Mini Central Hidroelectrica

5/17/2018 Mini Central Hidroelectrica - slidepdf.com

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Minicentral Hidroeléctrica

Jon de la Cruz Ikazategi



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Centrales Hidroeléctricasde Baja potencia

Descripción general de lasminicentrales hidroeléctricas



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El recurso hídrico enpequeñas explotaciones

• Caudal – Desnivel – Turbina – Generador = Energíaeléctrica

• Por medio de canalizaciones se hace una derivación delcaudal del rio (respetando el caudal ecológico)

• Se conduce el agua de forma que se consiga un desnivel respecto al nivel del rio.

• El salto de agua mueve una turbina. Energía potencial ->Energía mecánica

•

La turbina mueve el generador. Energía mecánica ->energía eléctrica

• Se acondiciona la energía eléctrica y se acopla a la red



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Cantidad de energía

• La cantidad de energía que se puedeconseguir, viene dado por:

Pn = 9,8 Qn Hn Rtur Ralt

Donde "Pn" es la potencia nominalmedida en KVA; "9,8" es la

aceleración de la gravedad, enm/s2; "Qn" es el caudal deequipamiento o caudal nominal, en

m3/s; "Hn" es la altura de salto neto," "



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Cantidad de energia

Energiaconseguida

Altura delSalto

Rendimientoturbina

Rendimientogenerador

Caudal

158 KVAs 2m 90% 90% 10m3/s

160 KVAs 10m 90% 90% 2m3/s

640 KVAs 10m 90% 90% 8m3/s

320 KVAs 20m 90% 90% 2m3/s

1600 KVAs 20m 90% 90% 10m3/s

320 KVAs 40m 90% 90% 1m3/s2560 KVAs 40m 90% 90% 8m3/s



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ar es mas mpor an es euna Minicentral

Hidroeléctrica


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ar es mas mpor an es euna Minicentral

Hidroeléctrica• Azud – Canal de derivación – cámara

de carga•

Rejilla- rastrillo oleo hidráulico• Casa de maquinas• Turbina y alternador•

Control Automático• Cuadro de control• Medida de energía• Cuadro auxiliar


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Azud, canal de derivación ycámara de carga



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Rejilla y válvula deaislamiento

• A la entrada de la casa de máquinas, suelehaber una rejilla que evite la entrada debroza

•

En las centrales más automatizadassuelen ser accionadas por un cilindro oleo-hidraulico para su limpieza

• Compuerta y válvula de aislamiento,

para secar la central y reducir yabaratar el mantenimientoLa válvula de mariposa representada en la foto

tiene incorporado el accionamiento hidráulico,así como un contrapeso de cerrado, de formaque ante una emergencia se cierre la válvula.Esta especialmente diseñada para aplicaciones

de cierre de tuberías forzadas en centraleshidroeléctricas



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Casa de máquinas

• Su misión principal es la de protegera los equipos eléctricos y mecánicosde la intemperie.



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Turbina y generador

• El agua entra en lacasa de máquinas ymediante una

conducción forzadase lleva hasta laturbina

•

La turbina transforma la energía potencial ycinética del agua en

mecánica derotación

Turbina tipoPelton



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Turbina y generador

• La turbina se acopla aun generador pormedio de una

reductora o unmultiplicador, segúncaracterísticas.

•

El generador serásíncrono oasíncrono, enfunción de la potencia

generada.



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Generador síncrono-asíncrono

• Síncrono• Utilizado parapotencias altas

• Requieren

equipo desincronismo

• Una vez

acopladomediante laexcitatriz

controlas lan r í r tiv

• Asíncrono• Para potenciasbajas

• Son equipos más

simples que lossíncronos

• Requieren

baterías decondensadorespara acoplarse a

la red•



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Control automatico

• La mayoría de pequeñas centralesse llaman “fantasmas”, es decir,trabajan sin personal permanente.

• Control y visualización de losparámetros más importantes desdePC’s locales o remotos

•

Sistema de control defuncionamiento sin personal

• Sistemas modulares y basados

generalmente en PLC’s



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Turbinar en horas puntas

• Cuando hay caudal de aguasuficiente, se turbina durante todo eldía, para sacar el mayor rendimientoa la central.

