0-10ma, 0-10V…<br />
  49. 49. Convertidor PT100<br />
  50. 50. PLC Omron C200H - control del generador<br /><ul><li>Para controlar la tensión y frecuencia que suministra el generador necesitamos controlar dos parámetros básicos.
  51. 51. Tensión = excitatriz
  52. 52. Frecuencia = velocidad del generador
  53. 53. La velocidad del generador la controlaremos por medio de la velocidad de la turbina, es decir, inyectando más o menos agua en los alabes de la turbina
  54. 54. La tensión la controlaremos por medio de la excitación que tenga el generador</li></li></ul><li>PLC Omron C200H – control de alabes de la turbina<br /><ul><li>Se debe controlar el caudal por medio de una válvula
  55. 55. La válvula estará accionada por un cilindro hidráulico que abra o cierre la válvula en función de una señal
  56. 56. El PLC dará una señal analógica (4-20ma) proporcional a la posición de la válvula
  57. 57. El cilindro hidráulico en función de esa señal posicionará la válvula</li></li></ul><li>PLC Omron C200H – control de alabes de la turbina<br />PLC<br />Deposito hidráulico<br />Control de niveles<br />Control de presión y temperatura<br />Control de posición<br />Bomba aceite<br />Señal de control<br />(0-10v)<br />electroválvula<br />Válvula de control de turbina<br />Cilindro hidráulico<br />Circuito hidráulico<br />
  58. 58. PLC Omron C200H – Control circuito hidráulico<br />El PLC controlará mediante una señal analógica la electroválvula que dará más o menos paso a la bomba de aceite y abrirá más o menos el cilindro que controla la turbina<br />El PLC además se encargara del control del nivel del deposito de aceite, la presión en la bomba y verificará que la posición del la válvula es la deseada.<br />Bomba de aceite<br />
  59. 59. PLC Omron C200H - control del generador<br />El PLC recibirá señales desde el cuadro general con los parámetros de tensión y frecuencia del alternador<br />Además, el PLC recibirá una señal de un encoder incremental, que le de una señal proporcional a la velocidad del generador y turbina.<br />
  60. 60. PLC Omron C200H - control de la excitación<br /><ul><li>Una vez conectado a la red, la excitación variará la cantidad de energía reactiva que se cede a la red
  61. 61. El control de la excitación del alternador, se hace por medio de unos reguladores.
  62. 62. Estos reguladores, aceptan señales “estándar” como 0-10 voltios.
  63. 63. El PLC distribuirá la señal al regulador y este alimentará el rotor del alternador.
  64. 64. El PLC deberá hacer un control PID, para ello deberá tener módulos de control PID que quiten esa carga de trabajo al procesador (Tarjeta C200H-PID01-03)</li></li></ul><li>PLC Omron C200H - control de la excitación<br />Un algoritmo PID con parámetros bien programados, para no tener una respuesta con un sobrepasamiento alto o una respuesta excesivamente lenta.<br />En este caso, necesitamos una respuesta que no sea excesivamente lenta, pero tampoco nos interesa una respuesta con sobrepasamiento.<br />
  65. 65. PLC Omron C200H - control de la excitación<br /><ul><li>Este es un regulador comercial, para alternadores asíncronos
  66. 66. Presenta diferentes características de regulación, así como de protección para la excitatriz
  67. 67. La entrada ST4 puede ajustar mediante un potenciómetrola excitación del rotor, o mediante una tensión 0-10v (según datasheet)
  68. 68. Haciendo uso de la entrada ST4, podemos conectar una salida analógica con control PID desde el PLC hasta el regulador R230 y de esta forma controlar la excitatriz.</li></li></ul><li>PLC Omron C200H - control de la velocidad, encoder incremental<br /><ul><li>Omron presenta una amplia oferta de encoders.
