Grupuri electrogene sunt echipamente care genereaza si furnizeaza energie electrica. Un motor termic alimentat cu benzina sau motorina (iar mai nou cu gaz metan sau GPL) pune in miscare rotorul unui alternator care produce la bornele infasurarilor sale o tensiune electrica.
Pe acest principiu clasic se greveaza tehnologii de ultima generatie: motoare ecologice si cu consum redus, sisteme moderne de control a turatiei, controlere electronice pentru supravegherea parametrilor mecanici si electrici, sisteme electronice complexe de cuplare si decuplare a sarcinii, s.a.
Care sunt domeniile de utilizare ?
Exista doua regimuri de utilizare ale grupurilor electrogene:
· Regim de functionare continua (prime) – atunci cind nu exista posibilitatea de conectare a consumatorilor la o retea distributie a energiei electrice sau cind conectarea este prea costisitoare ori ridica probleme tehnice deosebite
Exemple: alimentarea cabanelor, caselor de vacanta si altor cladiri izolate, alimentarea unor utilaje si echipamente sau chiar a unor santiere, producerea de energie electrica pe nave, iahturi, platforme maritime, alimentarea cu energie a aeronavelor pe aeroporturi, utilizarea in scopuri de divertisment in concedii si vacante, alimentarea cu energie pentru spectacole, concerte si evenimente, organizate in aer liber, pentru scopuri militare, etc.
· Regim de interventie in caz de avarie (stand-by) - ca surse auxiliare independente folosite la caderea retelei primare de alimentare cu energie. In acest caz se alimenteaza prin grupul electrogen numai acei consumatori considerati vitali: pompe de incendiu, lifturi, iluminat de siguranta, pompe de circulatie, etc.
Exemple: case si vile private, cladiri publice, mari magazine si restaurante, hoteluri, malluri, stadioane, aeroporturi, etc. (pentru evitarea panicii create si a fenomenelor antisociale), statii de carburanti, situuri industriale in care procesele ce au loc nu permit, devin incontrolabile sau produc pierderi mari in absenta energiei electrice, etc
Cum se pot clasifica aceste grupuri electrogene?
Grupurile se pot clasifica in functie de:
- regimul de utilizare (prime si stand-by)
- putere (de la fractiuni de KVA la mii de KVA)
- alimentarea si caracteristicile motorului termic (pe benzina, motorina, gaz metan, GPL, cu racirea pe apa sau aer, cu aspiratie simpla sau turbo, etc)
- parametrii electrici ai energiei furnizate (monofazate, trifazate, la 50 sau 60 Hz, cu alternator de constructie speciala)
- mobilitatea echipamentului (fix, mobil pentru tractari lente sau rapide)
- gradul de insonorizare (cu sau fara carcasa de insonorizare, cu insonorizare speciala)
In primul rind tensiune nominala, frecventa si puterea electrica maxima furnizata.
Producatorii de grupuri electrogene dau mai multi parametri legati de putere, pe care ii denumesc in mod diferit dar principial sunt 2 parametri importanti:
- Puterea in regim continuu (PRP) este puterea maxima disponibila pe durata unei secvente de variatie a puterii de la 65% la 80%, care poate fi utilizata cu numar nelimitat de ore pe an, intre intervalele de intretinere, fara a provoca modificari functionale si defectiuni motorului termic. Este permisa o supraincarcare de 10% timp de maxim o ora la fiecare 12 ore de functionare
- Puterea de timp limitat (LTP), este puterea maxima a grupului electrogen, pe care acest a este capabil sa livreze pana la maxim 500 ore anual din care maxim 300 de fuctionare continua, intre intervale de intretinere. Este acceptat ca acest tip de operare va afecta durata vietii grupului electrogen.
