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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

“EXPERIENCIA EN SOLUCIÓN DE FALLAS EN UN EQUIPO DE PERFORACIÓN MARINA EQUIPO 4043”

MEMORIA TÉCNICA

Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: VICTOR HUGO SALAS MÁRQUEZ DIRECTOR: ING. MIGUEL ANGEL VELEZ CASTILLEJOS

XALAPA, VER.

NOVIEMBRE 2012

Agradecimientos: o Gracias a Dios por permitirme trabajar en distintas formas y en distintos momentos. o Para mi esposa Caitlin Hutchins que me ha tenido mucha paciencia en este año y en los que están por venir. o Para mi papá, Mario Salas que sigue luchando contra el cáncer. o Para mi mamá, Juana Márquez que fue quien aprovechó de cada oportunidad para educarme. o A mis hermanos Adriana y Mario, que me han ayudado y soportado en todos los sentidos.

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Índice

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Introducción Capítulo 1

Descripción general del equipo de perforación

1.1 Generalidades de equipo de perforación marina Pemex 4043 ............................................... 6 1.2 Conjunto generador-máquina diesel ........................................................................................ 7 1.2.1. Máquina diesel EMD-710 .................................................................................................. 7 1.2.2 Generador Baylor AB-21 .................................................................................................... 8 1.3 Diagrama de bloques ............................................................................................................... 9 Capítulo 2 Falla en generador: Oscilación y presencia de olor característico 2.0 Descripción de la falla.. ........................................................................................................... 11 2.1 Descripción del generador AB-21 de Baylor............................................................................ 11 2.2 Partes de un generador ........................................................................................................... 12 2.2.1 Armadura estacionaria .................................................................................................... 12 2.2.2 Campo giratorio o rotor de generador AB-21 .................................................................. 14 2.2.3 Ensamble de excitación:................................................................................................... 15 2.2.3.1 El campo de excitación ............................................................................................ 15 2.2.3.2 La armadura de excitación....................................................................................... 16 2.2.3.3 Plato rectificador ..................................................................................................... 16 2.3 Solución del problema .............................................................................................................. 19 Capítulo 3 Falla en Generador: Oscilación y se sale de línea después de 20 minutos 3.0 Descripción de la falla. ............................................................................................................ 22 3.1 Descripción de aparatos .......................................................................................................... 22 3.1.1 Tarjeta del regulador de voltaje......................................................................................... 23 3.1.2 Diagrama de el PWM (Power Wide Module) .................................................................... 23 3.1.3 Regulación de la velocidad de la máquina ......................................................................... 25 3.1.4 Módulo de medición: ......................................................................................................... 26 3.1.4.1 Interfaz de medición ................................................................................................ 27 3.2 Solución de la falla ................................................................................................................ 28 Capítulo 4 Falla en el conjunto generador-máquina diesel: Vibración en conjuntos de potencia y presencia de humo blanco en el escape 4.0 Descripción de la falla. ............................................................................................................ 31 4.1 Sensores de la máquina EMD 710 ........................................................................................... 31 4.1.1Sensores TRS y SRS .............................................................................................................. 33 4.2 Tipos de humo ....................................................................................................................... 35 4.3 Solución del problema ............................................................................................................ 35

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Capítulo 5. Instalación de un regulador Basler en la planta auxiliar 5.1 Regulador de voltaje y tipo de planta. .................................................................................... 39 5.2 Problemas de vibración ........................................................................................................... 40 5.3 Solución del problema ............................................................................................................. 41 5.3.1 Descripción de funcionamiento ........................................................................................ 42 Capítulo 6 Instalación de transformador trifásico de 1500 KVA 6.1 Descripción del transformador trifásico ................................................................................. 45 6.2 Requisitos para poner dos o más transformadores en paralelo. ............................................ 46 6.3 Cálculo de interruptores .......................................................................................................... 47 6.4 Tipo de carcasa NJ .................................................................................................................. 48 6.5 ¿Por qué la conexión delta-delta?........................................................................................... 49 6.6 Torque y puesta en funcionamiento ....................................................................................... 49 Capítulo 7 Falla en el sistema: Olor a barniz quemado dentro del cuarto de control 7.0 Descripción de la falla. ............................................................................................................ 53 7.1 Descripción del tablero de enlace de los transformadores .................................................... 53 7.2 Propuesta de procedimiento para detectar una fase aterrizada ........................................... 54 Capítulo 8 Problemas en el arranque de un compreso de aire BETICO ER55 PMX 8.1 Compresor BETICO ER55 PMX ................................................................................................ 57 8.2 Efecto de los SCR´s y motores de c.d. en el sistema eléctrico ................................................ 58 8.3 Factor de potencia ................................................................................................................... 59 8.4 Potencia en régimen deformado ............................................................................................ 59 8.5 Armónicos en el puente de Graetz.......................................................................................... 61 8.6 Explicación y funcionamiento del corrector de factor de potencia ........................................ 64 8.7 ¿A partir de cuándo utilizamos el corrector de factor de potencia? ....................................... 66 Capítulo 9 Generadores en paralelo 9.1 Generalidades ......................................................................................................................... 68 9.2 El método de las tres lámparas para encontrar la secuencia de fase. ................................... 69 9.2.1 Variante del método de las tres lámparas ......................................................................... 69 9.3 ¿Para qué sirve el sincronoscopio?......................................................................................... 70 Memoria Técnica

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9.4 Problemas comunes cuando se conecta un generador en paralelo ...................................... 72 9.4.1 Problemas con la frecuencia....................................................................................... 72 9.4.2 Problemas al sincronizar ............................................................................................. 73 9.4.3 Problemas para acelerar a 900 RPM .......................................................................... 73 9.4.4 Otros ........................................................................................................................... 73 Conclusiones .......................................................................................................................... 74 Bibliografía ............................................................................................................................. 75

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Introducción He trabajado más de 4 años para Petróleos Mexicanos en la Plataforma Marina May-Alfa equipo 4043. Esto me ha permitido observar que uno de los principales problemas enfrentados es la falta de información veraz y capacitación para el sistema de control y generación de la marca Integrated Power Systems modelo IPS 2000, así como también de la máquina de combustión interna modelo EMD 710 de la marca Detroit Diesel. De ahí surge la inquietud de hacer una pequeña recopilación de algunas fallas importantes que se han suscitado en dicho equipo de perforación, las cuales han dejado algunas unidades fuera de servicio o en el peor de los casos se ha tenido un paro de equipo, mismo que repercute en los costos de operación de equipos de perforación petrolera. Por lo cual en esta memoria técnica se analizan estas fallas y también la solución a las mismas, algunas de ellas parecen ser muy sencillas, pero cuando se está en el campo de trabajo suelen ser muy difíciles de detectar. Algunos problemas que tardan más de lo necesario en ser solucionados son por el desconocimiento del equipo y de las partes que lo componen. Esto se nota cuando algunos aparatos o partes del equipo se reemplazan sin llevar un orden en la bitácora o sin ser necesario su reemplazo, haciendo más difícil detectar un problema o su solución inmediata. Esta memoria técnica tiene la finalidad de lograr un mejor entendimiento general del equipo. Así como también en el caso de presentarse las mismas fallas tener un mejor control de la situación ya que suele ser peligroso tanto para la instalación de petróleos mexicanos como para el personal a bordo de una plataforma marina. Lo anterior porque en el caso de que existiera un Black-Out (sin energía en la plataforma) y al mismo tiempo se estuviera perforando con pérdida de lodo o con cualquier operación que pudiera originar el descontrol de un pozo petrolero, se tiene un antecedente para que se pueda hacer un análisis más rápido en ese tipo de situaciones. Debido al tipo de Sistema IPS junto con el motor EMD 710, se tiene ya un historial de fallas persistentes en el arranque de estos equipos, los cuales se tratan en esta memoria técnica de una forma comprensible. Para todas las personas involucradas en el mantenimiento preventivo y correctivo de un equipo costafuera (marino) espero que esta memoria técnica sea de gran utilidad en sus equipos así también como la retroalimentación de información al respecto. Para este trabajo he utilizado algunos libros técnicos como: Máquinas Eléctricas de Chapman muy útil y bastante comprensible, algunos manuales de los mismos fabricantes pero sobre todo la experiencia de algunos compañeros de trabajo como el Ing. Guillermo Martínez Flores, Simón Reyes López, Ing. José Manuel Zúñiga Robles y Jose Cupertino Rosas Huerta.

Víctor Hugo Salas Márquez

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CAPÍTULO 1

Descripción general del equipo de perforación

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1.1 Generalidades del equipo PM 4043 Hablar de un equipo de perforación resultaría bastante complejo, por eso me limitaré solamente a explicar brevemente el sistema de generación y una descripción de los equipos conjuntos motor-generador del equipo PM 4043. Descripción

Cantidad

Generador AB-21

3

Máquina diesel EMD 710

3

Transformador de 1500 KVA.

2

Motor de corriente directa 1000 H.P

7

Freno Electromagnético modelo 7010

1

Módulos de conversión SCR (Rectificador controlado de silicio), para los motores de corriente directa).

6

Fig. 1.1 Tabla de unidades principales

Este material está enfocado a personas que están involucradas en el mantenimiento eléctrico de una instalación, muchas veces se cuenta con mucha información, pero no toda es confiable, así como también existe la ausencia de un material específico para cada instalación.

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1.2 Conjunto generador-máquina diesel 1.2.1. Máquina diesel EMD-710 Primero debemos saber que de acuerdo al modelo de la maquina es la capacidad en pulgadas cúbicas de desplazamiento por pistón es decir; 710 pulgadas cubicas de desplazamiento por pistón, en total son 8 conjuntos de potencia colocados en forma de V. Con una potencia total de 2000 H.P. El generador que se acopla a la máquina diesel es de 2738 KVA si lo multiplicamos por un factor de potencia de 0.8, tenemos 2190 KW de potencia, este valor es un dato de placa. Según la norma NRF-238-PEMEX-2009 en el apartado de diseño, el generador deberá tener un factor de potencia de 0.8, el cual lo cumple. Por otro lado si tenemos 2000 H.P. en la máquina y hacemos la conversión a KW tenemos 1492 KW en la máquina. Lo que nos hace pensar que el generador es de mayor capacidad en KW que la máquina diesel, casi por lo regular los dispositivos de límite de KW son los primeros en activarse que el límite en KVA, ya que el primer dispositivo protege a la máquina y el segundo al generador. Estos límites no deben de ser cambiados en el campo. Especificaciones de la máquina diesel EMD 710:

Fig. 1.2 Tomada del Manual del fabricante EMD Detroit Diesel

A diferencia de otras máquinas diesel instaladas en los diferentes equipos de perforación, este modelo es de 8 pistones, ver figura 1.2. El manual del fabricante nos indica que estas máquinas son utilizadas en locomotoras y en la perforación de pozos verticales, por lo que se recomienda siempre tener a la mano el manual de la máquina diesel y el manual del sistema IPS 2000 ya que habrá algunos puntos o aparatos que no se apliquen en la perforación de pozos.

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1.2.2 Generador Baylor AB-21

Fig. 1.3 Tomada del manual del fabricante, ABB Company

El generador síncrono AB-21 usado para aplicaciones marinas y especialmente para el equipo 4043 es llamado de campo giratorio, sin escobillas, de un solo balero en el lado de la excitatriz. El generador consiste en un estator o armadura estacionaria y un campo rotacional. Conexión tipo delta, este tipo de conexión es importante conocerla ya que este alternador genera 600 V c.a. efectivos, a su vez también consta de una excitatriz la cual hablaré más adelante.

