Desarrollo de un AVR digital para grupos electrógenos

Abstract

DESARROLLO DE UN AVR DIGITAL PARA GRUPOS ELECTRÓGENOS Autor: Elum Muelas, José Juan. Director: Ibáñez Guerrero, Carlos. Entidad Colaboradora: Himoinsa S.L. & Dismuntel S.A.L. RESUMEN DEL PROYECTO 1.- Introducción Los grupos electrógenos han evolucionado a lo largo de los años para seguir aportando soluciones frente a fallos de red o compensación de carga, y la regulación electrónica ha jugado un papel principal con el desarrollo del AVR (Automatic Voltage Regulator). La función principal de un AVR es la de ajustar la corriente de excitación de un alternador, a través de una excitatriz, en función de la tensión de salida referenciada en el estator del mismo.

El objetivo del presente PFG es el de colaborar con dos empresas del sector industrial, Himoinsa y Dismuntel, en el desarrollo de un AVR digital que aumente las prestaciones y versatilidad de la placa con la incorporación de un microcontrolador.

2.- Estado del arte Los grupos electrógenos están constituidos por un motor y un alternador gestionados a través de un cuadro de control. Dicho cuadro, lleva incorporada una central que monitoriza la energía producida por el alternador, así como todos los parámetros de control del motor para garantizar un correcto funcionamiento y detectar posibles fallas. Más en concreto, los alternadores auto-excitados (empleados en la gran mayoría de dichos grupos electrógenos) poseen una tarjeta de regulación automática de tensión (AVR) analógica, que se encarga de excitar el estator principal del alternador en función de la tensión de salida que haya en el mismo. El hecho de ser una tarjeta de regulación analógica y poseer unos aspectos constructivos muy limitados, impide que la central de control del grupo electrógeno tenga acceso directo a la misma. Por ello, la implementación de un microcontrolador en la tarjeta facilitaría una comunicación directa con el cuadro de mando y un ajuste de parámetros más preciso.

3.- Método Con el fin de desarrollar un AVR digital, el presente proyecto pretende en un primer lugar establecer los requisitos imprescindibles de funcionamiento de la tarjeta analizando el comportamiento de un AVR analógico y a continuación, se desarrollará a nivel de Hardware la comunicación CAN bus que se empleará para controlar los parámetros de la tarjeta reguladora en función del resto de medidas tomadas en el grupo electrógeno. Para estudiar el comportamiento del AVR analógico se realizan impactos de carga en dos grupos electrógenos que trabajan a 50Hz (1500 rpm) y 60Hz (1800 rpm). Uno de ellos tendrá capacidad para generar 60kVA y otro 200kVA. Los impactos de carga vendrán definidos por la norma ISO-8627 que rige el tiempo de recuperación de un grupo electrógeno a sus condiciones naturales de funcionamiento frente a la aparición y supresión súbita de carga. Más en concreto, se presta principal atención a impactos negativos de carga (cuando desaparece y el motor se embala). Por otro lado, se empleará un microcontrolador de la familia Renesas (RX631) por lo que el diseño de hardware vendrá supeditado a los requisitos funcionales del microcontrolador y por supuesto los costes de los mismos. 4.- Resultados y conclusiones Tras realizar las pruebas de varios impactos de carga a 50Hz y 60Hz, se obtienen los siguientes resultados: 1.- Tensión de alimentación de la tarjeta reguladora Midiendo los valores de tensión en el bobinado auxiliar del grupo de 200kVA a 60Hz en un impacto de 0-100%, se obtienen valores eficaces de hasta 284 voltios por lo que se diseñará una tarjeta que soporte hasta 300V

2.- Rampa de protección por baja frecuencia Frente a un impacto del 0-100% de la carga el grupo de 200kVA a 50Hz no era capaz de recuperarse. Por ello, en el AVR digital se diseñará una rampa de protección por baja frecuencia variable que variará la cantidad de voltios que caen por hercio en función de lo establecido previamente por el usuario.