La grupurile electrogene puterea se masoara in KVA. Relatia intre puterea aparenta si puterea reala (masurata in KW) este data de: P(kw) = P(kva) * cos fi (la grupurile uzuale, cos fi = 0.8)
Parametrii mecanici ai motorului: puterea mecanica (CP), numarul de cilindri, cilindreea (cmc), alezajul si cursa pistonului (mm), turatia motorului (rpm), tipul aspiratiei, debitele de aer pentru combustie, pentru ventilatie si a gazelor esapate (mc/ora), consumul specific de carburanti (litri/ora - pentru 25%, 50%, 75% si 100% din putere), consumul specific de lubrifianti (litri/ora), tipul regulatorului, volumul rezervoarelor de carburanti, lubrifianti si al lichidelor de racier (litri), tipul racirii, s.a.m.d.
Parametrii electrici ai alternatorului: tipul alternatorului (generatorului propriu-zis), tipul excitatiei, numarul de terminale ale infasurarilor, randamentul electric, cos fi, gradul de protectie, clasa de insularizare, variatiile maxime de frecventa si tensiune, abaterea armonica maxima, gradul de interferenta radio, etc.
Parametrii grupului in ansamblu: factorul de zgomot (dB sau Lwa) si tipul insonorizarii, dimensiunile, greutatea, temperaturile minime si maxime de functionare si stocare, autonomie medie (se obtine prin impartirea volumului rezervorului de carburanti la consumul specific pentru 75% din putere - mai jos se va explica de ce la acest consum si nu la cel pentru puterea maxima), metoda antivibratorie utilizata, modul de imbinare motor – generator, s.a.m.d
Parametrii de control si protectie ai grupului: presiunea la ulei, absenta/prezenta ulei, temperatura motorului si a lichidului de racire, absenta/prezenta combustibil, nivelul combustibilului, prezenta fazelor, tensiunea si frecventa furnizata de grup, turatia motorului.
In functie de acestea protectiile sunt: la presiunea scazuta a uleiului, la lipsa uleiului, la supraincalzirea motorului, la lipsa combustibilului, la lipsa unei faze, la suprasarcina, la scurtcircuit, etc. Iesirea din parametri poate fi semnalizata si prin lampi de avarie si semnale acustice.
Acesti parametri sunt valabili atit pentru panourile manuale cit si pentru cele automate (cunoscute si ca AAR uri)
In cazul panourilor automate, mai apar urmatorii parametri de conectare: timpii de intirziere la caderea tensiunii, la pornirea motorului, la cuplarea sarcinii, la decuplarea sarcinii, la oprirea motorului, timpul minim de interventie a grupului, numarul de incercari de pornire a motorului, tensiunile minime si maxime de interventie pe linie si pe faze, frecventele minime si maxime de interventie, s.a.m.d
Pentru grupurile moderne, cu panouri de automatizare construite cu microcontrolere si procesoare, toti parametrii de mai sus sunt programabili.
Principiul de baza a fost enuntat la inceput. Acum vom prezenta in detaliu modul de functionare al unui grup electrogen in regim stand-by, de interventie la avarie.
Generarea tensiunii electrice in alternator (numit si generator propriu-zis) se face pe baza efectului inductiv al curentului electric. Se folosesc de regula alternatoare sincrone, autoexcitate, pentru o mai buna precizie a reglarii parametrilor electrici.
Atunci cind sarcina creste, turatia grupului tinde sa se micsoreze. In acest moment intervine regulatorul de turatie, care comanda alimentarea suplimentara a motorului si revenirea la turatia nominala. De stabilitatea aceastei turatii mecanice depinde in mare parte stabilitatea parametrilor tensiune si frecventa si deci, performantele electrice ale grupului electrogen. La micsorarea sarcinii efectul regulator este invers.
Daca motorul nu are ulei suficient sau deloc, daca temperatura acestuia este prea ridicata, daca turatia nu este cea potrivita, protectiile corespunzatoare intra in actiune pentru a proteja motorul, elementul cel mai scump din acest ansamblu.
