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Minicentral Hidroeléctrica Jon de la Cruz Ikazategi
Centrales Hidroeléctricas de Baja potencia Descripción general de las minicentrales hidroeléctricas
El recurso hídrico en pequeñas explotaciones Caudal – Desnivel – Turbina – Generador = Energía eléctrica Por medio de canalizaciones se hace una derivación del caudal 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
Cantidad de energía ,[object Object],Pn = 9,8 QnHnRturRalt     Donde "Pn" es la potencia nominal medida en KVA; "9,8" es la aceleración de la gravedad, en m/s2; "Qn" es el caudal de equipamiento o caudal nominal, en m3/s; "Hn" es la altura de salto neto, en metros; "Rtur" es el rendimiento de la turbina; y "Ralt" es el rendimiento del alternador (ambos adimensionales).
Cantidad de energia
Partes mas importantes de una Minicentral Hidroeléctrica
Partes mas importantes de una Minicentral Hidroeléctrica ,[object Object]
Rejilla- rastrillo oleo hidráulico
Casa de maquinas
Turbina y alternador
Control Automático
Cuadro de control
Medida de energía
Cuadro auxiliar
Protecciones,[object Object]
Rejilla y válvula de aislamiento A la entrada de la casa de máquinas, suele haber una rejilla que evite la entrada de broza En las centrales más automatizadas suelen ser accionadas por un cilindro oleo-hidraulico para  su limpieza Compuerta y válvula de aislamiento, para secar la central y reducir y abaratar el mantenimiento La válvula de mariposa representada en la foto tiene incorporado el accionamiento hidráulico, así como un contrapeso de cerrado, de forma que ante una emergencia se cierre la válvula. Esta especialmente diseñada para aplicaciones de cierre de tuberías forzadas en centrales hidroeléctricas
Casa de máquinas Su misión principal es la de proteger a los equipos eléctricos y mecánicos de la intemperie.
Turbina y generador ,[object Object]
La turbina transforma la energía potencial y cinética del agua en mecánica de rotación
La turbina lleva un control que deja pasar más o menos agua hacia los alabes de la misma, para controlar su velocidadTurbina tipo Pelton
Turbina y generador ,[object Object]
El generador será síncrono o asíncrono, en función de la potencia generada.
Si el generador es síncrono, contara con un sistema de sincronismo y un control de la excitatriz.,[object Object]
Requieren equipo de sincronismo
Una vez acoplado mediante la excitatriz controlas la energía reactiva cedida, no usan baterías de condensadores
Equipos mas caros y con mas mantenimientoAsíncrono Para potencias bajas Son equipos más simples que los síncronos Requieren baterías de condensadores para acoplarse a la red Bajo mantenimiento, equipos más económicos
Control automatico ,[object Object]
Control y visualización de los parámetros más importantes desde PC’s locales o remotos
Sistema de control de funcionamiento sin personal
Sistemas modulares y basados generalmente en PLC’s,[object Object]
Control y automatización de la central hidroeléctrica Descripción del control y automatización de la minicentral hidroeléctrica del rio Barbedillo.
Central Hidráulica del rio Barbedillo ,[object Object]
La central consta de su correspondiente azud, que canaliza el agua a través de un canal (tubería subterránea en este caso) hasta una turbina tipo Francis.
La turbina está acoplada a un alternador síncrono de 1290kW que se conecta a la red de Iberdrola por medio de un transformador de 400 v a 15kV.,[object Object]
Control y visualización de los parámetros más importantes de funcionamiento de la central a distancia
Control de la energía reactiva que se cede a la red
Control de niveles y temperaturas de los sistemas mecánicos
Control del nivel y estado del agua en la presa
Control de embalamiento en caso de aislamiento de la red,[object Object]
PLC Omron C200H ,[object Object]
Son necesarias entradas analógicas para el control 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 reactiva dentro de los limites establecidos.