3.- Supresión del puente de 50/60Hz Las tarjetas reguladoras analógicas tienen dos pines físicos que se puentean o no en función de si la máquina trabaja a 50 ó 60 hercios. Puesto que a finalidad del AVR es que esté presente en grupos electrógenos que puedan funcionar en paralelo con otros grupos en isla o con la red, ajustar vía CAN el régimen de funcionamiento del AVR ahorrará una gran cantidad de tiempo.

4.- Tiempos de recuperación de la tarjeta Analizando los tiempos de recuperación en los impactos negativos más críticos, se estima en un máximo de 3 segundos.

DEVELOPMENT OF A DIGITAL AVR USED IN GENERATING SETS Author: Elum Muelas, José Juan. Director: Ibáñez Guerrero, Carlos. Entidad Colaboradora: Himoinsa S.L. & Dismuntel S.A.L. PROJECT SUMMARY 1.- Introduction Generating sets have evolved over the years to keep on delivering solutions to load balancing or network failures, and electronic regulation has played a leading role with the development of the AVR (Automatic Voltage Regulator). The main function of an AVR is the adjustment of an alternator´s excitation current, through an exciter, depending on the output voltage referenced in the stator of the same. The aim of the present thesis is to collaborate with two companies, Himoinsa, and Dismuntel, in the development of a digital AVR that increases the performance and versatility of the board including a microcontroller. 2.- State of the art Generating sets are constituted by an engine and an alternator managed through a control panel. The control panel, is a station that monitors the energy produced by the alternator, as well as all engine control parameters in order to ensure proper operation and to detect potential failures. In particular, self-excited alternators (installed in the vast majority of these generators) have an analogue automatic voltage regulation (AVR) board, which is responsible for exciting the main stator of the alternator depending on the voltage output measured. The fact of being an analogue control board and having very limited constructive aspects, avoids the control panel from having direct access on the board. Therefore, implementing a micro-controller on the PCB will facilitate a direct communication with the control panel and a more precise adjustment of parameters. 3.- Methology Por otro lado, se empleará un microcontrolador de la familia Renesas (RX631) por lo que el diseño de hardware vendrá supeditado a los requisitos funcionales del microcontrolador y por supuesto los costes de los mismos. In order to develop a digital AVR, this project aims to first establish the essential performance requirements of the board by analyzing the behavior of an analog AVR and then develop the hardware of the CAN communication protocol which will be used to control the parameters of the AVR depending on the rest of measures taken on the generating set. To study the behavior of an analog AVR, load impacts are carried out in two gensets that work at 50 Hz (1500 rpm) and 60 Hz (1800 rpm). One of them will be able to generate 60kVA and another one 200kVA. Load impacts will be defined by the ISO-8627 governing the recovery time of a generator to their standard conditions of operation against the emergence and sudden removal of load. On the other hand, a microcontroller from Renesas (RX631) will be used for the hardware design, which will be subjected to functional microcontroller requirements and of course the costs of the components 4.- Results and conclusions After testing several load impacts at 50 Hz and 60 Hz, the following results and conclusions are obtained: 1.- Supply voltaje of the board Measuring voltage values in the auxiliary winding of the 200kVA genset at 60 Hz in a 0-100% impact, a voltage of 284 volts is obtained. Therefore the board will be design in order to be able to put up with 300 volts.

2.- UFRO´s protection ramp After a load impact from 0-100% in the 200kVA genset at 50 Hz, the machine was not able to recover into nominal conditions. Therefore, the digital AVR will be designed with a variable ramp low frequency protection that will vary the amount of volts that fall by Hertz according to the user configuration

3.- Removal from the 50/60Hz jumper Analog AVR have two physical pins that will be bypassed or not depending on whether the machine works at 50 or 60 Hertz. Since the purpose of the AVR is to be present in generators that operate with other groups, or with the grid, the adjustment via CAN of the AVR will save a lot of time.

4.- Recovery time Analyzing the most critical load impacts, the estimated recovery time is a maximum of 3 seconds.