• Si el caudal de agua es limitado,entonces se turbinará a la máximapotencia a ser posible en horaspunta, donde el precio de KW/h esun 40% mayor al del resto del día

• El control automático debe ser capazde saber la cantidad de agua quehay en la presa, para saber si debeturbinar durante todo el día, durantelas horas punta, o si debe hacerlo

con potencia variable según elhorario…



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Control y automatizaciónde la central hidroeléctrica

Descripción del control yautomatización de la minicentralhidroeléctrica del rio Barbedillo.



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Central Hidráulica del rioBarbedillo

• puesta en marcha por la empresaElectrotécnica del Urumea S.A.

• La central consta de sucorrespondiente azud, que canalizael agua a través de un canal (tubería

subterránea en este caso) hasta unaturbina tipo Francis.• La turbina está acoplada a un

alternador síncrono de 1290kW quese conecta a la red de Iberdrola or



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Necesidades deautomatización

• Se requiere un sistema dotado de unequipo de sincronización delgenerador con la red para su

acoplamiento• Control y visualización de los

parámetros más importantes de

funcionamiento de la central adistancia

• Control de la energía reactiva que

se cede a la red



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Turbina

Multiplicador

Generador

Excitatriz

Encoder

CuadroGeneral

Cuadrode

Medida

Trafo

Red Electrica

Equipo deSincronis

mo

PLC

Control

deAlabesde la

turbina

Nivelaceite PLC

Control Temperatu

ra PLC

ControlEmbalamie

nto PLC

Nivel deAgua encamara

decarga

Protecciones trafo

Alarmas

Comunica

ciones



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PLC Omron C200H

• Es un autómata de tipo medio, con un máximo de480 entradas/salidas

• Son necesarias entradas analógicas para elcontrol de temperatura y niveles. (Tarjeta C200H-

MAD01)• Gestiona la supervisión y las alarmas del sistema• Controla la válvula de alabes del sistema, para

mayor o menor velocidad de la turbina y el control

de excitación, para una potencia reactivadentro de los limites establecidos.• Control de embalamiento en caso de apertura con

la red•

Comunicaciones con equipos remotos• Serán necesarios también módulos es ecíficos



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PLC Omron C200H – controlde temperatura

• Control de los devanados delgenerador, de casquillos yrodamientos del multiplicador y

turbina y transformador• Control de temperatura

mediante PT100

- Variacion de la resistencia enfunción de la temperatura PTC(coeficiente positivo)

- 100 ohms = 0º ; 138,5 ohms =100º



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• Las PT100 son un estándar en laindustria, muchos generadores, en la

caja de bornas, presentanconexiones de PT100 internasintegradas en los devanados

•

Los PLC’s más modernos, cuentancon entradas y software preparadopara las PT100



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• En nuestro caso, no contamos conentradas dedicadas a PT100 ennuestro PLC

• Necesitamos un convertidor PT100• Multitud de convertidores PT100, a 4-

20ma; 0-10ma, 0-10V…



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Convertidor PT100



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PLC Omron C200H - controldel generador

• Para controlar la tensión y frecuenciaque suministra el generadornecesitamos controlar dos

parámetros básicos.• Tensión = excitatriz• Frecuencia = velocidad del

generador

• La velocidad del generador la

controlaremos por medio de la



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PLC Omron C200H – controlde alabes de la turbina

• Se debe controlar el caudalpor medio de una válvula

• La válvula estará accionada

por un cilindro hidráulicoque abra o cierre la válvulaen función de una señal

•

El PLC dará una señalanalógica (4-20ma)proporcional a la posición

de la válvula



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PLC Omron C200H – controlde alabes de la turbina

Depositohidráulico

electroválvula

Cilindrohidráulico

Válvula decontrol deturbina

Bombaaceite

Circuitohidráulico

PLCControl deniveles

Señal decontrol(0-10v)

Control depresión ytemperatura

Control deposición



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PLC Omron C200H – Controlcircuito hidráulico

• El PLC controlará mediante unaseñal analógica laelectroválvula que dará más

o menos paso a la bomba deaceite y abrirá más o menos elcilindro que controla la turbina

• El PLC además se encargara delcontrol del nivel del depositode aceite, la presión en labomba y verificará que laposición del la válvula es ladeseada.

Bomba deaceite



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PLC Omron C200H - controldel generador

• El PLC recibirá señales desde el cuadrogeneral con los parámetros de tensión yfrecuencia del alternador

•

Además, el PLC recibirá una señal de unencoder incremental, que le de unaseñal proporcional a la velocidad delgenerador y turbina.