  69. 69. El modelo E6H-C en concreto es un modelo resistente al agua
  70. 70. Resolución de 500 pulsos por ciclo
  71. 71. Salida de tensión NPN e indicador de ZERO
  72. 72. Necesario un modulo rápido de entrada/salida para el PLC</li></li></ul><li>Equipo de sincronismo<br />Para no cargar al PLC con la tarea de sincronismo del generador con la red, existen dispositivos integrados que hacen esta función.<br />Existe una amplia gama de productos, más o menos sofisticados a tal efecto, los más simples que te indican el momento de sincronismo, por un sistema de lámparas, o los más complejos, que tienen regulación PID para la excitatriz y control de velocidad del generador, indicador de fase, tensiones…<br />
  73. 73. Equipo de sincronismo – Selco c6200<br />Equipo presentado para instalarse en armarios eléctricos<br />Se encarga de la sincronización del equipo y del reparto de carga (activa / reactiva)<br />Elementos de seguridad para potencia inversa o perdida de excitación<br />Monitorización de frecuencia<br />Entradas y salidas programables<br />Diferentes interfaces compatibles<br />Cuenta con un sicronoscopio para el control manual<br />Tiene salidas programables que pueden usarse como elementos de medida<br />Interface Modbus RS485 para conexión con PLC o PC<br />
  74. 74. Equipo de sincronismo – Circuitor Synchro max PID<br />Medida y visualización directa de la tensión y frecuencia de generador y red<br />Control PID de la velocidad del generador mediante salida de pulsos incorporados<br />Sincronoscopio para modo manual<br />
  75. 75. PLC Omron C200H – Nivel de agua en cámara de carga<br />El nivel de agua se puede controlar por diferentes tipos de sensores, flotadores, etc<br />La cámara de carga, canal y presa, se encontrarán lejos de la central, por lo que un equipo RF o alguna comunicación vía radio será necesaria<br />Siemens ofrece medidores multipunto para tanques idóneos para este proyecto<br />
  76. 76. Control de nivel de agua – Siemens SITRANS LU<br />Ofrecen multitud de rangos de medida (desde 0,3m hasta 60m)<br />Margen de tolerancia muy pequeño<br />Diferentes módulos de comunicaciones disponibles<br />Salidas 0/4 – 20ma, relés de alarma…<br />Son controladores basados en ultrasonidos, buena resolución, salidas analógicas, diferentes rangos de alimentación… <br />
  77. 77. Control de nivel de agua – Siemens SITRANS LU<br />
  78. 78. Control de nivel de agua – Comunicación SITRANS LU - PLC<br />Debido a la distancia física entre la central y la cámara de carga, presa y canal<br />La comunicación por radiofrecuencia puede ser una solución cómoda y útil<br />Omron cuenta con equipos wirelesspor radiofrecuencia, para distancias no mayores a 60 m (o mayores con repetidores)<br />Un maestro controla varios esclavos<br />
  79. 79. Limpieza de rejilla de entrada<br />Aprovechando la comunicación wireless para el control de nivel de presa, canal y cámara de carga, controlaremos desde el PLC central la limpieza de la rejilla a la entrada de la cámara de carga.<br />Un circuito hidráulico, similar al explicado para el control de la turbina, moverá un rastrillo entre la rejilla de entrada con la finalidad de eliminar la broza etc<br />
  80. 80. Cuadro General<br />El cuadro general incorporará el equipo de sincronismo, el PLC, tarjetas de E/S, tarjetas de comunicaciones, los aparatos de medida necesarios para el generador, relés y protecciones…<br />Desde el cuadro general también podremos<br />realizar las tareas de puesta en marcha o<br />paro de la central en modo manual<br />
  81. 81. Trafo y cuadro de medida<br />El trafo adaptará la tensiones nominales del generador a las de la red, este tendrá que tener unas protecciones determinadas, control de temperatura…<br />El cuadro de medida nos dará la cantidad de potencia cedida a la red o consumida en caso de inactividad.<br />Las compañías eléctricas exigen una aparamenta determinada y unas protecciones determinadas para el acoplamiento a su red<br />El cuadro de medida debe satisfacer las exigencias de las compañías eléctricas<br />