Fig.1.4 Valores en ohmios de los devanados, tomado del manual del fabricante, ABB Company

Estos valores son los valores de fabricación según la fig. 1.3. Para la prueba de aislamiento es necesario cortocircuitar los 5 cables de la excitatriz, los tres conductores por el lado de la armadura del excitador y los dos cables F- y F+ que se conectan al plato rectificador, después se realiza la prueba en el campo principal, en el campo de la excitatriz y el estator, el fabricante nos dice que estas tres partes deben de tener una resistencia estable en por lo menos tres horas. La resistencia del rotor no debe de ser menor que un mega ohm. El plato rectificador tiene componentes de estado sólido, por lo cual se debe de tener mucho cuidado al manejarlo.

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1.3 Diagrama de bloques del equipo 4043

Fig. 1.5 Diagrama de bloques, tomada del Fabricante IPS

En el diagrama de la fig. 1.5 podemos observar en la parte de arriba los tres generadores, su excitatriz y la unión mecánica que tienen con la máquina diesel. En la parte de en medio del diagrama el Bus de 600 V de C.A. mismo que alimenta a dos transformadores T1 y T2, aunque en la realidad estos dos transformadores son de 600/ 480 VC.A en el diagrama por cuestiones de espacio y de simplicidad uno es para alumbrado y el otro para alimentar a los motores de inducción. En la parte de abajo y a la derecha se encuentran los convertidores de potencia, que aunque no hablaré de ellos, son los que alimentan a los motores de C.D. en este diagrama por cuestiones de espacio el fabricante solo pone 3 convertidores de potencia y tres motores de C.D. así como también la consola del perforador.

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CAPÍTULO 2

Falla en generador: Oscilación y presencia de olor característico

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2.0 Descripción de la falla Cuando el perforador se encuentra a una profundidad entre los 1500 a 2000 metros, tiene la necesidad de pedir al departamento de mantenimiento otro generador en línea, el cual llamaremos Generador B. Entonces se procede a poner en marcha la máquina diesel, una vez que alcanza la velocidad de 900 RPM, el Generador B e sincroniza con el Generador A y se mete a línea, quedando los dos en paralelo. Es común realizar este tipo de acciones en un equipo de perforación, también por experiencia se tiene la precaución de observar unos 10 minutos constantes el comportamiento tanto en la parte de la máquina de combustión interna como en el generador, incluyendo los aparatos de medición, ya que pueden presentarse algunos problemas. Cuando un generador empieza a “oscilar”, es decir, cuando empieza a tener variaciones en la carga en KW (también podemos tener variaciones en KVA), podemos tener un problema ya sea con los sensores SRS y TRS, o con alguna tarjeta en el cuarto de control. Cualquier persona que esté familiarizada con el sonido de este tipo de máquinas puede notar como una máquina que se encuentra en paralelo se acelera a distinto tiempo. Cuando sucede esto el sistema IPS cuenta con un límite de potencia en KW, cuando este se alcanza, la máquina diesel se detiene automáticamente por Power Reverse (potencia Inversa) lo que indica que el generador ya alcanzo su diferencia de KW menor y se empieza a volver una “carga” para el otro generador en línea. En el equipo 4043 se tuvo un problema similar unos minutos después de meter a línea un generador, ya que este empezó a oscilar de manera continua y al mismo tiempo se presentó un olor a barniz quemado en la parte del generador. Para entender mejor el sistema de generación explicaré brevemente las partes principales, aunque estos no son todos los aparatos o equipos involucrados en la generación de electricidad, son la base para su funcionamiento. 2.1 Descripción del generador AB-21 de Baylor En un generador síncrono se aplica una corriente de c.d. al devanado del rotor, la cual produce un campo magnético giratorio dentro de la máquina, este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator. Por lo cual primero presento un diagrama sencillo de un generador AB-21 de la marca Baylor.

Fig. 2.1 Diagrama del generador Baylor AB-21

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Este tipo de alternador es un generador dentro de otro generador, ya que para lograr excitar al devanado del campo principal con corriente continua, primero se excita a la excitatriz con corriente directa. 1.- El estator de la excitatriz es alimentada por un modulo llamado PWM (Power Wide Module). Que varia el voltaje dependiendo de la carga que se tenga en el sistema, este voltaje va de 0 a 75 Volts de C.D. Y este voltaje sale del PWM a través de las terminales F+ y F-, llegando a las conexiones con el mismo nombre de terminales, esto sucede cuando la máquina alcanza las 900 RPM. 2.- Cuando la máquina ya se encuentra girando a 900 RPM, también lo hace el rotor de la excitatriz y todo el ensamble del puente rectificador junto con el campo principal (8 polos del generador). Es aquí cuando se cortan las líneas de fuerza del campo fijo del estator de la excitatriz y se induce voltaje en el rotor de la excitatriz. 2.1 Aquí actúa el puente rectificador alimentado por el voltaje alterno proveniente del rotor de la excitatriz, dicho voltaje por medio de dos cables alimenta al campo principal del generador, los llamados 8 Polos del generador. 3. Nuevamente en esta parte se tiene un campo magnético giratorio debido a la acción de la máquina de combustión interna, el estator representado aquí por una delta, corta las líneas de fuerza y se induce un voltaje el cual es de aproximadamente de 600 V de CA.

2.2 Partes de un generador 2.2.1 Armadura estacionaria En este generador el estator está construido de segmentos de acero laminado. El núcleo del estator, esta soldado fuertemente al chasis del generador, esto con el fin de mantenerlo rígido y evitar su movimiento. Está conectado en Delta, y su alambrado es de cobre. “El alambrado está lo suficientemente apretado y también durante el proceso de fabricación se mete a un horno para dar una gran fuerza dieléctrica” (Manual IPS, 2000). También el fabricante coloca unas 6 resistencias de 10 ohms en todo el estator con el fin de mantenerlo a una temperatura adecuada cuando no está en uso.

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Estator

Fig. 2.2 Estator de un Generador Ab-21

El estator de la figura 2.2 según el fabricante Baylor el generador tiene devanados de doble capa, por lo cual requiere menos número de ranuras y las conexiones son más sencillas, es de paso fraccionado como casi todos los estatores de máquinas reales.

Estator Fig.2.3 Generador en un mantenimiento

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2.2.2 Campo giratorio o rotor de generador AB-21

Fig. 2.3 Generador de 8 polos tomado del manual de fabricante Baylor, 210-AB21-6-5023

Como podemos ver en esta figura se observan los 8 polos del generador, las aspas que ayudan a la ventilación del generador, los soportes de cada bobina, los puentes entre cada polo del generador, estos polos están sujetos a la flecha e inclusive a un exceso de velocidad no se mueven de sus soportes.

Fig.2.4 Generador durante un mantenimiento

En la figura 2.4 podemos observar como el barniz está perfectamente encima de cada bobina para que su resistencia de aislamiento siempre sea alta. También se observa cómo está Memoria Técnica

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impregnado de carbón el rotor debido a los gases originados por la máquina de combustión interna, es muy importante mantenerlos limpios ya que podría producirse una explosión por las temperaturas, los gases y la grasa que succiona por el ventilador del generador. El rotor del generador es en esencia un electroimán grande, los polos pueden ser salientes o no salientes, en nuestro caso es de polos salientes lo que significa proyectado hacia afuera de la superficie del rotor. Debido a que el rotor está sujeto a campos magnéticos variables, éste se construye con láminas delgadas para reducir las pérdidas por corrientes parásitas. Puesto que el rotor está girando se requiere de un arreglo especial para que la potencia de corriente directa llegue a los devanados de campo. Este generador también tiene una excitatriz, dentro del mismo generador que esta acoplada y es el que manda el voltaje al campo principal de la máquina a través de tres cables. Siempre es mejor utilizar un barniz que seque con el aire, ya que por las características del lugar es muy difícil disponer de un horno. Debemos de utilizar un barniz como lo recomienda el fabricante Barnices Eléctricos (2007) que sea resistente al calor, aceites, agua salada y aplicable con brocha. 2.2.3 Ensamble de excitación “Existen dos formas comunes de suministrar la potencia de corriente directa requerida en el campo principal del generador.” (Chapman, 2005, p. 268). A) Aplicar al rotor la potencia de corriente directa desde una fuente externa de c.d. por medio de unos anillos rozantes. B) Aplicar al rotor la potencia requerida de corriente directa especial montada directamente en el eje del generador síncrono Un excitador sin escobillas es un generador de c.a. pequeño con un circuito de campo y armadura montado en el eje del rotor lo que el fabricante llama como ensamble de excitación. 1.- Campo de excitación 2.- Armadura de excitación 3.- Rectificador rotacional o comúnmente llamado plato rectificador.

2.2.3.1 El campo de excitación Baylor, 210-AB21-6-5023 nos dice que el campo de excitación consiste en 12 bobinas conectadas en serie dentro de un ensamble de acero laminado. Este ensamble está montado al final del generador en la parte detrás del balero del generador. Este campo de excitación está conectado al regulador de voltaje que para el caso de los sistemas IPS está conectado al PWM (Power Wide Module) a través de las terminales F+ y F-. Cabe recordar que esta parte de la excitatriz está fija y produce un campo magnético fijo. Fig. 2.5 Campo de excitación de la excitatriz, tomado de Baylor 210-AB21-6-5023

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2.2.3.2 La armadura de excitación Según Baylor, 210-AB21-6-502 la armadura de excitación está construida por grupos de bobinas convencionales montadas en acero laminado y prensado sujeto en la flecha del generador. Las bobinas están conectadas en estrella, tres fases, tres hilos. El voltaje de salida de la armadura se manda al plato rectificador.

Fig. 2.6 Armadura de excitación

2.2.3.3. Plato rectificador Para Baylor, 210-AB21-6-502 este plato está instalado en una tarjeta circular con un circuito impreso en la misma. Este plato consta de dos piezas las cuales se montan encima de la flecha del generador. Este componente no se recomienda desconectarlo, como mencione cuando se requiere hacer una medición a los diferentes devanados se cortocircuitan los 5 cables de alimentación de este plato rectificador. También es recomendable mantenerlo libre de cualquier sustancia ya sea hollín, aceite o diesel.

Fig. 2.7 Plato rectificador

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Fig. 2.8 Plato rectificador tomada del manual del fabricante Baylor, 210-AB21-6-502

En la figura 2.8 nos podemos dar cuenta del arreglo que se tiene dentro del circuito impreso del plato rectificador, según Baylor, 210-AB21-6-502 tenemos los seis diodos que forman el puente rectificador de onda completa, así también como el arreglo de resistencias y varistores que hacen la función de un circuito de supresión de picos. También podemos observar la salida al Campo Principal del generador por F+ y F-. Estos varistores sirven para proteger al puente rectificador de onda completa cuando se presentan fallas en el sistema de distribución que “regresa” un alto voltaje a la salida del generador, entra por el estator del generador y por la alta inductancia sigue hasta el llamado plato rectificador. Estos varistores se pueden probar con un multímetro y la lectura será en el orden de los 100 mega ohmios medidos en cualquier dirección. Siempre que se vaya a trabajar en el área del plato rectificador se recomienda tener la plena certeza que en el cubículo del cuarto de control se encuentra bloqueado y desenergizado el generador intervenido, tanto por seguridad del personal como también para protección del plato rectificador ya que fácilmente podemos ocasionar un cortocircuito con consecuencias fatales.