Un grup electrogen in regim stand-by este format din grup si din panoul de automatizare (AAR). Panoul are rolul de a monitoriza principalii parametri electrici si mecanici ai grupului precum si de a decide si controla inverventia grupului electrogen.
Orice panou are doua intrari si o iesire electrica si se cupleaza astfel: pe intrarea de la retea se introduce un cablu (mono sau trifazat) care vine de la reteaua primara de energie (sistemul natuonal), pe intrarea de la grup se conecteaza un cablu de aceleasi dimensiuni venind de la grupul electrogen, iesirea (un cablu de aceeasi putere) conectindu-se la sarcina.
In acest mod, alimentarea de la reteaua primara, trece in permanenta prin AAR care ii monitorizeaza parametrii electrici: tensiune si frecventa. Daca acesti parametri nu se incadreaza in limitele programate in AAR sau daca avem de a face cu caderea unei faze ori cu o cadere totala de tensiune, panoul va decupla sarcina de la reteaua nationala, va comanda pornirea grupului electrogen si, dupa stabilizarea turatiei acestuia, va cupla sarcina la grupul electrogen.
Pentru a realiza acest lucru, AAR ul are o parte centrala de executie formata din doi contactori cu interblocare electrica si mecanica. Un contactor cupleaza sarcina la reteaua electrica primara, un altul o cupleaza la grupul electrogen. Interblocarea electrica si mecanica are scop impiedicarea cuplarii simultane a sarcinii atit la reteaua nationala cit si la grupul electrogen ceea ce ar insemna de fapt o scurtcircuitare a celor 2 surse de tensiune, cu deteriorarea ireversibila a grupului electrogen.
Daca motorul nu porneste la prima comanda AAR ul stie sa ii dea mai multe comenzi de pornire, de durata si cu pauze corespunzatoare, astfel incit sa nu innece motorul. Daca motorul nu porneste, se semnalizeaza avarie. Daca porneste, se asteapta un anumit timp pina cind turatia motorului ajunge la cea nominala si motorul se incalzeste suficient dupa care se cupleaza sarcina. Cuplarea prematura a unei sarcini la limita poate avea ca efect oprirea imediata motorului.
Pe parcursul alimentarii de la grupul electrogen panoul automat monitorizeaza parametrii electrici si mecanici ai grupului oprindu-l in caz de urgenta pentru a-l proteja si pentru a proteja sarcina.
La revenirea tensiunii de alimentare, dupa o anumita perioada de stabilizare, sarcina se decupleaza de pe grup si se recupleaza la reteaua nationala. Motorul va continua sa functioneze un timp, atit pentru racire cit si din motive de prevedere.
Panoul automat permite si vizualizarea intr-o forma sau alta (analogic sau digital) a unor parametri electrici de functionare, poate permite setarea unor alarme sunore si/sau luminoase, contorizeaza orele de functionare, iar in cazul unor disfunctionalitati afiseaza unele mesaje care pot conduce la identificarea defectului.
O optiune importanta prezenta pe unele panouri cu microcontroler este cea de testare manuala si automata. Testarea manuala inseamna posibilitatea de a porni grupul fara cuplarea sarcinii pentru a vedea daca acesta este in parametrii corecti de functionare.
Testarea automata se refera la programarea pornirii grupului la anumite intervale de timp, in mod automat, pentru o anumita perioada de timp. (de ex. o data pe saptamina pentru 10 minute).Pe parcursul testului sarcina nu este cuplata, se porneste numai motorul.
Aceasta facilitate este foarte importanta din doua motive: Pe de o parte, pornirile regulate, faciliteaza o pornire mai usoara in caz de avarie, creeaza un ciclu de exploatare a motorului mai aproape de conditiile normale. Imaginati-va cear fi sa aveti o avarie la 9 luni, timp in care motorul nu a pornit deloc, si ce ar insemna ca el sa fi pornit in acest rastimp in fiecare saptamina. Pe de alta parte pornirile regulate vor duce la consumarea carburantilor din rezervor si implicit la inlocuirea acestora, stiut fiind faptul ca daca acesti combustibili stau o perioada indelungata in rezervor, ei isi pierd o parte din caracteristici si ingreuneaza pornirea motoarelor.
