Los criterios de diseño de un grupo electrógeno para instalaciones críticas

El suministro de energía es crítico para muchos sectores. No nos referimos tan solo a interrupciones de la producción, sino que para muchas empresas un corte en el suministro o un fallo en el sistema principal pueden ser realmente críticos si no se dispone de un grupo electrógeno auxiliar, como sucede en hospitales, data centers o entidades financieras.

Para garantizar adecuadamente este suministro de emergencia, un grupo electrógeno tiene que estar correctamente dimensionado desde el inicio, es decir, hay que seguir unos criterios de diseño que nos permitan adecuar cada grupo a las necesidades de suministro previstas, teniendo también en cuenta picos de energía puntuales o previsiones de crecimiento a medio y largo plazo.

Así, ¿Cuáles son los criterios de diseño de un grupo electrógeno de altas prestaciones para instalaciones críticas?

1. Potencia del grupo electrógeno

La potencia de un grupo electrógeno está definida en la norma ISO 8528-1, donde se indica la aplicación, las clasificaciones y el rendimiento para conjuntos generadores de corriente alterna impulsados por motores de combustión interna alternativos. Así, según indica esta norma, la potencia de un grupo electrógeno es «la potencia eléctrica disponible en bornes del grupo para alimentar las cargas, excluyendo la necesaria para los servicios auxiliares del grupo».

Esta potencia se expresa en KW, a la frecuencia nominal y con factor de potencia 0,8 inductivo. Además, se da en unas condiciones ambientales determinadas:

  • Condiciones estándar ISO 8528-1: 100 kPa (150 m), 25º, 30% HR
  • Condiciones estándar Electra Molins: 1000 m, 40º C, 30% HR

En Electra Molins aplicamos unas condiciones más estrictas para que nuestros grupos electrógenos se adapten a un abanico de situaciones más amplio. Por otra parte, según el uso al que esté destinado el grupo electrógeno, la ISO 8528-1 define cuatro categorías de potencia:

1. Continuous Power COP

Permite una carga constante durante un tiempo limitado. Se aplica normalmente a grupos electrógenos de cogeneración.

Fuente: ISO 8528-1

2. Primer Power PRP

Permite una carga variable durante un tiempo limitado, y el trabajo continuo en instalaciones normalmente no conectadas a red.

b=0,7a
Fuente: ISO 8528-1

3. Limited-time running power LTP

Permite una carga constante (máximo 500 h/año). Se aplica normalmente a grupos electrógenos que funcionan en paralelo permanente con la red para cubrir puntas de demanda (peak shaving).

Fuente: ISO 8528-1

4. Emergency stand-by power ESP

Permite una carga variable (máximo 200 h/año), y es adecuada para casos de emergencia por fallo de red.

b=0,7a
Fuente: ISO 8528-1

2. Clase de funcionamiento

La clase de funcionamiento también está definida por la ISO 8528-5, y determina los límites de operación en función de la tolerancia de las cargas a las variaciones de tensión y frecuencia del grupo.

Clase G1Clase G2Clase G3Clase G4
Variación de frecuencia en régimen estable≤2.5%≤1.5%≤0.5%Cliente
Caída transitoria de frecuencia a la conexión brusca de carga≤-15%≤-10%≤-7%Cliente
Tiempo del transitorio de frecuencia≤10s≤5s≤3sCliente
Variación de tensión en régimen estable≤+-5%≤+-2.5%≤+-1%Cliente
Caída transitoria máxima de tensión a la conexión brusca de carga-25%-20%-15%Cliente
Tiempo del transitorio de gestión<10s<6s<4sCliente

Fuente: ISO 8528-1

En los grupos electrógenos para instalaciones críticas, se aplica la categoría de potencia PRP del punto anterior, y la clase de funcionamiento G2 de la tabla, salvo que haya unas especificaciones diferentes.