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Plato rectificador

Flecha de Acoplamiento

Campo de Excitación Armadura de Excitación

Diodo Rectificador

Fig. 2.9 Vista del ensamble de la Excitatriz

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2.3 Solución del problema

Después de percibir el olor a barniz se optó por sacar de línea al generador y al destapar el generador por la parte frontal se encontró un cortocircuito como lo muestra la figura 2.10

Cortocircuito ocasionado por un tornillo

Fig. 2.10 Cortocircuito con un tornillo y un cable de alimentación

En la figura 2.10 se puede observar como el tornillo de sujeción del plato rectificador hace contacto con el alambrado de la excitatriz. Tiene que notarse que no actuó ningún dispositivo de paro, de sobrecorriente o de potencia inversa, debido a que el cortocircuito fue adentro de la excitatriz, quizá si se hubiera dejado más tiempo en línea se hubiera protegido el generador por potencia inversa o se hubieran abierto los fusibles C1 del transformador de alimentación de la PWM. También pudo haber explotado el generador por la parte frontal, donde se encuentra la excitatriz. Debido a que resulta muy costoso cambiar toda la excitatriz así como el tiempo que llevaría cambiar todo el ensamble de la excitatriz se opto por soldarla o rellenarla con soldadura de plata, debido a que la corriente produce una temperatura que pudiera derretir al estaño, también fue necesario cambiar el plato rectificador, el cual se encontraron los diodos en buen estado pero el circuito de supresión de picos se encontró dañado. El fabricante recomienda que después de un cortocircuito en la excitatriz cambiar por completo el plato rectificador.

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Plato rectificador nuevo.

Fig. 2.11 Plato rectificador nuevo

En la figura 2.11 podemos observar el nuevo plato rectificador así como la excitatriz después de una limpieza con solvente dieléctrico.

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CAPÍTULO 3

Falla en generador: Oscilación y se sale de línea después de 20 minutos

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3.0 Descripción de la falla Muchas veces, después de que un alternador empieza a entregar potencia a la red eléctrica, se sale de línea por Potencia Inversa. Esto puede suceder con un solo generador, con dos o más generadores en línea. Para entender esto tendré que explicar algunos aparatos que intervienen tanto en el control de la generación como en la medición del sistema.

3.1 Descripción de aparatos Es necesario conocer los sistemas de regulación de voltaje y de velocidad, así como los módulos que intervienen durante la generación. En la figura 3.1 se observa el módulo de generación, de izquierda a derecha, el módulo de medición, el regulador de voltaje, el gobernador de la máquina, el módulo de la batería de 12 Vc.d., y el de cierre y disparo del interruptor principal del generador hacia el bus de 600 VCA. Fig. 3.1 Rack de tarjetas en el modulo del generador

En la figura 3.2 se observa el panel de control completo de un generador, en la parte de arriba se observan cuatro aparatos de medición. De izquierda a derecha; Amperímetro del bus principal, Kilovarmetro del generador, Kilowátmetro del generador. Abajo y en medio el voltímetro principal del bus. Las otras tres pantallas digitales de izquierda a derecha; Voltaje del Pick-up magnético del generador, Miliamperímetro del actuador del generado. Abajo y a la derecha; voltímetro del actuador. En este equipo el voltaje en el pick up puede variar de 8 a 10 Vcd. El voltaje en el actuador cuando la máquina se encuentra en holgar (idle) será aproximadamente mayor de 2 V.cd. este voltaje es importante ya que si no se tiene en arranque nos indica que tenemos un problema de calibración de dicho sensor. Fig 3.2 Módulo del generador #1

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3.1.1. Tarjeta del regulador de voltaje Esta tarjeta se encuentra en el tablero principal del generador. Como se puede notar, cuenta con un potenciómetro de ajuste fino en la parte delantera. En la práctica no es muy recomendable mover la perilla, ya que la mayoría de los problemas se tienen por baja frecuencia o por ajuste de la velocidad del generador. El fabricante IPS, 2000 nos dice que esta tarjeta manda una señal al módulo PWM (Potencia Modulada por sus siglas en inglés) en específico al arreglo de transistores para incrementar o decrecer el voltaje de CD pulsante de salida de c.d. a la excitatriz. Fig. 3.3 Tarjeta reguladora de voltaje

3.1.2. Diagrama de el PWM (Power Wide Module) Como explique la excitatriz requiere de una fuente de corriente directa externa, esta fuente es proporcionada por un regulador de voltaje. ¿Por qué necesita de un regulador y no de una batería? El sistema lo necesita debido a que la carga es variable, en la placa del generador vemos que el generador necesita hasta 71 Vc.d. EL regulador de voltaje es mejor conocido como PWM (Módulo de Potencia Modulada) que es el encargado de alimentar a la excitatriz con voltaje de CD pulsante. Se alimenta el regulador del mismo bus de generación de 600 VCA a través de un transformador trifásico en delta-abierto figura 3.4. Este a su vez alimenta al puente rectificador de onda completa, el cual con la ayuda de un transistor que hace el switcheo según la señal que le manda el modulo del regulador del rack de la tarjeta. Fig 3.4 Diagrama del PWM tomada del manual IPS 2000.

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Como vemos en el diagrama de la figura 3.4, la primer gráfica a un 75% en el tiempo de encendido nos dará la PWM una salida del 75% del valor de la entrada del puente, el transformador en delta tiene una relación tal que el valor máximo a la salida del PWM es de 71 V.c.d, este valor también coincide con el valor de placa de la excitatriz del generador mostrada en la figura 3.5.

Fig 3.5 Requisitos de excitación de la excitatriz del generador AB-21, 210-AB21-6-5023

Chapman, (2005) nos dice que el diodo volante es el diodo ubicado a la salida del puente trifásico, también se le llama de marcha libre, es ubicado a través de una carga y orientado de tal manera que no conduce corriente durante el flujo de corriente nominal, cuando se apagan los transistores se acumula la carga en el diodo con la polaridad requerida para mantener el flujo de corriente y la bobina se descargara a través del diodo volante.

Fig. 3.6 Diagrama del PWM y rack del generador

Este diagrama nos ayuda a entender el funcionamiento del modulo de potencia. 1.- Del lado izquierdo tenemos el bus de generación de 600 VCA, mismo que alimenta al transformador en delta abierta. 2.- El voltaje de salida de este transformador alimenta a la PWM a través de P1, P2, P3 que es la entrada al puente trifásico de onda completa del mismo PWM.

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3.- Los puntos S1 y C son señales que vienen del rack de control de la tarjeta de regulador de voltaje. 4.- La salida es por F- y F+, que alimenta al campo de la excitatriz. 5.- En la alimentación del transformador hay unos contactos normalmente abiertos con el nombre de C1, estos son cerrados cuando la máquina llega a las 900 RPM, lo que quiere decir que este aparato no entregara voltaje hasta que se llegue a las 900 RPM, es importante recordarlo ya que el voltaje generado en la velocidad de holgar es mínimo. 6.- Los puntos 18 y 19 están localizados en el rack de la tarjeta madre, y estos puntos se usan para mantener información cuando dos o más generadores están en línea. 3.1.3 Regulación de la velocidad de la máquina (Governador) No solo el voltaje se regula, también la velocidad deberá de mantenerse constante a cargas variables. La frecuencia se asocia con la velocidad del generador, por lo tanto, ésta debe de ser constante de 900 RPM, para que la frecuencia en todo el sistema sea de 60 Hz. De la fórmula:

RPM= 900 Rev/min Donde: RPM= Revoluciones por minuto f = Frecuencia Np= Número de Polos Es aquí en donde necesitamos un regulador de velocidad, que se asocia con la entrega de combustible a los inyectores de la máquina, dependiendo de la carga del generador. “El módulo de la figura 3.6 tiene tres señales de entrada.” (IPS, 2000): 1.- “La señal de velocidad de la máquina; esta proviene de un sensor magnético llamado Pick Up, figura 3.5, que se coloca en la rueda dentada de la maquina, por cada diente emite un pulso. Este voltaje llega hasta 10 Vca, aunque el voltaje no es lo que importa, sino las pulsaciones que manda este sensor. Las pulsaciones se convierten en una señal de CD dentro del Governador.” (IPS, 2000)

Fig 3.5 Foto Pick-Up magnético y rueda dentada.

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Fig. 3.6 Módulo governador

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2.- Señal de 0-5 VCD proveniente del módulo de medición que se explicara en la sección 3.1.4 3.- IPS, 2000 señala que… la tercera señal que utiliza el sistema IPS 2000 como entrada al modulo governador es la potencia total en KW, cuando están dos o más generadores en paralelo. Esto se conoce como reparto de cargas en KW, cada generador manda una señal a través del mismo regulador de velocidad, para que la carga se divida entre las máquinas. Este valor ya viene registrado y por ningún motivo se tendrá que calibrar.

3.1.4 Módulo de medición En la figura 3.7 se muestra el módulo de medición, en la parte izquierda se encuentran las luces indicadoras, este módulo es parte de las señales que necesita el regulador de la velocidad: CB OPEN: Interruptor Abierto

CB CLOSED: Interruptor Cerrado

GEN RUN: Generador a 900 RPM

PWR LIMIT: Limite de potencia

OV: Sobre voltaje

UV: Bajo voltaje

OF: Sobre frecuencia

UF: Baja frecuencia

REV SEQ: Secuencia inversa

REV PWR: Potencia Inversa

Fig 3.7 Modulo de medición

En la figura 3.7 se encuentran dos selectores:  El de la parte superior es para el voltaje de cada una de las tres fases  El inferior para el amperímetro de cada fase. Es importante observar que en el caso de que el generador opere normalmente estarán encendidas dos luces:  El led (diodo emisor de luz) de color rojo que indica que el interruptor principal del generador está cerrado  El led de color ambar que indica que el generador esta a la velocidad de Run (900 R.P.M). Cuando existe algún paro, antes de restablecer, debemos de observar qué alarma está disparada. Normalmente el generador se protege por potencia inversa, que se activa cuando los generadores son insuficientes para la carga o cuando un generador está absorbiendo toda la carga. Es necesario saber que los KVAR´s se ajustan a través del voltaje de la excitación y la repartición de la carga en KW es independiente a la fuente de excitación.

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3.1.4.1 Interfaz de medición

Fig. 3.6 Diagrama de la interfaz de medición (Corriente), tomada del fabricante IPS 2000.

En la figura 3.6 existen dos TC (Transformadores de corriente) de 1600/5 colocados en el bus A y bus C, estos dos físicamente se encuentran en los gabinetes de control, y estos se deben de colocar de tal forma que se dirijan hacia el generador. Esta señal alimentan a dos transformadores, y de acuerdo al sistema se elige la derivación, esto quiere decir que por cada 5 amperes la derivación del cable color negro la salida por TB2 (1) y TB2 (2) será de 5 volts de CA, en cambio el cable color naranja nos dará 2.5 Volts de salida, estas señales entran a la tarjeta madre del modulo del generador.

Fig. 3.7 Continuación de diagrama de interfaz de medición (Voltaje), tomada del fabricante IPS 2000

En este parte del sistema de la figura 3.7 se toman en cuenta las tres fases que alimentan a un par de transformadores PT1 y PT2 y existe la opción de conectarlos al bus de 480 VCA. Cabe mencionar que los sistemas de 480 y 600 VCA siempre son a 60 Hz. Estas salidas de 5 Volts de c.a. se conectan a la TB2 de la tarjeta madre.

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Fig. 3.8 Continuación de diagrama de interfase

Estos dos últimos transformadores de la figura 3.8 son del tipo potencial. 



El transformador PT3 de la figura 3.8 se alimenta de 600 Volts, el lado secundario es de 120 Volts, con lo cual alimenta el cubículo de sincronización, para poner dos o más generadores en paralelo. Esta señal lo compara con el bus principal, también vemos que aquí cuenta con un contacto C1 que cierra cuando se llega a las 900 RPM. El transformador CPT1, es el que suministra el voltaje a la bobina de disparo UV (under voltage) es de mayor potencia 150 VA, ya que impide cerrar el interruptor cuando el voltaje esta bajo o lo dispara mediante un mecanismo si este voltaje también baja.