Panoul de automatizare se alimenteaza, cum este si normal, de pe grupul de baterii al grupului. Deoarece aceste baterii se pot descarca in urma unor tentative repetate de pornire, in panou se afla si un incarcator de baterii de curentul mic, in jur de 100 mA. Incarcatorul este de putere mica deoarece functioneaza tot timpul cit este prezenta tensiunea de la retea. Cind functioneaza grupul, bateria se alimenteaza dupa principiul clasic, de la alternatorul motorului.
In primul rind trebuie cunoscut ca la cuplarea sarcinii, un grup electrogen NU se comporta ca reteaua nationala care poate prelua sarcini considerabil de mari. Sarcina pe care o poate prelua grupul electrogen este strict limitata de puterea grupului. Se stie ca la cuplarea unei sarcini curentul instantaneu este foarte mare putind ajunge de 3-10 ori curentul nominal, functie de natura sarcinii. Din acest motiv si puterea instantanee necesara este mare, ea neputind fi practic acoperita printr-o supradimensionare corespunzatoare a grupului datorita costurilor ridicate. Din acest motiv, trebuie sa facem un compromis intre dimensiunea grupului si sarcina pe care ne decidem sa o alimentam.
In al doilea rind trebuie sa se stie ca energia produsa in acest fel nu este in mod automat mai ieftina decit cea din sistemul national. La ora actuala in Romania, la preturile carburantilor si ale energiei electrice productia de energie proprie cu grupuri electrogene este mai ieftina decit energia furnizata de sistemul national numai la puteri peste aproximativ 300 - 350 KVA.
In aproximarea de mai sus se ia in calcul faptul ca in Romania NU se acorda (cum ar fi normal) scutire de plata accizelor pentru combustibilii folositi in scopul producerii de energie electrica desi aceasta este un interes vital si nu un lux. In acest calcul se iau preturile normale ale energiei electrice si nu pe cele la ore de virf (cind energia este mult mai scumpa) sau preturile aplicate in cazul depasirii cotelor alocate de putere. De asemenea nu se iau in calcul costurile de investitii.
In al treilea rind: energia este obtinuta prin arderea de combustibili lichizi si, chiar daca motoarele utilizate sunt eficiente si ecologice se pot ridica anumite probleme de mediu in cazul utilizarii grupurilor in regim continuu. In plus in cazul grupurilor mari este necesara si manipularea unor cantitati mari de combustibili (cu rezervoare auxiliare, etc)
Cum alegem un grup electrogen?
In primul rind trebuie sa cunoastem bine aplicatia pentru care dorim un grup electrogen: dorim alimentarea unei vile sau case de vacanta in caz de avarie ? sau a unui proces industrial? sau a unei cabane in virful muntelui ? sau alimentam niste utilaje undeva in cimp ? Deci grupul va trebui sa fie pentru regim continuu sau interventie in caz de avarie ?
Apoi, grupul trebuie sa fie monofazat (aceasta optiune este standard doar pentru grupuri de pina la 10-12 KVA) sau trifazat ? Daca avem consumatori monofazati de putere mai mare de 10-12 KVA, atentie: trebuie rezolvata si problema echilibrarii sarcinilor pe cele trei faze. Daca aceasta nu este posibil, atunci se apeleaza la echipamente electronice de putere care sa faca conversia (ex UPSuri). Atentie: functionarea de lunga durata cu dezechilibre intre faze mai mari de 30-35% poate atrage defectarea ireversibila a grupului electrogen.
Grupul trebuie sa fie mobil sau fix ? Daca este mobil, la ce viteze se tracteaza ?
