Este documento presenta una serie de diapositivas para un curso sobre dinámica de sistemas de potencia. Incluye introducciones a fenómenos dinámicos y transitorios, modelos de máquinas síncronas, parámetros de inductancia de máquinas rotativas, análisis transitorio usando la transformada de Park, y máquinas de polos salientes. El documento proporciona la base teórica para el análisis del comportamiento dinámico de sistemas de potencia.
Una estrategia de seguridad en la nube alineada al NIST
Dinámica de Sistemas de Potencia
1. Manfred F. Bedriñana Aronés
Doctor en Ingeniería Eléctrica
Ingeniero Electricista C.I.P. Nº 95644
2016
Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Sección de Posgrado y Segunda Especialización
Maestría en Ciencias con
Mención en Sistemas de Potencia
Expositor :
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de
Potencia
2. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Capítulo 3
Modelo de Máquina Síncrona
3. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Introducción a los Fenómenos
Dinámicos y Transitorios en
Sistemas de Potencia
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A. Fenómenos dinámicos
Intervalos de tiempo de ocurrencia de fenómenos dinámicos
Fenómeno de onda (μseg a mseg): línea de transmisión de alta tensión y propagación de
ondas electromagnéticas causadas por descargas u operaciones de switcheo.
Fenómeno electromagnético (mseg a 1 seg): perturbaciones afectando devanados en las
máquinas, sistemas de protección o interacción entre máquinas.
Fenómeno electromecánico (1 seg. a varios seg.): oscilaciones de masas girantes de
generadores y motores despues de una perturbación, sistemas de protección y control de
velocidad y tensión.
Fenómeno termodinámico (varios seg. a más de 1 hora): control de calderas, plantas a vapor
con control automático de generación.
5. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Tiempo de duración de fenómenos transitorios
A. Fenómenos dinámicos
6. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Rango de frecuencia de fenómenos transitorios
A. Fenómenos dinámicos
7. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Agrupación por rango de frecuencia de fenómenos transitorios
A. Fenómenos dinámicos
8. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Perturbación:
salida de línea
B. Análisis en estado estacionario y transitorio
Estado transitorio Estado estacionario
9. Maestría en Ingeniería Eléctrica
Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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Análisis de sistemas de potencia asociado a condiciones normales y
anormales (fallas en el sistema)
C. Forma general de análisis
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Introducción a Parámetros de
Inductancia de Máquinas Rotativas
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A. Parámetros de inductancia (1)
12. Maestría en Ingeniería Eléctrica
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A. Parámetros de inductancia (2)
13. Maestría en Ingeniería Eléctrica
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A. Parámetros de inductancia (3)
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B. Ejemplo (1)
Línea
central
de flujo
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B. Ejemplo (2)
Línea
central
de flujo
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B. Ejemplo (3)
Línea
central
de flujo
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B. Ejemplo (4)
Línea
central
de flujo
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Análisis Transitorio de las
Maquinas Síncronas –
Transformación de Park
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A. Máquinas Síncronas
Modelo en estado estacionario
La fmm del rotor y la fmm del estator son estacionarios con respecto a la otra.
El flujo concatenado en el rotor son invariantes con el tiempo.
No se inducen tensiones en los circuitos del rotor.
Modelo de estado transitorio
Cambios en los flujos
concatenados con el tiempo.
Ecuaciones diferenciales
tienen coeficientes
variables en el tiempo.
Transformada de Park.
Comportamiento dinámico
Periodo sub transitorio
Periodo transitorio
Periodo de estado estacionario.