Estos cuatro arreglos de transformadores, son los que mandan las señales de corriente y de voltaje a la tarjeta madre. La tarjeta de medición (Metering Circuit) la cual entra en la tarjeta madre y es la que manda la señal de KW de 0-5 VCD en donde cada volt representa una cantidad de KW para la máquina, así que cualquier cambio en la carga del sistema lo detecta inmediatamente. En el caso que los KW no fueran detectados correctamente, el pick up magnético detecta una baja de revoluciones y manda una señal al sistema de inyección de la máquina o a la computadora de la máquina de combustión interna.

3.2 Solución de falla Muchas veces se cometen errores en la detección de las fallas o de los diferentes problemas que se pueden tener cuando un generador sale de línea. Uno de los principales errores es el de no observar la alarma activada. También debemos de tener dos conceptos claros, el voltaje proporcionado a la excitatriz solo influye en los KVAR´s de la máquina y no en el reparto de cargas en KW´s. No se recomienda calibrar en la tarjeta el reparto en KW. A continuación planteo una forma para verificar el funcionamiento de un generador cuando se sale de línea.

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1.- Si se sale de línea un generador puede ser por: A) Exceso de carga, que se puede dar por mala operación del perforador. Normalmente al estar sacando tubería, se incrementa la velocidad rápidamente por lo que los inyectores tratarán de dar más combustible para mantener el torque, a su vez el PWM tenderá a incrementar el voltaje rápidamente, es aquí en donde el perforador exagera y rebasa esta velocidad de respuesta de los aparatos. También puede dañar a los motores de corriente directa, que se notara en un desgaste mayor de los carbones. B) Un generador puede estar absorbiendo toda la carga. Esto se puede deber a un desajuste no en el reparto de KW, sino en los sensores de la computadora de la máquina. Cabe indicar que la máquina diesel tiene su propia computadora y esta recibe información de sus sensores para mantener la velocidad del motor. Más adelante se indicará la función de los sensores TRS y SRS. Entonces el generador que absorbe la carga saldrá de línea por que llegará a su límite tasado de potencia PWR LIMITE. C) Es muy raro tener un paro por sobre voltaje o bajo voltaje, en cualquier de los dos casos se puede deber a un fallo en la PWM, lo mejor sería cambiar de PWM, quizá un diodo del puente se averió. Es muy raro que sea la excitatriz, puesto que cuando se tiene un problema con la excitatriz lo normal sería no tener voltaje. D) Los paros por baja y alta frecuencia también son muy escasos. En este caso es mejor cambiar la tarjeta del governador y calibrar los sensores TRS y SRS de la máquina diesel. E) Un problema real que se tuvo fue: se hizo un cambio en los aparatos de medición, específicamente en un Kilowatimetro. Éste no era de las mismas características que el anterior, así que cuando se arrancaba la máquina, el generador operaba normalmente sin variación de carga. No fue sino hasta que las cargas empezaron a variar que se salió de línea, debido a que el sistema de medición utiliza los medidores como parte de su circuito para mandar información de reparto de cargas en KW a través del modulo del governador. Por eso se recomienda que aunque las agujas de los medidores estén rotas, estos no se reemplacen hasta tener uno de las mismas características. F) Sólo cuando el reparto de cargas en KVAR´s esta desproporcionado, se deberá ajustar a través del voltaje de la excitatriz del generador que lo necesite siempre y cuando se mantenga un voltaje entre 600 y 605 V c.a. Ya que el voltaje en la excitatriz afecta directamente al reparto de cargas en KVAR`s G) Siempre que se haga un ajuste se deberá de hacer con cargas estables para evitar un Black-out (apagón en la instalación) o un accidente.

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CAPÍTULO 4

Falla en el conjunto generador-máquina diesel: Vibración en conjuntos de potencia y presencia de humo blanco en el escape

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4.0 Descripción del problema Se percibe de una forma evidente la vibración en los conjuntos de potencia de la máquina y se observa en la salida del escape de la máquina No.3 humo blanco, después de una reparación a los conjuntos de potencia. 4.1 Sensores de la máquina EMD 710 Como ya había mencionado la máquina diesel es de la marca EMD modelo 710 y 2000 HP de potencia y turbocargada. Desde el punto de vista de control de la máquina cuenta con varios sensores y sistemas los cuales enumerare: 1.-Sensor de referencia síncrono o SRS 2.-Sensor de referencia de la distribución o TRS 3.- Sensor de presión de la cámara del aire (turbo) 4.-Sensor de temperatura del aire 5.- Sensor de temperatura de combustible 6.- Sensor de presión de combustible Sensores de protección: 1.-Sensor de presión del aceite (turbo) 2.- Sensor de temperatura del aceite.. 3.- Sensor de presión de refrigerante. 4.- Detector y Sensor de presión de aceite del carter.

Electro-Motive (2005) nos dice que el sistema EMDEC consiste en: 1.- Computadora EM2000: Aplicación para locomotoras. 2.- Módulos ECM: En el caso de los equipos de perforación la mayoría de las máquinas diesel EMD 710 son de 8 Cilindros y se requiere solo un ECM por cada 8 cilindros. Este módulo se encarga de controlar los inyectores de diesel en función de las señales de entrada (sensores). 3.- Para el caso exclusivo de esta aplicación usando el sistema de control de la marca IPS se sustituye la computadora EM2000 por los módulos de velocidad Woodward y el módulo de control de voltaje del generador, ya que la computadora EM2000 se encarga también de mantener el voltaje en el generador. 4.- Tablero de Alarmas de EMD, marca Stewart Stevenson. Este tablero es el encargado de avisar cuando un sensor esta activado, a través del panel anunciador. Consta de:  Un selector para arrancar la máquina local o desde el cuarto de control.  Un PLC que recibe la información de los Switch´s, también abre y cierra la válvula de aire para la “marcha” de la máquina.  Botón de paro de emergencia.

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Sensores de funcionamiento, sensores de protección y switch´s.

Retroalimentación Pick Up

Woodward: Tarjeta de velocidad

Relevadores en Tablero de la Maquina

24 VDC

PLC

SRS TRS

ECM

Retroalimentación Presión Diesel Tempe. Diesel Presión de Aire

Tempera. De Aire

Presión de aceite alta

Presión de Lub.

Inyectores del 1 al 8

Tempera. De Lub. Presión de Refri.

Presión de Carter Sensores de funcionamiento

Presión de aceite alta

Baja presión de aceite

Bajo nivel de aceite en el carter Sensores Tipo Switch

Sensores de Protección Fig. 4.1 Dispositivos y sensores de la máquina EMD 710

En la Fig. 4.1 podemos apreciar el funcionamiento de la máquina Diesel, aunque este diagrama está reducido nos sirve para entender el funcionamiento de la máquina diesel y sobretodo de los sensores que intervienen. Todos los sensores de funcionamiento y de protección Memoria Técnica

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envían señales al EMC a excepción de los switch´s que van directos al PLC del tablero de la máquina. A medida que aumenta la carga en el generador, el pick up sensa la velocidad del generador la cual es enviada al módulo de velocidad Woodward, misma que manda una señal al ECM de la máquina y este módulo manda a abrir o a cerrar los inyectores de la máquina a través del arnés de la máquina. 4.1.1 Sensores TRS y SRS Electro-Motive (2005) dice que existen otros dos sensores, estos sensores están ubicados en la parte delantera del motor diesel. Como se ve en la figura 4.2:

Calibración de 150 milésimas de pulgada

Tornillo de ajuste

Fig. 4.2 Sensores TRS y SRS, tomada del manual Electro-Motive, 2005, p. 201

Soporte de sensores

Rueda dentada

Sensores TRS y SRS

Fig. 4.3 Vista real de sensores SRS y TRS

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En la figura 4.3 se pueden ver los dos sensores al igual que el tornillo calibrador. Este tornillo calibrador también funciona para proteger a los sensores de un posible daño o desgaste con el mismo metal del volante. Para la calibración solo se mide las 150 milésimas de pulgada de espacio entre la protuberancia y el sensor SRS. Se tiene que tener cuidado al hacer la calibración debido a que la bisagra que sujeta a los sensores se puede mover afectando nuestra calibración. El manual Electro-Motive (2005) dice que el arreglo consta de tres placas las cuales cada uno de ellas tiene doce rayos, en total son tres placas de este tipo y también una pequeña protuberancia al final de la tercera placa de doce rayos que se le llama PIP y es el mecanismo que sensa el SRS o sensor de referencia síncrono lo que le indica al ECM que el cilindro numero uno se encuentra a cuatro grados antes del punto muerto superior. Si estas placas se encuentran golpeadas la información que proporcione a la computadora será errónea y su eficiencia disminuirá. Por otro lado el sensor TRS lee los radios metálicos de las placas de distribución. Ya que hay un total de 36 rayos, cada pulso del TRS indica que el cigüeñal se ha movido 10 grados.

Placa de 12 rayos

Placa de 12 rayos

Placa de 12 rayos

Sensores TRS y SRS

Fig. 4.4 Vista de los sensores por la parte frontal, tomada del manual del fabricante, Electro-Motive, 2005 p.53

En la figura 4.4 podemos observar la disposición de las tres placas y la placa de sujeción de los sensores TRS y SRS. Estas placas siempre deben de estar limpias, para evitar un error en la señal, así como también estas placas deben de revisarse periódicamente para ver si no se han deformado.

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4.2 Tipos de humo En el cuadro se describe de acuerdo al proveedor una guía de resolución de problemas, de acuerdo al tipo de humo emanado del escape. Problema

Causa del problema

Humo negro o gris en el colector del escape

a) Filtro del aire sucio. b) Conjunto motor-generador sobrecargado c) Inyectores de combustible defectuosos

Solución Probable a) Mantenimiento al filtro de aire b) Reducir la carga al nivel adecuado c) Remítase al manual del fabricante.

Humo azul en el colector del escape

Control del aceite lubricante defectuoso

Remítase al manual del fabricante

Humo blanco en el escape

Falla en los cilindros

Remítase al manual del fabricante.

Fig. 4.5 Electro-Motive, 2005

La información de la figura 4.5 nos indica una falla en los cilindros, aunque no específica de que tipo. 4.3 Solución del problema El primer paso es cambiar los filtros de aire que se encuentran en la parte frontal de la máquina. Así como los filtros primario y secundario de Diesel. Después se procede a usar el scanner en la máquina de la siguiente manera: En el tablero de alarmas la máquina diesel se encuentra un lector de p.c. misma que debe de conectarse a la caja de interfase y de ahí a la laptop cargada con el software adecuado. Quedando de esta forma:

Caja de Interfase Cable de 9 pines Tablero de la Máquina

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Tablero de alarmas de la máquina EMD PLC del tablero de alarmas

Caja de interfase

Fig. 4.6 Tablero de la máquina EMD

En la figura 4.6 podemos observar en la parte de abajo el cable para conectar la caja de interfase. Después de hacer todas las conexiones se percibieron en la computadora los siguientes errores y se verifican en el manual de fabricante: PID SID

FMI

Descripción

Causa más probable

21

Los datos son válidos pero superiores/inferiores al límite normal

Sensor de la posición del motor (SRS)

 Revise el huelgo igual a 0.150”  Revise los daños físicos de los sensores SRS/TRS  Revise el cable preformado entre los ECM´s y sensores  Conexión a tierra de ECM

Fig. 4.7 Tomada del fabricante Electro-Motive, 2005, p.305

Además también se opto por revisar las clavijas de los sensores y checar la lectura óhmica de los sensores desde la caja de sensores, dando un valor de 127 ohms que está dentro de los Memoria Técnica

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parámetros, que en el campo son normales, de 124 a 128 ohms, esta resistencia varía por la temperatura y por el alambre del mismo. Se pensó en cambiar el módulo de los ECM, pero sería la última opción por el riesgo de dañar la computadora. Esta falla se tuvo por más de una semana en el equipo 4043, así que después de hablar con el personal de la compañía México-Diesel quienes realizaron dicha reparación de los conjuntos de potencia, se optó por quitar el sensor SRS y cambiarlo de polaridad, aunque esta medida no aparece en el manual se comprobó que estos sensores si tienen polaridad, los inyectores, switch´s y otros sensores de este mismo equipo no tiene polaridad pero estos sensores TRS y SRS si la poseen. Así que después de cambiar la polaridad de este sensor, la máquina diesel opero satisfactoriamente.