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PLC Omron C200H - controlde la excitación

• Una vez conectado a la red, laexcitación variará la cantidad deenergía reactiva que se cede a la red

• El control de la excitación delalternador, se hace por medio deunos reguladores.

•

Estos reguladores, aceptan señales“estándar” como 0-10 voltios.

• El PLC distribuirá la señal al

regulador y este alimentará el rotor



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• Un algoritmo PID con parámetros bienprogramados, para no tener una respuestacon un sobrepasamiento alto o una

respuesta excesivamente lenta.• En este caso, necesitamos una respuesta

que no sea excesivamente lenta, perotampoco nos interesa una respuesta

con sobrepasamiento.



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-Este es un regulador comercial, paraalternadores asíncronos-Presenta diferentes características deregulación, así como de protección para laexcitatriz-La entrada ST4 puede ajustarmediante un potenciómetro laexcitación del rotor, o mediante unatensión 0-10v (según datasheet)-Haciendo uso de la entrada ST4, podemosconectar una salida analógica con control

PID desde el PLC hasta el regulador R230 yde esta forma controlar la excitatriz.

mron con ro



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mron - con rode la velocidad, encoder

incremental• Omronpresenta unaamplia oferta

de encoders.• El modelo

E6H-C en

concreto es unmodeloresistente al

agua•



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Equipo de sincronismo•

Para no cargar al PLC con latarea de sincronismo delgenerador con la red, existendispositivos integrados quehacen esta función.

• Existe una amplia gama deproductos, más o menossofisticados a tal efecto, losmás simples que te indican el

momento de sincronismo, porun sistema de lámparas, o losmás complejos, que tienenregulación PID para laexcitatriz y control develocidad del generador,



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Equipo de sincronismo –Selco c6200

• Equipo presentado para instalarse enarmarios eléctricos

• Se encarga de la sincronización del equipoy del reparto de carga (activa / reactiva)

•

Elementos de seguridad para potenciainversa o perdida de excitación

• Monitorización de frecuencia

• Entradas y salidas programables

• Diferentes interfaces compatibles

• Cuenta con un sicronoscopio para el controlmanual

• Tiene salidas programables que puedenusarse como elementos de medida

• Interface Modbus RS485 para conexión conPLC o PC



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Equipo de sincronismo –Circuitor Synchro max PID

• Medida y visualización directa de la tensión yfrecuencia de generador y red

• Control PID de la velocidad del generadormediante salida de pulsos incorporados

• Sincronoscopio para modo manual

mron ve



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mron – vede agua en cámara de

carga• El nivel de agua se puede controlarpor diferentes tipos de sensores,flotadores, etc

• La cámara de carga, canal y presa,se encontrarán lejos de la central,por lo que un equipo RF o alguna

comunicación vía radio seránecesaria

• Siemens ofrece medidores

multipunto para tanques idóneos

C l d i l d



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Control de nivel de agua –Siemens SITRANS LU

• Ofrecen multitud derangos de medida(desde 0,3m hasta

60m)• Margen de

tolerancia muy

pequeño• Diferentes módulos de

comunicaciones

disponibles

Son controladoresbasados enultrasonidos, buenaresolución, salidasanalógicas,diferentes rangos dealimentación…

C l d i l d



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Control de nivel de agua –Siemens SITRANS LU

on ro e n ve e agua



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on ro e n ve e agua –Comunicación SITRANS LU -

PLC• Debido a la distancia física entre

la central y la cámara de carga,presa y canal

•

La comunicación porradiofrecuencia puede ser unasolución cómoda y útil

• Omron cuenta con equipos

wireless por radiofrecuencia,para distancias no mayores a 60m (o mayores con repetidores)

• Un maestro controla variosesclavos

Li i d jill d



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Limpieza de rejilla deentrada

• Aprovechando la comunicaciónwireless para el control de nivel depresa, canal y cámara de carga,

controlaremos desde el PLC central lalimpieza de la rejilla a la entrada dela cámara de carga.

•

Un circuito hidráulico, similar alexplicado para el control de laturbina, moverá un rastrillo entre larejilla de entrada con la finalidad deeliminar la broza etc



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Cuadro General

• El cuadro general incorporaráel equipo de sincronismo, elPLC, tarjetas de E/S, tarjetas

de comunicaciones, losaparatos de medidanecesarios para el

generador, relés yprotecciones…Desde el cuadro general tambiénpodremosrealizar las tareas de puesta en marchaoparo de la central en modo manual



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Trafo y cuadro de medida

• El trafo adaptará la tensionesnominales del generador a las de lared, este tendrá que tener unasprotecciones determinadas, control de

temperatura…• El cuadro de medida nos dará la

cantidad de potencia cedida a la red oconsumida en caso de inactividad.