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B. Análisis Transitorio
El análisis de transitorios se aplicará en el estudio dinámico de los
generadores
Los generadores experimentan un comportamiento dinámico durante
Cambios de cargas
Fallas
Considerar el comportamiento transitorio de un circuito RL con una fuente
de tensión conmutada
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La fuente de tensión es sinusoidal:
La ecuación asociada a la ley de tensiones de Kirchhoff:
donde
Término de estado
estacionario
Término de estado transitorio
(transitorio DC depende de α, instante de
cierre del interruptor)
B. Análisis Transitorio
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C. Ejemplo
Obtener la solución de la corriente en el dominio del tiempo
Se presenta una falla en el generador con las siguientes características
Que resulta si
La corriente offset DC es cero
La corriente offset DC es máxima
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C. Ejemplo
(valor de corriente transitoria DC cero)
(valor de corriente transitoria DC máxima)
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C. Ejemplo
Corriente offset
DC cero.
Corriente offset
DC máximo.
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Máquinas síncronas
Los modelos y análisis se elaboraron previamente para el comportamiento en
estado estacionario
Los campos magnéticos del rotor y del estator son estacionarios uno con respecto al
otro.
El enlace del flujo en el circuito del rotor son constantes en el tiempo.
El circuito equivalente por fase viene a ser una fuerza electromotriz constante en serie
con una impedancia simple.
En condiciones transitorias (variable en el tiempo) los supuestos anteriores ya no
son validos
Cambios de la corriente del estator se reflejan en un flujo concatenado dinámico.
Al cambiar el flujo concatenado induce corrientes en el rotor.
Corrientes transitorias en el rotor reaccionan con el estator y las tensiones inducidas.
D. Análisis Transitorio de Generadores
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E. Modelo de Máquinas Síncronas
La máquina síncrona consiste en:
Tres bobinados del estator de corriente alterna montado en el estator.
Un devanado de campo montados en el rotor.
Dos devanados ficticios modelados como devanados amortiguadores
cortocircuitados.
Cuando se modela se asume lo siguiente:
Una referencia de rotación síncrona con una velocidad w
El eje de referencia está a lo largo de la fase a en un tiempo igual a cero.
Para el análisis de transitorios de una máquina síncrona ideal:
La máquina es representada como un grupo de circuitos girantes acoplados
magnéticamente con inductancias que dependen de la posición angular del rotor.
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E. Modelo de Máquinas Síncronas
Eje directo
Eje de cuadratura
Eje de referencia (fase a)
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E. Modelo de Máquinas Síncronas
Esquema de circuitos acoplados mutuamente
Nota: Inductancias dependen de la
posición angular del rotor
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Las ecuaciones de tensiones de Kirchhoff para el modelo
E. Modelo de Máquinas Síncronas
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Las ecuaciones de inductancia magnética
E. Modelo de Máquinas Síncronas
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F. Máquina de Polos Salientes
Hay dos tipos de construcción del rotor
Cilíndrico
Saliente
El rotor cilíndrico tiene un espacio
de aire uniformemente espaciado
y una inductancia propia constante.
La saliente tiene un entrehierro de aire
no uniforme y una inductancia propia
que varia de forma periódica
La inductancia es máxima cuando
el eje directo coincide con el
eje magnético del devanado del estator
La inductancia es mínima cuando
el eje cuadratura coincide con el
eje magnético del devanado del estator.
Cilíndrico
Saliente
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F. Máquina de Polos Salientes
La máquina de polos salientes puede ser representado por los cosenos de las
segundas armónicas
Inductancias del estator
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F. Máquina de Polos Salientes
Inductancias del rotor
Todas las inductancias propias del rotor son constantes ya que los efectos de las
ranuras el estator son despreciados
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F. Máquina de Polos Salientes
Inductancia mutua entre los circuitos del estator y el rotor
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G. Transformada de Park
Cambios en el marco de referencia abc al marco de referencia dq0
Tensiones y corrientes en el estator se cambian a los valores equivalentes en el
marco de referencia del rotor.
La transformación se basa en la teoría de los dos ejes.