Cambio de polaridad Plug-in (enchufe) del sensor SRS

Fig 4.8 Aspecto real del plug-in del sensor SRS

Es necesario mantener limpios los sensores de aceite, carbón y libres de humedad ya que afectan al comportamiento de la máquina, así que periódicamente tienen que limpiarse, como se muestra en la figura 4.8. Estos plug-ins y sensores son los mismos utilizados en camiones tipo tráiler, ya que a veces son difíciles de conseguirlos.

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CAPÍTULO 5

Instalación de un regulador Basler en la planta auxiliar

5.1 Regulador de voltaje y tipo de planta

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El regulador de voltaje usado en la planta auxiliar tiene la misma función que la PWM, la de mantener el voltaje constante en el generador a través de su excitatriz, el regulador que usa esta planta auxiliar esta sellado y sus componentes no quedan a la vista. En el equipo 4043 se cuenta con un generador dispuesto como planta auxiliar de c.a con la siguiente placa de datos. Modelo Marca KVA KW Factor de Potencia

3406 Caterpillar 500 KVA 400 KW 0.8 Fig. 5.1 Placa de datos de la planta auxiliar

También el fabricante nos muestra el tipo de conexión del generador. T1, T2 y T3

T5-T8 T5-T8 T5-T8

Fig. 5.2 Vista de las terminales de la planta auxiliar

Fig. 5.3 Vista de las terminales de la planta

Conexión para alto voltaje: Terminales de salida Empalme en Estrella

T1, T2 y T3 T5-T8 T6-T9 y T10-T11-T12

T4-T7

Es importante observar que la salida del generador por T1, T2 y T3, se conectan al regulador de voltaje por medio de un cable de calibre #12 por cada fase.

5.2 Problemas por vibración

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Un problema con este tipo de equipos es la vibración que existe en las máquinas de combustión interna. En la mayoria de las plantas generadoras que se usan como plantas auxiliares, el regulador de voltaje se encuentra instalado en la parte posterior del tablero de dicha máquina. Así que tuvimos varios problemas con el voltaje de salida, debido a la vibración de la máquina. Cuando se usaba la máquina por periodos de 10 minutos se observaba como variaba el voltaje de 480 Vc.a. a 420 Vc.a. sin motivo alguno. En la figura 5.4 se muestra el regulador de voltaje, este regulador contiene una resina de protección lo que hace imposible su reparación.

Fig. 5.4 Regulador de voltaje Basler automatico AVR tomado de la URL http://www.aliexpress.com

La norma para generadores de corriente alterna NRF-238-PEMEX-2009 no especifica ninguna prueba de vibración en la parte de control del generador. La norma para plantas auxiliares NRF-091-PEMEX-2010 dice que el conjunto de baterías, generador y máquina de combustión deben de tener un patín común y un sistema de aislamiento de vibración, pero nunca hace mención del regulador de voltaje Cuando se quitó el regulador Basler AVR encontré que algunas piezas que presentaban un movimiento sobre su base a pesar de tener la resina. El cuarto de máquinas donde se encuentra localizada la planta auxiliar se localiza debajo del patio de tuberías. En el patio de tuberías existe mucho movimiento y golpes contra la placa de acero, estos movimientos y golpes ocasionan vibración en el cuarto de máquinas y por lo general en toda la instalación.

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5.3 Solución del problema Se optó por cambiar el regulador electrónico original por un regulador Basler modelo SR4A y también se cambió de localización para evitar la vibración, instalandolo en el cuarto de control. A continuación describo como se instaló el regulador de la marca Basler. Estos reguladores aunque son antiguos, Petroleos Mexicanos cuanto con varios de ellos y un laboratorio donde se reparan haciendo más fácil su reposición. Aunque Basler sigue fabricando reguladores de voltaje analógicos de las mismas características estos han variado.

Gen. 480 Vca A la excitatriz

25 metros aproximadamente

Transformador 480/120 Volts

Referencia (potenciómetro)

E1

E2

E3

F+

F-

A-

7

6

4

3

2

1

Regulador Bassler R4A

Fig. 5.5 Diagrama correspondiente al modulo instalado

En la figura 5.5 se puede observar el diagrama de conexión del regulador de voltaje Basler. Aunque no se hizo un cálculo de la caída de voltaje por la distancia de 25 metros, se observó su correcto funcionamiento.

5.3.1 Descripción de funcionamiento

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Según el fabricante en la figura 5.6 detalla el principio de funcionamiento del regulador de voltaje SR4:

Fig. 5.6 Tomado del manual de fabricante, Basler Electric, Publication number 9 0177 00 990, p. 2-1

Dentro de los parámetros tenemos que considerar la entrada al reglador que es de 139 V C.A, por eso necesitamos un transformador especial de 1 kva, de 480/139 V.C.A. así también nos indica la resistencia mínima del campo a excitar que es de 9 ohmios.

Fig. 5.7 Características del regulador tomado del manual Basler Electric, Publication number 9 0177 00 990, p. 1-1

En la figura 5.7 se observa que la salida del regulador es por F+ y F- que alimenta a la excitatriz del generador. En la terminal 3 y 4 aunque el diagrama no lo explica se conecta un Transformador de 480/120 volts que es la alimentación del modulo. En E1 y E2 se conecta directamente a la salida del generador, en nuestro caso son las tres fases. Esto sirve para sensar el valor de voltaje de salida y este voltaje se rectifica y se compara con un voltaje que nos da un diodo zener dentro del circuito del fabricante.

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Fig 5.4 Imagen recuperada de URL: http://im-tek.com.tr/lang-en/voltage-regulators//423-basler-electric-sr-static-voltage-regulators.html

Fig 5.5.Foto del Regulador Basler instalado

Este regulador también tiene un potenciómetro. Antes de arrancar la máquina debemos de ver que se encuentra al mínimo para no averiar la excitatriz, cuando instalamos el transformador. Como es un transformador que además de alimentar al regulador manda información debe de tener polaridad. En caso de que no regule el voltaje dicho aparato, se deberán de cambiar el orden de los cables conectados.

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CAPÍTULO 6

Instalación de transformador trifásico de 1500 KVA

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6.1 Descripción del transformador trifásico Es necesario saber que el transformador que se instaló es de la marca Hammond 1500 KVA, de la misma capacidad que el anterior y de la misma capacidad que el otro transformador para operar en paralelo. Este transformador es del tipo Seco y según el fabricante por su tipo de carcaza es NJ.

Fig 6.1 Diagrama unifilar del sistema de 600 V.CA a 480 V.CA

En el diagrama de la figura 6.1 vemos los dos transformadores. El de la izquierda es el transformador 1, este lado normalmente se llama L (left, izquierda en inglés) y el otro lado R. Los dos interruptores pueden ser de 2000 AT (Amper Trip) que es el chip que tiene instalado para un valor máximo de 2500 AF (Amper Frame), en el lado del secundario el interruptor es de mayor capacidad, de 2500 Amp. Zapata para conexión Carcaza

Bobinas Núcleo de fierro

Fig. 6.2 Aspecto de un transformador trifásico tipo seco

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6.2 Requisitos para poner dos o más transformadores en paralelo Según Enríquez Harper, 2002 estos son los requisitos:     

Misma relación de transformación, es decir mismo voltaje en el primario que en el secundario Impedancias inversamente proporcionales a sus capacidades Misma relación de resistencia a reactancia Misma polaridad Se deben de conectar con la misma secuencia de fases.

En el caso de este transformador de 1500 KVA, era de la misma capacidad en KVA, la misma polaridad aunque diferente impedancia. En el caso de sus reactancias y resistencias estas varían, ya que el transformador original su impedancia es de 1.5+3.5j, en el transformador recién instalado su impedancia de 1.0+4.0j. Entonces cuando los dos operan en paralelo, es decir con el interruptor de enlace cerrado el repartimiento de cargas con una carga de 100 KVA f.p .8 (atraso) tenemos que:

Fig. 6.3 Circuito equivalente para la conexión en paralelo de transformadores, Enríquez Harper, Transformadores y motores de inducción.





Las impedancias representadas en el diagrama: ZT1= 1.5 + 3.5j = 3.80 /66.80° ZT2= 1.0 + 4.0j= 4.12 /75.96° Para este diagrama utilizamos la ecuación de la corriente en el transformador 1: IT1 =

ZT2___ ZT1 + ZT2

(1)

La suma de sus impedancias: ZT1 + ZT2= 1.5 + 3.5j + 1.0 + 4.0j = 7.90 /71.56° La corriente en T1 usando la fórmula 1: IT1= 4.12 /75.96° / 7.90 /71.56° = .52 / 4.4°

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

Entonces para una carga de 100 KVA en el sistema. Tenemos que la carga en KW en cada uno de los transformadores es de : IT2= ZT1__ IT2= .48/-4.76° PotT1= I T1 (KVA) ZT1 + ZT2 PotT1= .52 /4.4 (100 /-36.86°) PotT2= IT2 KVA(carga) PotT1 = 52 /-32.46 PotT2= .48/-4.76° (100 /-36.86°) PotT1 = 43.87 KW F.P. = .8437 Pot T2= 48 /-41.62 PotT2= 35.88 KW

Con el cálculo anterior obtenemos los valores de la figura 6.4. En la figura 6.4 nos podemos dar cuenta que el transformador T1 soportará una carga mayor que el transformador T2. CARGA

T1

T2

300 KVA

131.62 KW

107.64 KW

500 KVA

219.37 KW

179.41 KW

700 KVA

307.13 KW

251.18 KW

100 kVA

43.87 KW

35.88 KW

Fig. 6.4 Tabla de la distribución de cargas en los transformadores

Para el cálculo de la corriente en el transformador tenemos que:

CARGA

T1 (Corriente)

T2(Corriente)

Vlinea=Vfase If= Ilinea/ √3 KVA= 3 Vf If Cos@ Ilinea = KVA √3 3Vf

300 KVA

158.31 Amp.

129.47 Amp.

500 KVA

263.8 Amp.

215.79 Amp.

700 KVA

369.41 Amp.

302.12 Amp.

Fig. 6.5 Cálculo de corrientes en el transformador

Fig. 6.6 Tabla de la corriente en los transformadores

Si las cargas son diferentes también lo serán sus corrientes, en la figura 6.6 se observa las diferencias de sus corrientes a diferente carga.

6.3 Cálculo de los interruptores Aunque el fabricante no incluya el cálculo de los interruptores, asumo que siguieron los siguientes cálculos. Como se trata de un transformador trifásico en delta tanto en el primario como en el secundario. Los cálculos a plena carga serían:

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

Con la fórmula: Potencia Trifásica= 3 Vf If f.p Donde: Vf es el voltaje de fase. If es la corriente de fase. f.p. es el factor de potencia.