Control de embalamiento en caso de apertura con la red
Comunicaciones con equipos remotos
Serán necesarios también módulos específicos de control PID para procesos como el control de la excitatriz, control de apertura de los alabes de la turbina etc (Tarjeta C200H-PID01-03),[object Object]
PLC Omron C200H – control de temperatura Las PT100 son un estándaren la industria, muchos generadores, en la caja de bornas, presentan conexiones de PT100 internas integradas en los devanados Los PLC’s más modernos, cuentan con entradas y software preparado para las PT100
PLC Omron C200H – control de temperatura En nuestro caso, no contamos con entradas dedicadas a PT100 en nuestro PLC Necesitamos un convertidor PT100  Multitud de convertidores PT100, a 4-20ma; 0-10ma, 0-10V…
Convertidor PT100
PLC Omron C200H - control del generador ,[object Object]
Tensión = excitatriz
Frecuencia = velocidad del generador
La velocidad del generador la controlaremos por medio de la velocidad de la turbina, es decir, inyectando más o menos agua en los alabes de la turbina
La tensión la controlaremos por medio de la excitación que tenga el generador,[object Object]

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Minicentral Hidroelectrica

  • 1. Minicentral Hidroeléctrica Jon de la Cruz Ikazategi
  • 2. Centrales Hidroeléctricas de Baja potencia Descripción general de las minicentrales hidroeléctricas
  • 3. El recurso hídrico en pequeñas explotaciones Caudal – Desnivel – Turbina – Generador = Energía eléctrica Por medio de canalizaciones se hace una derivación del caudal 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
  • 4.
  • 6. Partes mas importantes de una Minicentral Hidroeléctrica
  • 7.
  • 15.
  • 16. Rejilla y válvula de aislamiento A la entrada de la casa de máquinas, suele haber una rejilla que evite la entrada de broza En las centrales más automatizadas suelen ser accionadas por un cilindro oleo-hidraulico para su limpieza Compuerta y válvula de aislamiento, para secar la central y reducir y abaratar el mantenimiento La válvula de mariposa representada en la foto tiene incorporado el accionamiento hidráulico, así como un contrapeso de cerrado, de forma que ante una emergencia se cierre la válvula. Esta especialmente diseñada para aplicaciones de cierre de tuberías forzadas en centrales hidroeléctricas
  • 17. Casa de máquinas Su misión principal es la de proteger a los equipos eléctricos y mecánicos de la intemperie.
  • 18.
  • 19. La turbina transforma la energía potencial y cinética del agua en mecánica de rotación
  • 20. La turbina lleva un control que deja pasar más o menos agua hacia los alabes de la misma, para controlar su velocidadTurbina tipo Pelton
  • 21.
  • 22. El generador será síncrono o asíncrono, en función de la potencia generada.
  • 23.
  • 24. Requieren equipo de sincronismo
  • 25. Una vez acoplado mediante la excitatriz controlas la energía reactiva cedida, no usan baterías de condensadores
  • 26. Equipos mas caros y con mas mantenimientoAsíncrono Para potencias bajas Son equipos más simples que los síncronos Requieren baterías de condensadores para acoplarse a la red Bajo mantenimiento, equipos más económicos
  • 27.
  • 28. Control y visualización de los parámetros más importantes desde PC’s locales o remotos
  • 29. Sistema de control de funcionamiento sin personal
  • 30.
  • 31. Control y automatización de la central hidroeléctrica Descripción del control y automatización de la minicentral hidroeléctrica del rio Barbedillo.
  • 32.
  • 33. La central consta de su correspondiente azud, que canaliza el agua a través de un canal (tubería subterránea en este caso) hasta una turbina tipo Francis.
  • 34.
  • 35. Control y visualización de los parámetros más importantes de funcionamiento de la central a distancia
  • 36. Control de la energía reactiva que se cede a la red
  • 37. Control de niveles y temperaturas de los sistemas mecánicos
  • 38. Control del nivel y estado del agua en la presa
  • 39.
  • 40.
  • 41. Son necesarias entradas analógicas para el control de temperatura y niveles. (Tarjeta C200H-MAD01)
  • 42. Gestiona la supervisión y las alarmas del sistema
  • 43. Controla la válvula de alabes del sistema, para mayor o menor velocidad de la turbina y el control de excitación, para una potencia reactiva dentro de los limites establecidos.
  • 44. Control de embalamiento en caso de apertura con la red
  • 46.