  82. 82. Esquema propuesto por Iberdrola para la conexión a su red de alta tensión.<br />Aparamenta de medida y de protección.<br />
  83. 83. PLC Omron C200H – control de embalamiento<br />Una vez conectado a la red y hecho el sincronismo, la tensión y frecuencia la impone la red.<br />La excitación controlará la cantidad de energía 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 energía activa.<br />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 embalarse<br />El PLC debe ser capaz de controlar el embalamientode la turbina, con suficiente velocidad como para que no sufra ningún elemento<br />Deberá disminuir la excitación y cerrar la válvula de la turbina y accionar un freno en caso de que sea necesario.<br />Puede usarse un regulador PID<br />
  84. 84. PLC Omron C200H - comunicaciones <br />Se necesita una comunicación en ambos sentidos<br />Permita la visualización y control de los parámetros necesarios a tiempo real<br />Conexión a equipo local (PC)<br />Conexión a equipo remoto<br />Tarjeta de comunicaciones LK201<br />
  85. 85. PLC Omron C200H – comunicación PC local<br />El PLC contará con un modulo de comunicaciones LK201 encargado de proporcionar una salida RS232<br />RS232 es una norma de comunicaciones<br />RS232 a RS422<br />PC local<br />PLC<br />LK201<br />Modem RS232<br />PC remoto<br />Modem Telefonico<br />
  86. 86. PLC Omron C200H – Tarjeta LK201 RS232 / RS422<br />La tarjeta dota al PLC de una salida de comunicaciones en norma RS232.<br />Se hará un cambio de la norma RS232 a RS422<br />Un modem moderará la conexión con el PC<br />
  87. 87. PLC Omron C200H – conexión PC remoto<br />Mediante la salida proporcionada por la tarjeta LK201 en norma RS232, conectada a un modem telefónico, podemos establecer contacto desde un PC remoto mediante una línea de teléfono.<br />Gran cantidad de dispositivos de comunicaciones disponibles<br />Comunicaciones de ida y vuelta, visualización y control del estado del PLC<br />
  88. 88. PLC Omron C200H – Pautas para la programación del PLC<br />El PLC permitirá el control automático, manual o semiautomático de la central.<br />Deberá diferenciar el arranque y sincronismo (ejecutado por el equipo de sincronismo) del funcionamiento general de la central.<br />Visualizará el generador durante el funcionamiento general, controlando el caudal de la turbina, la tensión y la frecuencia de red, la energía activa y reactiva cedida a la misma<br />Controlara la excitatriz del generador y la entrada de agua a la turbina para controlar la energía activa y reactiva<br />
  89. 89. PLC Omron C200H – Pautas para la programación del PLC<br />Llevará el control y visualización de los niveles de consigna en cámara de carga, azud y canal, así como la limpieza de la rejilla de entrada<br />Un sistema de paro de la central<br />Señales de alarmas por temperatura en los sistemas mecánicos, niveles de aceite, presión en los circuitos hidráulicos…<br />
  90. 90. Scada<br />Scada (supervisión, adquisición y control de datos)<br />Scada es una aplicación software que corre en el ordenador de control<br />Una pantalla gráfica da una idea del estado del sistema y permite introducir consignas o valores de programación<br />Además el scada debe ser capaz de recoger los datos de la central en históricos<br />
  91. 91. Scada<br />Omron ofrece Fixdmacs, como aplicación de Scada<br />Las aplicaciones Fixdmacs ofrecen una arquitectura abierta a posibles modificaciones, mejoras o ampliaciones de hardware y software<br />Interfaces gráficas simples y efectivas<br />Permite la visualización de datos actuales y históricos, así como el control de máquinas y actuadores<br />Dentro del Scada se encuentran las comunicaciones, entre PLC y PC local y PC remoto, así como comunicación entre PLC y sensores-actuadores<br />
  92. 92. Minicentral HidroeléctricaJon de la Cruz Ikazategi<br />

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