 Tomando la potencia como 1500 KVA´s y el voltaje de fase igual al voltaje de línea de 600 V c.a. 

Despejando la corriente de fase: If= 1500 KVA = 1042 Amperes 3(600)(0.8) Ilínea= IF (

) = 1042

= 1804 Amperes.

Fig. 6.7 Cálculo del interruptor del primario

Con la corriente de 1804 Amperes de la figura 6.7 podemos concluir que el fabricante colocó una protección de 2000 Amp, puesto que la de 1500 estaría por debajo de la máxima corriente. En el caso del secundario se haría el mismo cálculo solo que ahora se cambiaría el voltaje por el de 480 Volts, dandonos como resultado una corriente de 1302 Amperes por fase, entonces nuestra corriente de linea sería de 2255 Amperes, por lo que se escogen los 2500 Amperes de protección AT.

6.4 Tipo de carcasa NJ Este tipo de carcaza es el NJ, es de fierro, esto con el fin de mantener concentrado el campo magnético. Este tipo de transformadores son enfriados por el aire en el ambiente. Una de los puntos que hacen elegibles a los transformadores tipo seco por encima de los transformadores enfriados por aceite es que en los equipos de perforación estos últimos tienen el riesgo de incediarse cuando se sobrecalienta el aceite que sirve de enfriamiento. Esta clase de transformadores están diseñados para trabajar en ambientes húmedos.

Fig. 6.8 Carcasa del transformador

6.5 ¿Por qué la conexión delta-delta? Memoria Técnica

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En primer lugar porque la mayoría de los motores trifásicos se alimentan a 480 C.A y no necesitamos neutro, además como la tabla lo indica presenta mayor ventaja que otros tipos de conexión. Conexión Y-Y

Y-Δ

Δ-Y

Problemas  Con cargas desbalanceadas los voltajes de las fases también serán desbalanceadas  Los voltajes de las terceras armónicas serán grandes  El secundario del transformador se encuentra defasados 30° con referencia al voltaje del devanado primario.

Ventajas

 No tiene problemas con los componentes de terceras armónica ya que ellas son consumidas en el devanado en delta.  Es más balanceado cuando se tienen cargas desbalanceadas, porque la delta redistribuye cualquier desbalance

 El voltaje secundario atrasa el voltaje primario 30° como sucede en el caso anterior

Δ-Δ

 No presenta ningún desfasaje  No presentan problemas con las armónicas, ni problemas por desbalance en cargas por fase. Fig. 6.9 Tabla de transformadores por Stephen Chapman, 2005

6.6 Torque y puesta en funcionamiento Aunque se cuente con la tabla de torque es muy difícil darle el apriete adecuado con la herramienta correcta, puesto que en este tipo de instalaciones se usan tres cables por fase los cuales ocupan mucha espacio en las barras de conexiones, por lo que normalmente el apriete de la tornillería se hace “manualmente”.

Fig. 6.10 Tabla de torque de las conexiones del transformador Hammond, recuperado en URL: http//www.hammond.com

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La tornillería más usada por el tipo de instalación marina y el ambiente es la de acero inoxidable, aunque son más suaves y por lo tanto hay que tener cuidado en el apriete para no dañar la rosca de los tornillos.

Bus A Bus B

Bus C

Fig. 6.11 Bus de conexiones del transformador, recuperado el 10 de noviembre de 2012 de http://www.hammond.com

En la figura 6.11 se aprecia el espacio que hay entre cada fase si sumamos a esto que hay tres cables por cada fase, resulta muy difícil en la realidad hacer las conexiones en el sitio. También cabe señalar que lo cables llegan por la parte de arriba de la carcasa y estos deben de estar bien sujetos. Un punto importante que nos señalan los diferentes autores, es que los cables en las charolas deben de ir bien sujetados, ya que como son tres cables por fase y no hay neutro, estos tres cables, uno de cada fase deben de ir por grupos y tratar de evitar en un mismo grupo cables de la misma fase, como se indica en la figura 6.12

Fig. 6.11 Cables bien ordenados en las charolas

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Evitar ordenarlos de esta forma:

Fig. 6.12 Cables ordenados mal, cables de la misma fase en un mismo grupo, recuperado en URL http://www.voltimum.es

Esta última forma presenta un desequilibrio en las corrientes también se recomienda que cuando los cables vayan de forma ascendente, estén bien sujetos a las charolas que los llevan.

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CAPÍTULO 7

Falla en el sistema: Olor a barniz quemado dentro del cuarto de control

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7.0 Descripción de la falla Al trabajar diariamente con el mismo sistema, los ruidos, los olores, las temperaturas se pueden distinguir cuando estas varían en el equipo. Principalmente los olores son y deben de ser más perceptibles cuando se trabaja con equipos eléctricos. El olor a barniz quemado nos indica un exceso de corriente en un cable o embobinado. Al estar realizando un mantenimiento a uno de los generadores, camino junto a un transformador de 45 KVA de la planta tratadora de aguas negras y percibo un olor barniz, inmediatamente tomo la corriente de dicho transformador, esta corriente pareciera un poco alta pero dentro de los parámetros de operación, también verifico el voltaje entre fase y fase y fase-tierra, encontrando lo siguiente: Voltaje entre fase a y fase b

240 Volts

Voltaje entre fase a y fase c

420 Volts

Voltaje entre fase b y fase c

540 Volts

Voltajes entre fase y neutro

300 Volts Fig. 7.1 Voltajes tomados en el bus de 480 V c.a.

Después de tomar las lecturas es lógico pensar que una de las fases esta aterrizada, cabe señalar que ninguna protección se activó, debido a que la corriente alcanzada no superaba a los 2500 Amperes por fase del interruptor principal del transformador. 7.1 Descripción del tablero de enlace de los transformadores

Fig. 7.2 Arreglo de transformadores

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En la figura 7.2 se muestran los dos transformadores que pueden trabajar en paralelo compartiendo la carga o pueden hacerlo por separado. También es necesario recordar que cuando trabajan por separado tendrán cargas diferentes pero el mismo voltaje. Siempre que se vaya a desconectar un transformador debemos de asegurarnos que el enlace se encuentra cerrado ya que podríamos ocasionar un black-out, debido a que los cargadores de las baterías de las máquinas diesel se encuentran conectadas y si una batería está descargada la máquina de combustión interna se parará 7.2 Propuesta de procedimiento para detectar la fase aterrizada 1. Primero debemos de descartar los equipos principales, generadores, transformadores y motores de c.d. para lo cual observamos el circuito de detección de fallas a tierra.

Fig. 7.3 Circuito de detección de tierras, IPS 2000

En este circuito, las fases principales cierran el circuito a través del botón de prueba. Así que si una fase se encuentra aterrizada la luz de la lámpara será tenue, dependiendo de la magnitud de esta falla. Aunque este circuito solo nos ayuda para los generadores, interruptores y líneas, ya que si la falla esta después de los transformadores de 1500 KVA no podemos localizarla de esta forma. Así que el circuito de detección de tierras que trae consigo el sistema IPS 2000 solo funciona para los motores de CD, que están conectados a través de los convertidores de potencia así como cualquier falla en el bus de 600 V C.A.

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Se puede también visualizar el sistema de detección de tierras de esta forma:

Luces indicadoras

Resistencia variable

Botón de prueba

Fig. 7.4 Diagrama de detección de tierras

2. Descartamos los transformadores. Con el enlace cerrado abrimos los interruptores de un transformador 1 y si continua la falla, cerramos ese mismo interruptor y abrimos los interruptores del transformador 2 si continua la falla. 3. Abrimos el interruptor de enlace para ver en cual lado del bus de 480 V.c.a. tenemos el problema, y verificamos con el voltaje. 4. El problema está en lado izquierdo, aquí debemos de ser cuidadosos ya que no podemos desenergizar unidad por unidad desde el cuarto de control por el tiempo que llevaría y el costo que traería hacerlo ya que se pararía la operación. Así que se tiene que hacer de forma manual hasta donde se pueda y medir rápidamente. 5. Así que de esa forma llegamos hasta un motor de inducción de 20 h.p. (horse power) del agitador de lodo. Este cuando fue conectado, el motor, uno de los cables en la caja de conexiones quedó aplastado por la misma caja de conexiones, esto ocasionó un desbalance de voltaje en toda la red eléctrica de la instalación. 6. Otros equipos que ocasionan el mismo problema son las resistencias usadas para la descongelación de las cámaras frigoríficas, las luces de vapor de mercurio.

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CAPÍTULO 8

Problemas en el arranque de un compresor de aire BETICO ER 55 PMX

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8.1 Compresor BETICO ER 55PMX La compañía BETICO fabricó un modelo especial para equipos marinos costa afuera. Este compresor entre sus características, tiene que es del tipo tornillo y el motor eléctrico por su capacidad es de uso continuo. Una válvula de mariposa se abre para admitir aire a comprimir cuando la instalación lo requiere.

PLC Betronik II

Transformador de control

Relé de Sobrecarga 3RB20 56 Arrancador suave SIRIUS de Siemens 3RW40 4.

PLC Betronik II

Fig.8.1 Tablero del compresor ER 55PMX

Este equipo cuenta con un arrancador suave y el fabricante nos indica que no se deben de hacer más de 3 arranques a día de este motor, por eso este motor es de uso continuo. El arrancador permite un tiempo de arranque máximo hasta de 20 segundos, en el cual la tensión llegará al nivel de la tensión de la red.

Fig.8.2 Tomada de Siemens Sirius, 2010, p.20; izquierda onda sinusoidal de arranque suave; derecha, diagrama del arrancador suave

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En la figura 8.2 podemos ver cómo funcionan los tiristores que al pasar un tiempo determinado aumentan el voltaje de alimentación al motor, al llegar al 100% se cierra el bypass. En la figura 8.2 se muestra el control sobre dos fases, con el fin de reducir los costos y tamaño en el arrancador. Para mitigar los efectos que esto produce en el arranque el fabricante usa un método patentado para balancear las corrientes de las fases de la carga. En la gráfica de la figura 8.3 se distingue como el arrancador con un tiempo prologado de arranque disminuye su corriente al llegar a su velocidad plena del motor. Hoy en día existen en el mercado algunos sensores de factor de potencia, algunos vienen como elementos físicos y otros vienen como software. Fig. 8.3 Tomado del manual del fabricante Siemens Sirius, 2010, p.20

Este compresor cuenta con un PLC el cual controla todos los dispositivos y sensores del compresor, así también verifica la calidad de la energía, si esta calidad es deficiente el compresor se parará. Por eso es necesario tener en cuenta algunos conceptos que explicaré a continuación.

8.2 Efecto de los SCR´s y motores de c.d. en el sistema eléctrico Cuando se están usando los motores de corriente directa, como en el caso que estuvieran perforando con una sola bomba y usando el malacate, es decir usando tres motores de 1000 H.P de corriente directa, el factor de potencia cae por debajo del 76 % entonces es necesario corregir el factor de potencia. EL filtro de la 5ta armónica nos corrige hasta 1000 KVARS inductivos, adicionalmente el filtro de la 7ma armónica nos corrige hasta 600 KVARS extras. Algunos autores los llaman filtros de rechazo pasivo, pero es más que nada un filtro específico para este tipo de equipos debido a su carga y al uso pesado. Por eso es difícil encontrar información ajena al fabricante. Primero debemos de entender el concepto de factor de potencia, los efectos del los puentes controlados (puentes de Graetz) de seis pulsos, y también los efectos de los motores de C.D. Aunado a esto, hoy en día, se cuenta con muchos aparatos electrónicos que son sensibles a la

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calidad de energía que se les proporciona, con el fin de saber cuándo necesitamos en la red de un corrector de factor de potencia. 8.3 Factor de potencia Potencia real o activa. Es la energía que los diferentes dispositivos eléctricos convierten en energía mecánica, lumínica, térmica, es la energía útil. Se mide en Watts. Potencia reactiva. Esta potencia es utilizada para generar el campo magnético de los motores, transformadores, esta potencia está defasada 90° de la potencia activa. Se mide Volts Amperes Reactivos, VAR´s. Esta potencia no es usada de una forma útil. Potencia aparente. Es el producto de la corriente y el voltaje, y también es el resultado vectorial de las dos potencias anteriores. Se mide en KVA´s.