  • 47. PLC Omron C200H – control de temperatura Las PT100 son un estándaren la industria, muchos generadores, en la caja de bornas, presentan conexiones de PT100 internas integradas en los devanados Los PLC’s más modernos, cuentan con entradas y software preparado para las PT100
  • 48. PLC Omron C200H – control de temperatura En nuestro caso, no contamos con entradas dedicadas a PT100 en nuestro PLC Necesitamos un convertidor PT100 Multitud de convertidores PT100, a 4-20ma; 0-10ma, 0-10V…
  • 50.
  • 52. Frecuencia = velocidad del generador
  • 53. La velocidad del generador la controlaremos por medio de la velocidad de la turbina, es decir, inyectando más o menos agua en los alabes de la turbina
  • 54.
  • 55. La válvula estará accionada por un cilindro hidráulico que abra o cierre la válvula en función de una señal
  • 56. El PLC dará una señal analógica (4-20ma) proporcional a la posición de la válvula
  • 57.
  • 58. PLC Omron C200H – Control circuito hidráulico El PLC controlará mediante una señal analógica la electroválvula que dará más o menos paso a la bomba de aceite y abrirá más o menos el cilindro que controla la turbina El PLC además se encargara del control del nivel del deposito de aceite, la presión en la bomba y verificará que la posición del la válvula es la deseada. Bomba de aceite
  • 59. PLC Omron C200H - control del generador El PLC recibirá señales desde el cuadro general con los parámetros de tensión y frecuencia del alternador Además, el PLC recibirá una señal de un encoder incremental, que le de una señal proporcional a la velocidad del generador y turbina.
  • 60.
  • 61. El control de la excitación del alternador, se hace por medio de unos reguladores.
  • 62. Estos reguladores, aceptan señales “estándar” como 0-10 voltios.
  • 63. El PLC distribuirá la señal al regulador y este alimentará el rotor del alternador.
  • 64.
  • 65.
  • 66. Presenta diferentes características de regulación, así como de protección para la excitatriz
  • 67. La entrada ST4 puede ajustar mediante un potenciómetrola excitación del rotor, o mediante una tensión 0-10v (según datasheet)
  • 68.
  • 69. El modelo E6H-C en concreto es un modelo resistente al agua
  • 70. Resolución de 500 pulsos por ciclo
  • 71. Salida de tensión NPN e indicador de ZERO
  • 72.
  • 73. Equipo de sincronismo – Selco c6200 Equipo presentado para instalarse en armarios eléctricos Se encarga de la sincronización del equipo y del reparto de carga (activa / reactiva) Elementos de seguridad para potencia inversa o perdida de excitación Monitorización de frecuencia Entradas y salidas programables Diferentes interfaces compatibles Cuenta con un sicronoscopio para el control manual Tiene salidas programables que pueden usarse como elementos de medida Interface Modbus RS485 para conexión con PLC o PC
  • 74. Equipo de sincronismo – Circuitor Synchro max PID Medida y visualización directa de la tensión y frecuencia de generador y red Control PID de la velocidad del generador mediante salida de pulsos incorporados Sincronoscopio para modo manual
  • 75. PLC Omron C200H – Nivel de agua en cámara de carga El nivel de agua se puede controlar por 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 será necesaria Siemens ofrece medidores multipunto para tanques idóneos para este proyecto
  • 76. Control de nivel de agua – Siemens SITRANS LU Ofrecen multitud de rangos de medida (desde 0,3m hasta 60m) Margen de tolerancia muy pequeño Diferentes módulos de comunicaciones disponibles Salidas 0/4 – 20ma, relés de alarma… Son controladores basados en ultrasonidos, buena resolución, salidas analógicas, diferentes rangos de alimentación…
  • 77. Control de nivel de agua – Siemens SITRANS LU
  • 78. Control de nivel de agua – Comunicación SITRANS LU - PLC Debido a la distancia física entre la central y la cámara de carga, presa y canal La comunicación por radiofrecuencia puede ser una solución cómoda y útil Omron cuenta con equipos wirelesspor radiofrecuencia, para distancias no mayores a 60 m (o mayores con repetidores) Un maestro controla varios esclavos
  • 79. Limpieza de rejilla de entrada Aprovechando la comunicación wireless para el control de nivel de presa, canal y cámara de carga, controlaremos desde el PLC central la limpieza de la rejilla a la entrada de la cámara de carga. Un circuito hidráulico, similar al explicado para el control de la turbina, moverá un rastrillo entre la rejilla de entrada con la finalidad de eliminar la broza etc
  • 80. Cuadro General El cuadro general incorporará el equipo de sincronismo, el PLC, tarjetas de E/S, tarjetas de comunicaciones, los aparatos de medida necesarios para el generador, relés y protecciones… Desde el cuadro general también podremos realizar las tareas de puesta en marcha o paro de la central en modo manual
  • 81. Trafo y cuadro de medida El trafo adaptará la tensiones nominales del generador a las de la red, este tendrá que tener unas protecciones determinadas, control de temperatura… El cuadro de medida nos dará la cantidad de potencia cedida a la red o consumida en caso de inactividad. Las compañías eléctricas exigen una aparamenta determinada y unas protecciones determinadas para el acoplamiento a su red El cuadro de medida debe satisfacer las exigencias de las compañías eléctricas
  • 82. Esquema propuesto por Iberdrola para la conexión a su red de alta tensión. Aparamenta de medida y de protección.