Las magnitudes eléctricas se proyectan en los tres nuevos ejes:
Eje directo, a lo largo del eje directo del devanado de campo del rotor
Eje de cuadratura, ortogonal al eje directo del devanado de campo del rotor
Eje cero, es un eje estacionario
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La corriente en la transformada de Park
Del mismo modo se aplicara a todas las magnitudes eléctricas
en notación matricial
G. Transformada de Park
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La transformación de la inductancia variable en el tiempo para obtener un
marco de referencia para el rotor
G. Transformada de Park
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Matriz resultante de inductancia
G. Transformada de Park
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Aplicar la transformación al modelo de tensiones de la máquina
G. Transformada de Park
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Evaluar la expresión
G. Transformada de Park
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Sustituyendo los términos originales en la transformación
G. Transformada de Park
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Modelo Circuital
G. Transformada de Park
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Modelo Circuital
G. Transformada de Park
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Observaciones
La transformación tiene coeficientes constantes, esto es, la velocidad es asumida
constante.
La primera ecuación (secuencia cero) no se acopla a las otras ecuaciones y se
pueden tratar por separado.
Aunque la técnica de transformación es un proceso matemático, este da una idea
importante de los fenómenos internos del rotor y los efectos de los transitorios.
G. Transformada de Park
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H. Cortocircuito trifásico balanceado
Considere un generador síncrono funcionamiento a 60 Hz con excitación
constante.
Examine el impacto en las corrientes del estator cuando un cortocircuito
trifásico es aplicado a los terminales del generador.
Corrientes iníciales
Las tensiones después de aplicar la falla
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Reordenando la ecuación y despreciando el término de secuencia cero
H. Cortocircuito trifásico balanceado
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En la forma de matriz (o la forma del espacio de estado), la ecuación puede
ser reescrita
Utilizando la transformada de Laplace o integrando
H. Cortocircuito trifásico balanceado
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I. Ejemplo de cortocircuito trifásico en un generador
Un generador de 500 MVA, 30kV sin carga
y tensión de excitación constante de 400 V.
Un cortocircuito trifásico ocurre en los
terminales. Obtener la forma de onda
transitoria de la corriente en cada fase y el
devanado de campo. Se asume un = 0.
Use el programa symshort.m combinado
con el comando ode45 de MATLAB.
Falla aplicada en el instante en que el eje del
rotor está a lo largo del eje magnético a.
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I. Ejemplo de cortocircuito trifásico en un generador
Programa symshort.m
function iprime =symshort(t,i)
f=60.; w=2.*pi*f;
% Parameters of a 500 MVA, 30 kV Synchronous Machine
LF = 2.500; LD = 0.0068; LQ = 0.0016; Ld = 0.0072; Lq = 0.0070;
MF = 0.100; MD = 0.0054; MQ = 0.0026; MR = 0.1250;
ra = 0.002; rF = 0.4000; rD = 0.015; rQ = 0.0150;
VF = 400; % DC field voltage
V = [0; -VF; 0; 0; 0]; % Voltage column vector
k=sqrt(1.5);
R = [ra 0 0 w*Lq w*k*MQ
0 rF 0 0 0
0 0 rD 0 0
-w*Ld -w*k*MF -w*k*MD ra 0
0 0 0 0 rQ];
L = [Ld k*MF k*MD 0 0
k*MF LF MR 0 0
k*MD MR LD 0 0
0 0 0 Lq k*MQ
0 0 0 k*MQ LQ];
Li=inv(L);
iprime=- Li*V - Li*R*i;
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I. Ejemplo de cortocircuito trifásico en un generador
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I. Ejemplo de cortocircuito trifásico en un generador
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I. Ejemplo de cortocircuito trifásico en un generador
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I. Ejemplo de cortocircuito trifásico en un generador
Componente de frecuencia fundamental (60 Hz)
Componente DC
Componente de frecuencia doble (120 Hz)
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Para el funcionamiento en estado estacionario, los generadores son
representados con una fem constante detrás de una reactancia síncrona, xs.
Para los rotores de polos salientes, hay reactancias en el eje directo y el eje de
cuadratura.