Unde urmeaza sa fie instalat grupul? Daca este in interiorul unei cladiri, are nevoie de insonorizare sau nu? Daca este in exterior are nevoie de container special sau o simpla insonorizare este suficienta ? Pentru grupurile instalate in exterior trebuie acordata atentie si la temperaturile minime de functionare desi majoritatea au o rezistenta electrica comandata care incalzeste baia de ulei, facilitind astfel pornirea grupului.
Este sistemul de racire important ? Daca avem un grup ales la limita sau care va functiona intr-un regim dur de temperatura (temperaturi externe ridicate) atunci ar fi de preferat o racirea cu lichid desi iarna trebuie avut grija la calitatea antigelului care trebuie schimbat o data la maxim doi ani. Daca aplicatia este usoara si se doreste un grup mai zvelt se va prefera racirea pe aer.
Este vorba de un grup normal sau de o constructie speciala ? Exemple de grupuri de constructie speciala: care furnizeaza 690 V (sau o alta tensiune trifazata) sau care furnizeaza curent continuu; grupuri cu grad ridicat de insonorizare (indeosebi pentru cinematografie); grupuri cu racire auxiliara apa – apa (folosite de obicei in mediul naval); grupuri cu turn de iluminare atasat; grupuri cu acoperiri speciale anticorozive (in domeniul naval), etc.
Constructiile speciale se pot extinde si la automatizare, cele mai remarcabile fiind grupurile care se utilizeaza pentru virfurile de sarcina ale retelei primare, care preiau acest virf de sarcina si care se conecteaza in sincronism cu reteaua, putind debita energie in aceasta retea !
In sfarsit intrebarea cea mai importanta: care este puterea de care avem nevoie ? Daca pentru aplicatiile casnice problemele sunt oarecum mai simple, in cazul aplicatiilor profesionale este necesar a se efectua niste calcule de putere.
Calculul incepe prin alegerea consumatorilor pe care trebuie sa ii alimentam in caz de avarie a retelei primare. Cel mai adesea la aplicatiile neindustriale (de ex. un supermarket) avem nevoie de: pompele de incendiu, iluminatul de siguranta, lifturi, centrala termica, centrala de alarmare, un circuit de prize de siguranta, reteaua de calculatoare si case de marcat, sistemele de comunicatie, etc.
Daca alimentarea de siguranta implica si consumatori monofazati de diferite puteri, atunci in plus, trebuie sa avem grija la repartizarea pe faze.
Suma puterilor consumatorilor se transforma din KW in KVA, se inmulteste cu un coeficient de supradimensionare la pornire de 1.5 – 2.5 (un coeficient de 1.7 este de cele mai multe ori satisfacator, mai ales ca probabilitatea de a fi conectati simultan toti consumatorii la maxim de putere, in momentul unei avarii, este relativ redusa). O anumita incertitudine ramine totusi si acesta este de fapt compromisul care trebuie realizat. Bineinteles ca ideal ar fi sa luam toata puterea instalata in cladire, sa o inmultim cu un coeficient de 5 si sa comandam grupul la acea putere. Daca am face astfel grupul s-ar putea sa coste cu un ordin de marime mai mult si in plus cheltuielile de exploatare vor fi si ele exagerate.
Din aceasta cauza cladirile care necesita alimentarea cu grup electrogen ar trebui proiectate de la inceput cu circuite speciale de alimentare de avarie la care sa fie conectati toti consumatorii vitali. Din pacate, majoritatea proiectantilor nu fac acest lucru. Modificarile ulterioare de retele sunt deosebit de costisitoare si atrag si tulburari ale ciclilor de productie.
Un exemplu practic: pentru alimentarea unei case de locuit permanent cu 2-4 persoane, 4-6 camere, cu centrala termica proprie, statie hidrofor proprie, o putere de 4-5 KVA va asigura in caz de avarie nu numai necesarul dar si un anumit grad de confort prin alimentarea a citorva prize de siguranta pentru televizor, calculator, frigider si iluminat de siguranta.