  • 83. PLC Omron C200H – control de embalamiento Una vez conectado a la red y hecho el sincronismo, la tensión y frecuencia la impone la red. La excitación controlará la cantidad de energía reactiva que se cede a la red y la cantidad de caudal, es decir, el par con el que se hace girar al motor, la cantidad de energía activa. Si el motor se desconecta de la red por cualquier motivo (salto de interruptor por seguridad…) el generador se queda sin carga y tiende a embalarse El PLC debe ser capaz de controlar el embalamientode la turbina, con suficiente velocidad como para que no sufra ningún elemento Deberá disminuir la excitación y cerrar la válvula de la turbina y accionar un freno en caso de que sea necesario. Puede usarse un regulador PID
  • 84. PLC Omron C200H - comunicaciones Se necesita una comunicación en ambos sentidos Permita la visualización y control de los parámetros necesarios a tiempo real Conexión a equipo local (PC) Conexión a equipo remoto Tarjeta de comunicaciones LK201
  • 85. PLC Omron C200H – comunicación PC local El PLC contará con un modulo de comunicaciones LK201 encargado de proporcionar una salida RS232 RS232 es una norma de comunicaciones RS232 a RS422 PC local PLC LK201 Modem RS232 PC remoto Modem Telefonico
  • 86. PLC Omron C200H – Tarjeta LK201 RS232 / RS422 La tarjeta dota al PLC de una salida de comunicaciones en norma RS232. Se hará un cambio de la norma RS232 a RS422 Un modem moderará la conexión con el PC
  • 87. PLC Omron C200H – conexión PC remoto Mediante la salida proporcionada por la tarjeta LK201 en norma RS232, conectada a un modem telefónico, podemos establecer contacto desde un PC remoto mediante una línea de teléfono. Gran cantidad de dispositivos de comunicaciones disponibles Comunicaciones de ida y vuelta, visualización y control del estado del PLC
  • 88. PLC Omron C200H – Pautas para la programación del PLC El PLC permitirá el control automático, manual o semiautomático de la central. Deberá diferenciar el arranque y sincronismo (ejecutado por el equipo de sincronismo) del funcionamiento general de la central. Visualizará el generador durante el funcionamiento general, controlando el caudal de la turbina, la tensión y la frecuencia de red, la energía activa y reactiva cedida a la misma Controlara la excitatriz del generador y la entrada de agua a la turbina para controlar la energía activa y reactiva
  • 89. PLC Omron C200H – Pautas para 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 de entrada Un sistema de paro de la central Señales de alarmas por temperatura en los sistemas mecánicos, niveles de aceite, presión en los circuitos hidráulicos…
  • 90. Scada Scada (supervisión, adquisición y control de datos) Scada es una aplicación software que corre en el ordenador de control Una pantalla gráfica da una idea del estado del sistema y permite introducir consignas o valores de programación Además el scada debe ser capaz de recoger los datos de la central en históricos
  • 91. Scada Omron ofrece Fixdmacs, como aplicación de Scada Las aplicaciones Fixdmacs ofrecen una arquitectura abierta a posibles modificaciones, mejoras o ampliaciones de hardware y software Interfaces gráficas simples y efectivas Permite la visualización de datos actuales y históricos, así como el control de máquinas y actuadores Dentro del Scada se encuentran las comunicaciones, entre PLC y PC local y PC remoto, así como comunicación entre PLC y sensores-actuadores