3. Características de las cargas

En el caso de los grupos electrógenos de altas prestaciones para instalaciones críticas, se definen las siguientes características para las cargas:

  • Frecuencia: 50 Hz o 60 Hz.
  • Número de fases: trifásico o monofásico.
  • Número de conductores: 3F+N, 3F sin neutro. Neutro artificial.
  • Tensión: 400/230 V a 50 Hz, 480/277 a 60 Hz, MT>=1000 V.
  • Carga máxima total: S kVA, P kW.
  • Régimen: Hay que considerar el régimen Estable y Transitorio de arranque.
  • Secuencia de conexión: Hay que considerar el peor caso posible, si todas las cargas suceden a la vez o escalonadamente, y si en el caso de ser escalonadas hay un orden prefijado o podemos elegir el más favorable. Normalmente se conectan las cargas grandes al principio y los SAI al final. Para los grupos con motores turboalimentados, el primer escalón de carga está situado entre el 40% y el 50% de la potencia total del grupo.
  • Factor de carga: El porcentaje máximo de su potencia nominal consumido por una carga una vez superado el transitorio de conexión. Por defecto, será FC=100%.
  • Factor de simultaneidad: El porcentaje máximo de cargas funcionando a la vez. Por defecto, será FS=1.
  • Hay que prever una reserva del mínimo del 10% para ampliaciones futuras.

4. Condiciones ambientales

En Electra Molins aplicamos unas condiciones estándares de 1000 m, 40º C y 30% HR, más restrictivas que las que exige la norma ISO-8528. Si las condiciones requeridas son diferentes, se aplica un derating según el fabricante del motor y el alternador.

Ejemplo de derating para alternador (NIDEC, Leroy Somer)

Ambiant temperature

ALTITUDE25 ºC40 ºC45 ºC50 ºC55 ºC60 ºC
0 to 1000 m1.04510.970.940.910.88
1001 to 1500 m1.010.970.940.910.880.85
1501 to 2000 m0.980.940.910.880.860.83
2001 to 2500 m0.950.910.880.860.830.8
2501 to 3000 m0.910.870.840.820.790.77

Fuente: NIDEC

Ejemplo de derating para motor (motor Baudouin)

Fuente: Baudouin

5. Tiempo de arranque

En los grupos electrógenos para instalaciones críticas, el tiempo de arranque es de entre 10 y 15 segundos desde la orden de arranque hasta tener tensión y frecuencia dentro de límites. Es importante prever las ayudas al arranque, como la resistencia calefactora en circuito de refrigeración del motor, alimentada en servicios auxiliares.

6. Secuencia de conexión de cargas / primer escalón de carga admisible

El grupo electrógeno tiene una potencia limitada si lo comparamos con la red, por lo que la conexión y desconexión de cargas provoca transitorios de frecuencia y de tensión. Por ello, tenemos que considerar los escalones de carga para limitar las caídas transitorias de V y F dentro de límites admisibles de la clase de funcionamiento ISO 8528-5 escogida:

  • Primer escalón: conectar una vez transcurrido el tiempo de arranque.
  • Segundo escalón, el resto, después de pasados mínimo 5 segundos.

Ejemplo 1: Respuesta de un grupo de 715kVA (572kW) LTP

Primer escalón de carga: 429kW (75%)

Factor de potencia =1

Motor: Baudouin 6M33G715/5E2

Alternador: Leroy Somer 047FC

Fuente: banco de pruebas de Electra Molins

Ejemplo 2: Respuesta de un grupo de 1650kVA (1320kW) LTP

Primer escalón de carga: 726kW (55%)

Factor de potencia =1

Motor: Mitsubishi S12R-PTTA2

Alternador: Leroy Somer 50.2L8

En este caso, el primer escalón de carga admisible depende la combinación de motor-alternador.

Fuente: banco de pruebas de Electra Molins

7. Cargas no lineales

Hay que tener en cuenta la distorsión armónica de tensión (THDU) que provocan las cargas no lineales en el grupo electrógeno.

  • THDU máxima con cargas lineales: 5%
  • THDU admisible con cargas no lineales: 20%

En caso que se superen valores de THDU del 20%, se recomienda sobredimensionar el alternador.

8. Carga mínima en régimen permanente

El funcionamiento del grupo con una carga demasiado baja puede provocar problemas en el motor, por lo que no se recomienda el funcionamiento con menos de un 30% de la potencia nominal conectada.

Como conclusión, durante el cálculo de la potencia del grupo electrógeno no es suficiente con saber la potencia nominal de las cargas a alimentar. Es necesario considerar también factores como las condiciones ambientales del sitio, la secuencia de conexión de las cargas o la presencia de cargas no lineales que pueden provocar armónicos de tensión indeseados. La valoración correcta de estos factores determinará el grupo electrógeno más adecuado para cada instalación.