Bajo condiciones transitorias, hay cambios de reactancia de la máquina
debido al efecto de la reacción de armadura y las corrientes de Foucault en
los circuitos amortiguadores.
Para el análisis es útil imaginar la reactancia síncrona compuesta de tres
componentes:
Reactancia en el eje directo sub transitorio
Reactancia en el eje directo transitorio
Reactancia en el eje directo en estado estacionario
Estas reactancias transitorias tienen asociadas una constante de tiempo
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Visualización del modelo.
Considere el devanado de campo y devanados amortiguadores como los
secundarios de un transformador (o el rotor de un motor de inducción)
El estator es el devanado primario.
Para condiciones de estado estacionario (velocidad de sincronismo) no hay
acción de transformación, esto puede ser modelado como un circuito abierto en
el secundario del transformador
Por las condiciones dinámicas, la velocidad no es síncrona y el devanado de
campo y los devanados amortiguadores aparecen como cortocircuito en el
secundario .
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Reactancia sub transitorio en el eje directo
Modelo del circuito
Ecuaciones
Reactancia subtransitoria
de eje directo
Constante de tiempo subtransitorio
de cortocircuito de eje directo.
(alrededor de 0.035 seg.)
Reactancia y
Resistencia de
devanado de
amortiguamiento
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Curso EE-60 – Dinámica de Sistemas de Potencia
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Reactancia transitoria en el eje directo
Modelo del circuito
Ecuaciones
Reactancia transitoria
de eje directo
Constante de tiempo transitorio
de cortocircuito de eje directo.
(alrededor de 1-2 seg.)
Reactancia y
Resistencia de
devanado de
campo
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Otras constantes para modelo en eje directo
Constante de tiempo transitorio
de circuito abierto de eje directo.
(alrededor de 5 seg.)
Aproximaciones:
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Reactancia en el eje directo en estado estacionario
Modelo del circuito
Ecuaciones
Circuito equivalente para el estado estacionario
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Modelo del generador aproximado en tres niveles
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Modelos similares se utilizan para el eje de cuadratura
Reactancia sub transitoria del eje de cuadratura xq
”
Reactancia transitoria del eje de cuadratura xq
’
Reactancia en estado estacionario del eje de cuadratura xq
Para un generador de carga, la corriente del estator después de la ocurrencia
de un cortocircuito en los terminales:
.
62. Maestría en Ingeniería Eléctrica
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Ejemplo
Una máquina trifásica 60 Hz, tiene los devanados del estator inicialmente en
circuito abierto y la corriente de campo ajustada de manera que la tensión del
terminal es su valor nominal (es decir 1,0 pu)
La máquina dispone de las constantes de tiempo siguientes:
Determinar las corrientes de cortocircuito sub transitoria, transitoria y el estado
estacionario.
63. Maestría en Ingeniería Eléctrica
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J. Modelo Simplificado de Máquina
Ejemplo
Obtenga las formas de onda de las corrientes de armadura para un cortocircuito
trifásico en los terminales del generador. Asuma que el cortocircuito es aplicado
en el instante que el eje directo del rotor está a lo largo del eje magnético de la
fase a (δ = 0).
64. Maestría en Ingeniería Eléctrica
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K. Observaciones
Diversos autores usan otra disposición del eje d,
donde este está orientado a -90° del eje q (eje d en
atraso al eje q).
Esa notación proviene de la publicación original
de la Transformación de Park.
Para ordenar el asunto, el IEEE en la siguiente
referencia:
IEEE Committee Report, "Recommended phasor
diagram for synchronous machines", IEEE Trans.
Vol. PAS-88, pp. 1593-1610, Nov. 1969.
Se recomienda el uso del eje d en adelanto al eje
q (convención de generador).
65. Maestría en Ingeniería Eléctrica
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K. Observaciones
Comparación de convenciones
La transformación de Park original no es
invariante en la potencia, por lo que la
convención revisada si cumple con esta
necesidad.