Fig. 8.4 Triángulos de potencia

En la figura 8.4 observamos que la potencia reactiva inductiva es de sentido contrario a la magnitud de la potencia reactiva inductiva, una es provocada por los efectos magnetizantes de las bobinas y la otra por el efecto de los capacitores. En casi cualquier circuito o red eléctrica encontramos un factor de potencia con un factor de potencia inductivo, para mejorar este factor de potencia necesitamos de potencia reactiva capacitiva (capacitores), en algunos casos especiales necesitamos un conjunto de inductor-capacitor para que funcione como un filtro, ya que los armónicos pueden dañar a los capacitores.

8.4 Potencias en régimen deformado En un sistema eléctrico cuando tenemos dispositivos electrónicos, como en el caso de un puente controlado rectificado, existe la presencia de ondas de: voltaje, corriente, armónicas múltiplos a la frecuencia de la red. La presencia de armónicos en un sistema eléctrico indica por tanto una deformación de la forma de onda de la tensión o de la corriente, lo que conlleva una distribución de energía eléctrica que podría provocar el funcionamiento deficiente de los equipos. Un problema que podemos tener al conectar solamente capacitores para corregir el factor de potencia es que la distorsión de la línea puede alcanzar valores muy altos, existiendo el peligro de resonancia entre el sistema de corrección (capacitores) y la inductancia equivalente a la red.

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Fig.8.5 Tomada de ABB, Cuaderno de aplicaciones técnicas

La reactancia capacitiva es inversamente proporcional a la frecuencia de manera que la impedancia disminuye al aumentar el orden de las armónicas, esto quiere decir que los capacitores al estar alimentados por una tensión deformada, pueden absorber corrientes que los dañarían.

Fig. 8.6 Tomada ABB, Cuaderno de aplicaciones técnicas

ABB, cuaderno de aplicaciones técnicas dice que para un circuito en resonancia serie, la impedancia total tenderá a cero y en paralelo tenderá a infinito. Si un circuito resonante serie recibe alimentación de tensión alterna con una frecuencia cercana a la frecuencia de resonancia, puede tener lugar una amplificación de la corriente absorbida que provocara perturbaciones, sobre corrientes e incluso daños en los componentes de la red. Por el contrario, si un circuito resonante paralelo recibe alimentación de armónicos de corriente de cargas de distorsión, podría tener lugar una sobretensión en el armónico de resonancia. “En presencia de armónicos, podría producirse una amplificación de la corriente en el armónico de orden cercano a la frecuencia de resonancia” (ABB, p.23). Para evitar este fenómeno de resonancia y para que la vida del condensador no se vea reducida, es preciso que la red tenga una frecuencia de resonancia lo mas diferente posible a la de los armónicos presentes La solución más común, consiste en conectar debidamente una reactancia inductiva en serie al condensador. La reactancia debe estar dimensionada con una frecuencia de resonancia inferior a la frecuencia armónica más baja de la tensión presente en el circuito, que en nuestro caso es de 300 Hz.

En conclusión podemos insertar una reactancia inductiva a un conjunto de capacitores con el fin de igualar la frecuencia de resonancia a la frecuencia que se desea filtrar en nuestro caso la 5ta y 7ma armónica.

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8.5 Armónicos en el puente de Graetz En el diagrama de la figura 8.6 tenemos:  



Arriba a la derecha, un diagrama de un puente trifásico de onda completa con carga en el sistema. Debido a que son motores de C.D los que utilizamos en el equipo, el voltaje a la salida del puente es la que conducen cada par de diodos, el diodo 1 con el diodo 6, 1-2, 2-3 y así sucesivamente, según el par de diodos que conduzcan en el momento, parte inferior izquierda. En la parte inferior derecha observamos como la corriente ia que regresa al generador es afectada por el puente de rectificación esta onda de corriente se conoce como armónico fundamental.

Fig. 8.6 Tomada de Daniel W. Hart, Electrónica de potencia, p. 155; Rectificador trifásico de onda completa, tensión del generador, tensiones de salida de los diodos y corriente para una carga resistiva en el lado del generador.

Consideraciones que Hart (2001) nos comenta:  



Frecuencia Fundamental: Es la frecuencia de la onda original en este caso 60 HZ. Armónico fundamental: Es la armónica que se encuentra en la misma frecuencia, pero en el caso que usamos los convertidores controlados la forma de la corriente tiende a ser cuadrada en la línea del generador, estos efectos no son lineales, y es la ia de la figura 8.6 Sabemos que se necesita romper una barrera para polarizar directamente a un diodo.

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

   



Siempre va a conducir un par de diodos, si vemos el diagrama y nos situamos a los 30º, nos podemos dar cuenta que la fase con el valor más grande en magnitud de voltaje es la fase a, con lo que polariza directamente al diodo D1, y cierra con la fase b, la más negativa a través de D6 a lo largo de 60 º. En este tipo de puente los pares de diodos conducen 60º En el caso de la tensión de salida como vemos, cada fase tiene los 60º de diferencia, tendríamos que mover el eje para que pudiéramos visualizar un voltaje continuo pulsante. En la gráfica de la corriente vemos como cada par de diodos contribuye a mantener la corriente a través de la carga iD. En la fase de nuestro sistema también circulara una corriente de corriente continua, la cual distorsionara a nuestro sistema sinusoidal. Muchas aplicaciones al conectar una carga que tenga una bobina serie, como en el caso de los motores de corriente directa, se produce una corriente esencialmente continua, en la figura de arriba se muestra esa corriente. La serie de Fourier de las corrientes en la fase a de la línea de alterna es la siguiente: ia(t)

Io( cos ω0 t- cos5 ω0 t + cos7 ω0 t -

cos11 ω0 t…) Fórmula tomada de Hart, 2001, p.154

En esta fórmula podemos ver los términos de la armónica fundamental y los armónicos 6k +/- 1, donde k= 1,2,3… Estas corrientes podrían presentar problemas en el sistema de alterna, suele ser necesario utilizar filtros pasivos para impedir que entren en dicho sistema. En el caso de los SCR´s (rectificadores controlados de silicio), los armónicos de la tensión de salida siguen siendo los mismos, pero las amplitudes están en función del ángulo de disparo α. En la fugura 8.6a observamos a un puente rectificador de onda completa controlado o puente de graetz, con lo cual se varìa el voltaje de salida Vo dependiendo de la orden de mando del perforador.

Fig. 8.6a Puente de Graetz.

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Fig. 8.6b voltaje de salida en el puente de Graetz con un ángulo α.

En la figura 8.6b el voltaje de salida depende del ángulo de disparo α, esta aplicación se usa para acelerar los motores de c.d. ¿Por qué solo tenemos filtros de 5ta y 7ma armónica en este equipo? La razón es que el equipo PMX 4043 así como casi todos los equipos costa afuera utilizan convertidores de 6 pulsos con la misma frecuencia de 60 Hz. Entonces para esta frecuencia los armónicos serán: El orden de los armónicos= nk + 1, k=1,2,3 (numero entero positivo), n=numero de pulsos del convertidor. nk +/- 1= 6(1)+/-1= 6(2)+/-1= 6(3)+/-1=

Orden de los armónicos 5y7 11 y13 17 y 19

El orden de los armónicos para este tipo de equipo es: 5ta, 7ma, 11va, 13va… Aunque las armónicas de más impacto son la 5ta y 7ma armónica, que corresponden a los 300 Hz y a los 420 Hz.

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8.6 Explicación del funcionamiento del corrector de factor de potencia

Fig. 8.7 Diagrama del corrector de factor de potencia Ross Hill. Manual de CFP, Ing. Víctor Hugo Mejía, IMP

Cuando se requiere mejorar el factor de potencia cerramos el interruptor que alimenta a la sección remota, después cerramos el circuito del filtro de la 5ta armónica. La bobina L1 de 0.4 mh (mili henrios) es energizada a través del puente rectificador cuando el sistema tenga un factor de potencia en adelanto es decir cuando el efecto del filtro de la 5ta o 7ma armónica este afectando al circuito debido a que el perforador dejo de usar las bombas de lodos y el malacate y para anular el efecto de los bancos de capacitores se energiza la bobina L1. Este rectificador de onda completa es activado por el tren de pulsos de los scr´s. Debido al calor que emana de las bobinas de este corrector, solo se pone en funcionamiento cuando es requerido.

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Capacitor de 200 KVAR´s

Puente del banco de capacitores

Banco para el filtro de la 7ma. armónica

Banco para el filtro de la 5ta. armónica Fig. 8.8 Capacitores del Corrector de Factor de potencia

En la figura 8.8 podemos ver los dos bancos de capacitores de 200 KVAR´s por cada capacitor. Juego de 3 bobinas de 38µh. 5ta. armónica

Juego de 3 bobinas de 32µh c/u. 7ma. armónica

Bobina L1 de 0.4 mh Fig. 8.9 Bobinas del corrector de factor de potencia

En esta imagen podemos apreciar los dos conjuntos de bobinas del filtro para la 5ta armónica y del filtro para la 7ma armónica y en la parte de abajo la bobina L1 que como podemos notar es de mayor tamaño que las demás, en la parte inferior de esta última bobina esta un motor

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acoplado a un ventilador, debido al efecto joule la energía se disipa en forma de calor a través de estas bobinas y por eso necesita ventilación forzada. 8.7 ¿A partir de cuándo utilizamos el corrector de factor de potencia? Lo podemos utilizar cuando tenemos a partir de 800 KVAR´s el filtro de la 5ta armónica inductivos en nuestro sistema para mantener la calidad de la energía y no afecte a otros aparatos electrónicos como el Compresor de aire BETICO, pero siempre es necesario verificar el estado de los capacitores que no estén inflados y que nuestro sistema de enfriamiento funcione correctamente. Cuando ya tenemos cerrado el interruptor del filtro de la 5ta armónica, y nuestro sistema tiene más de 300 KVARS, podemos hacer uso del filtro de la 7ma armónica. De igual forma se debe de tener cuidado con los capacitores y verificarlos continuamente. Es común que de repente se deje de usar una bomba de lodos (dos motores de 1000 H.P.). Es necesario saber la operación que realizan en el piso de perforación, ya que si empiezan a sacar tubería del fondo, la sarta estaría muy pesada y por la aceleración que tendrían los motores del malacate el factor de potencia tendería a ser muy bajo. Así que se recomienda dejar el corrector de factor de potencia funcionando debido a los picos de voltaje y de corriente que pueden repercutir en otros aparatos electrónicos y a su vez mejora la eficiencia del motor de combustión interna y ahorrar combustible. Sólo cuando se tenga la certeza que no se va a tener una carga muy grande por un periodo considerable, es mejor abrir el interruptor del corrector de factor de potencia, ya que su sistema de control alimenta a una bobina L1 que absorbe hasta 1200 kvars, cuando el factor de potencia tiende a ser capacitivo. Y la energía que disipa en forma de calor la bobina es muy alta y puede afectar el sistema de enfriamiento del cuarto de control y otros aparatos electrónicos.