•

Las compañías eléctricas exigen unaaparamenta determinada y unasprotecciones determinadas para elacoplamiento a su red

•

El cuadro de medida debe satisfacerlas exi encias de las com añías



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Esquema

propuestopor Iberdrolapara la

conexión asu red dealta tensión.

Aparamentade medida yde

protección.

PLC O C200H t l



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PLC Omron C200H – controlde embalamiento

• Una vez conectado a la red y hecho el sincronismo, la tensión yfrecuencia la impone la red.

• La excitación controlará la cantidad de energía reactiva quese cede a la red y la cantidad de caudal, es decir, el par con el quese hace girar al motor, la cantidad de energía activa.

•

Si el motor se desconecta de la red por cualquier motivo (salto deinterruptor por seguridad…) el generador se queda sin carga ytiende a embalarse

• El PLC debe ser capaz de controlar el embalamiento de laturbina, con suficiente velocidad como para que no sufra ningúnelemento

• Deberá disminuir la excitación y cerrar la válvula de la turbina yaccionar un freno en caso de que sea necesario.

• Puede usarse un regulador PID

PLC O C200H



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PLC Omron C200H -comunicaciones

• Se necesita una comunicación enambos sentidos

• Permita la visualización y control delos parámetros necesarios a tiemporeal

•

Conexión a equipo local (PC)• Conexión a equipo remoto• Tarjeta de comunicaciones LK201

PLC O C200H



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PLC Omron C200H –comunicación PC local

• El PLC contará con un modulo decomunicaciones LK201 encargado deproporcionar una salida RS232

• RS232 es una norma decomunicaciones

PLC LK201 Mode

mRS232

RS232a

RS422

PClocal

Modem Telefoni

co

PCremoto

PLC O C200H T j t



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PLC Omron C200H – TarjetaLK201 RS232 / RS422

• La tarjeta dota alPLC de una salida

de comunicacionesen norma RS232.• Se hará un cambio

de la norma RS232a RS422

• Un modemmoderará la

conexión con el PC

PLC O C200H



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PLC Omron C200H –conexión PC remoto

• Mediante la salida proporcionada porla tarjeta LK201 en norma RS232,conectada a un modem telefónico,

podemos establecer contacto desdeun PC remoto mediante una línea deteléfono.

•

Gran cantidad de dispositivos decomunicaciones disponibles• Comunicaciones de ida y vuelta,

visualización y control del estado del

mron – au as



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mron – au aspara la programación del

PLC• El PLC permitirá el control automático, manual osemiautomático de la central.

• Deberá diferenciar el arranque y sincronismo(ejecutado por el equipo de sincronismo) delfuncionamiento general de la central.

• Visualizará el generador durante el funcionamientogeneral, controlando el caudal de la turbina, latensión y la frecuencia de red, la energía activa y

reactiva cedida a la misma• Controlara la excitatriz del generador y la

entrada de agua a la turbina para controlar laenergía activa y reactiva

mron – au as



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mron au aspara la programación del

PLC• Llevará el control y visualización

de los niveles de consigna en

cámara de carga, azud y canal, así como la limpieza de la rejilla deentrada

•

Un sistema de paro de la central• Señales de alarmas por temperatura

en los sistemas mecánicos, niveles

de aceite, presión en los circuitos



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Scada

• Scada (supervisión,adquisición y control de datos)

• Scada es una aplicaciónsoftware que corre en el

ordenador de control• Una pantalla gráfica da una

idea del estado del sistema ypermite introducir consignas o

valores de programación• Además el scada debe ser

capaz de recoger los datos dela central en históricos



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Scada

• Omron ofrece Fixdmacs, como aplicaciónde Scada

• Las aplicaciones Fixdmacs ofrecen una

arquitectura abierta a posiblesmodificaciones, mejoras o ampliaciones dehardware y software

• Interfaces gráficas simples y efectivas• Permite la visualización de datos actuales

y históricos, así como el control demáquinas y actuadores

•

Dentro del Scada se encuentran las



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