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CAPÍTULO 9

Generadores en paralelo

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9.1 Generalidades En este equipo se pueden tener hasta 3 generadores en paralelo, aunque por la potencia de las máquinas de combustión interna es muy raro tener los 3 generadores en línea. Chapman (2005) menciona que la operación en paralelo de dos o más generadores los requisitos son los siguientes:    

Sus voltajes eficaces deben de ser los mismos Los generadores deben de tener la misma secuencia de fase Los ángulos de fase de las dos fases a deben de ser iguales La frecuencia del nuevo generador debe de ser un poco mayor que la frecuencia del sistema.

Para el primer paso resulta evidente que lo cumple puesto que los tres generadores entregan el mismo voltaje. Para el segundo paso se debe de asegurar que el orden de los voltajes máximos de las fases de cada generador es el mismo, en el caso que estuvieran conectados de forma diferente las corrientes en las dos fases restantes serían enormes las cuales dañarían a los generadores.

Fig. 9.1 Secuencia de fases

El problema de la secuencia de fases se soluciona cambiando dos de las fases. En la práctica es necesario conocer la secuencia de fases con aparatos que vengan integrados al sistema, un método que trae consigo el sistema IPS 2000 es una variante del método de las tres lámparas, descrito en la siguiente página.

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9.2 El método de las tres lámparas para encontrar la secuencia de fase Este método es muy utilizado en la práctica para poner en paralelo dos o más generadores, consiste en tres lámparas conectadas como lo muestra la figura 9.2. Chapman (2005) nos dice que conforme la fase cambia entre los dos sistemas, las lámparas lucirán primero brillantes (una gran diferencia de fase) y cuando tienen una luz tenue (una diferencia de fase pequeña), si estas tres lámparas se encienden y se apagan al mismo tiempo, entonces los sistemas o generadores tendrán la misma secuencia de fase.

Fig. 9.2 Método de las tres lámparas, Chapman, 2005, p.302

9.2.1 Variante del método de las tres lámparas

9.3 Parte del diagrama en el sistema IPS 2000

En el sistema IPS se utilizan el voltaje del bus del generador (antes de ser entregado al bus principal) que pasa a través de un transformador con salida de 120 volts, como se nota en la figura 9.3, este voltaje pasa a través de C1 que se cierra cuando la máquina se coloca en la posición de RUN.

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Fig. 9.4 Continuación del diagrama, IPS 2000

En el bus principal también existe un transformador BPT1 conectado a las fases a y b, con una relación de transformación igual de 5:1, que pasa a través de un contacto DBR que se cierra cuando se energiza la bobina en paralelo con el transformador. Los contactos normalmente abiertos del Gen1 puntos 41 y 42 corresponde al selector. Cuando se cierra el selector en Gen1, Gen2 o Gen3 este voltaje de las fases A y B del bus principal se comparara con las mismas Fases A y B del Generador que se quiera poner en paralelo. Y pasan por dos lámparas en serie que se deberán de apagar y encender al mismo tiempo. 9. 3 ¿Para qué sirve el Sincronoscopio? El método que utiliza IPS para sincronizar es diferente al método de las tres lámparas, porque este último no es muy exacto para el cierre de los interruptores, debemos de entender que para evitar grandes corrientes los generadores a través de sus interruptores deben de cerrarse cuando la diferencia del ángulo de fases sea cero. La figura 9.5 la realice con fines explicativos utilizando: Voltaje en fase a: Nc ωφ sen ωt; Voltaje en fase b: Nc ωφ sen (ωt-120°); Voltaje en fase c: Nc ωφ sen (ωt-140°); Donde Nc es el numero de vueltas; ωφ el flujo

fase a fase b fase c fase a* fase b* fase c*

Fig. 9.5 Fases de dos sistemas de generación

El primer sistema de generación está representado por el color verde, morado y azul cielo que a su vez representa la secuencia de fases del sistema, primero aparece la fase a, fase c y fase

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b. La segunda gráfica sobrepuesta aparece con 30 grados de separación pero también con la misma secuencia de fases, esto con el fin de entender cuando se tiene que cerrar el interruptor del generador. Diferencia de voltaje igual a cero

fase a fase a*

Fig. 9.6 Fase a y fase a* de dos generadores

El sistema IPS para sincronizar los generadores solamente observa una sola fase para sincronizar, en este caso la fase a. Se puede observar donde se cruzan las ondas, es en este punto la diferencia de voltaje es igual a cero y es aquí en donde se cierra el circuito. Lámparas de sincronización En la figura 9.7, podemos notar las dos lámparas de sincronización, así como el sincronoscopio, que está abajo a la izquierda. Este sincronoscopio tiene el 0° en la parte superior, cuando la diferencia de las fases es cero la lámpara está apagada, cuando la aguja pasa por la parte inferior la diferencia de voltaje también es cero pero en el lado negativo, según la figura 9.6. Para una correcta sincronización este dispositivo deberá de ir a favor de las manecillas del reloj, lo que representa que el generador que se va a conectar en línea posee una frecuencia un poco

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mayor que el sistema. Fig. 9.7 Tablero de sincronización

9.4 Problemas comunes cuando se conecta un generador en paralelo 9.4.1 Problemas con la frecuencia Es necesario que la frecuencia del generador a conectar en paralelo debe de ser un poco mayor que al generador en línea. Esto nos ocasiona que a medida que vamos cambiando de generador debemos de ajustar o calibrar el sistema en cuanto a su frecuencia. A menudo es común que los operadores confíen en los aparatos analógicos del sistema, esto no es muy recomendable hacerlo, siempre que se vaya a conectar un generador en paralelo se debe de comprobar con otro voltímetro sus parámetros de voltaje y de frecuencia. Este sistema tiene un potenciómetro fino por la parte de enfrente del tablero, limitado a 10 vueltas. En la parte de atrás tiene otro pero con mayor nivel de salida, aquí debemos de recordar que la frecuencia de un generador varía con la velocidad angular del mismo generador. Entonces lo que hacemos es variar su velocidad. Algunos operadores, supervisores o gente con experiencia no acostumbran a medir la frecuencia del generador antes de conectarlo en paralelo y esto ocasiona que a veces se tengan parados los generadores por no saber cómo ajustar o calibrar dicho generador.

Para ajustar la frecuencia: 1. Primero debemos de tener poca carga en el sistema y de preferencia solo un generador en línea porque se puede ocasionar un blackout. 2. Segundo, el generador a poner paralelo deberá de tener su potenciómetro en la vuelta no. 5 3. Si cuando intentamos ponerlo en paralelo el potenciómetro fino no nos alcanza, debemos de regresarlo a la vuelta no. 5 y ajustarlo por la parte atrás. Fig. 9.8 Izq. Frente del tablero; Der. Vista trasera del tablero de gen.

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4. Antes de cerrar el circuito debemos de tomar una lectura de la frecuencia. Si esta supera los 61 Hz es mejor hacer un black-out y empezar a calibrar en vacío que es lo más recomendable pero en la práctica es difícil hacerlo.

En todo momento debemos de medir nuestra frecuencia ya que si bajamos demasiado la frecuencia se puede parar el equipo por baja frecuencia. 9.4.2 Problemas al sincronizar Algunas veces cuando ya estamos por sincronizar el generador, la aguja del sincronoscopio parece adelantarse muy rápido y después moverse lentamente, lo más probable es que la cremallera donde está el pick up o los sensores TRS y SRS estén sucios y por eso la velocidad de la máquina cambia. Sí tenemos problemas de sincronización, que no sean eléctricos, podemos dar cuenta con el ruido del motor. Cuando el tanque del diesel empieza a vaciarse el motor tiende a acelerarse abruptamente y a pararse, es necesario cambiar los filtros de diesel primario y secundario de la máquina. 9.4.3 Problemas para acelerar a 900 RPM Un problema común es que al momento de acelerar la máquina a 900 RPM está no llega a la velocidad deseada quedando en 800 RPM. En todas las fallas debemos de empezar por lo más fácil. En este caso es mejor, limpiar los sensores involucrados con la velocidad de la máquina de combustión interna que son: Pick up magnético, TRS y SRS de la máquina. Si el problema continúa antes de calibrar estos sensores cambiamos el módulo de velocidad, comúnmente llamado gobernador por el de otra máquina que sí opere normalmente. Estas tarjetas aunque no lo mencione el fabricante “se saturan” y es necesario sacarlas del rack del tablero del generador por un tiempo considerado (24 horas) y después se puede volver a usar la tarjeta retirada. 9.4.4 Otros Medición: El error mayormente cometido en las mediciones de transformadores o de resistencias en un circuito es que se miden conectados, todos los instrumentos de medición deben de desconectarse para poder medir su resistencia interna. Ya que si medimos un transformador conectado que este abierto en uno de sus devanados, el circuito se puede cerrar con los demás aparatos que estén conectados en el circuito. Uso del multímetro: Debemos de entender que al usar el multímetro como óhmetro, el multímetro hace pasar un voltaje hacia la resistencia a medir y podemos ocasionar una avería a los circuitos electrónicos, inclusive al mismo aparato electrónico. Sí utilizamos el multímetro como voltímetro este actúa como si fuera una resistencia y hay que tener en cuenta cuando hacemos Memoria Técnica

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mediciones sobre todo en los aparatos de control. Se puede afectar hasta la velocidad del generador cuando se trata de medir el voltaje del puente rectificador de la planta auxiliar.

Conclusiones Muchas de las fallas o problemas en un equipo de perforación se pueden resolver de una manera eficiente cuando se conocen algunos principios de funcionamiento así como la iniciativa de preguntar y de investigar, esto porque a pesar de que la mayoría de los fabricantes incluyen resoluciones de problemas estás muchas de las veces son insuficientes. Cuando se realizan trabajos en las diferentes áreas de la plataforma siempre debemos de tener nuestros sentidos atentos para localizar temperaturas altas, olores diferentes y hasta vibraciones que podrían ocasionar un daño a la instalación o al mismo personal. No se debe de caer en un exceso de confianza en los aparatos de protección instalados, esto por las condiciones del ambiente incluyendo las vibraciones. También es recomendable llevar o crear una bitácora de detección de problemas y de solución de los mismos, esto debido a que algunas veces se cambia el personal fijo y así podemos ser eficientes en la resolución de fallas. En la práctica, el conocimiento se adquiere a través de la resolución de problemas. En un equipo donde hay una cantidad considerable de problemas detectados lo más probable es que las personas estén más capacitadas que en un equipo donde no se detecten y solucionen dichos problemas. Muchas veces es la falta de capacitación así como la falta de confianza en resolver un problema. Estoy agradecido de haberme encontrado gente que tuvo confianza en mi trabajo y en mis habilidades que poco a poco han ido creciendo. Muchos de los problemas detectados se solucionaron con paciencia y sobretodo antes de empezar a desarmar cualquier equipo, es necesario empezar por lo más sencillo y más fácil de realizar sin exponer el equipo o al personal. Las fallas en corriente alterna son las más fáciles de detectar y de solucionar pero también las que involucran mayor riesgo, es de ahí que muchos accidentes pasan en voltajes de 480 Vc.a. y 220 Vc.a. Por ejemplo: instalando un motor y revisando un generador. Se sugiere no realizar estos trabajos solo y con todas las medidas de seguridad pertinentes. Esta memoria técnica de soluciones de problemas tiene el fin de ser útil para otras personas involucradas en el mantenimiento de equipos de perforación ya que no existen aun los procedimientos de Pemex para el mantenimiento mecánico y eléctrico para este quipo PMX 4043.

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