INTONIZACIÓN DEL REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
QQUUEE PPAARRAA OOBBTTEENNEERR EELL TTÍÍTTUULLOO DDEE::
IINNGGEENNIIEERROO EELLEECCTTRRIICCIISSTTAA
PPRREESSEENNTTAA::
HÉCTOR MANUEL SÁNCHEZ GARCÍA
MMÉÉXXIICCOO,, DD.. FF.. 22001100
SINTONIZACIÓN DEL REGULADOR
AUTOMÁTICO DE VOLTAJE DEL SISTEMA
DE CONTROL BASLER DECS 125-15 EN
MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS
EESSCCUUEELLAA SSUUPPEERRIIOORR DDEE IINNGGEENNIIEERRÍÍAA MMEECCÁÁNNIICCAA YY EELLÉÉCCTTRRIICCAA

Sintonización del regulador automático de voltaje del sistema de
control Basler DECS-125-15 en micromáquinas síncronas
v
DEDICATORIA
A MIS PADRES
A mis padres les doy las gracias por haberme dado la vida, por haberme dado su
cariño desde que era un niño, por haberme encaminado hacia una forma digna de
vivir, por poner ante mis ojos un gran ejemplo y por creer en mi. Con dedicatoria
para ustedes en esta simple obra, producto de mi trabajo y dedicación.
A mi padre Héctor Sánchez Ayala. Por ser un hombre con un gran espíritu de
firmeza, lucha y valor. De mi padre aprendí que las cosas que se quieren se deben
ganar día con día y que los obstáculos que se encuentran en el camino, se deben
enfrentar contundentemente para seguir adelante. Del valor de mi padre aprendí a
formar un carácter que me hace estar bien firme en toda circunstancia.
A mi madre Helia García Villegas. De mi madre aprendí que sus hijos son su mayor
riqueza. Mi madre con su gran coraje y espíritu me ha enseñado que en esta vida hay
que sacrificar algunas cosas y ganar otras. En la vida hay situaciones, cosas y
sentimientos en que no se tiene seguridad plena, de lo que estoy seguro es que el
amor de mi madre me acompañara para siempre, aun después de mi deceso.
A MIS HERMANOS
A mi hermana Mara Alejandra. Una hermana, un motivo de portarse como hombre.
Aunque tuviste que irte a la unión Americana en busca de una nueva forma de vida,
se que lo has logrado, me viste ser un niño y siempre has creido en mí.
A mi hermano Luis Michel. Hemos crecido juntos, un hermano es un mejor amigo,
con tus regaños he sabido corregir algunas actitudes.
Mi pequeña familia, puedo decir que es todo lo que tengo. Gracias por todo.
“Los esfuerzos que se hacen durante mucho tiempo traen un pequeño momento de satisfacción, estos
momentos se llevan en el recuerdo para siempre y aun cuando los verdaderos logros demandan mucho, la
grandeza de los hombres se mide por el tamaño de su espiritu.”
Hector Manuel Sánchez García

vii
AGRADECIMIENTOS
A esta gran casa de estudios, el Instituto Politécnico Nacional y la Escuela Superior
de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por darme la oportunidad de formar parte de una
generación más de ingenieros en este país, por la formación y preparación recibida
para desarrollarme en el area de la Ingeniería Eléctrica.
A mis Profesores, que semestre con semestre, cada uno en su area de labor e
investigación, con sus enseñanzas, recomendaciones y transmisión de conocimientos,
gradualmente me introdujeron en la Ingeniería Eléctrica.
Al programa de becas PRONABES, por el apoyo de su beca en los 9 semestres que
comprende esta ingeniería, fue de gran ayuda y motivación.
Al programa institucional de formación de investigadores PIFI por el apoyo de su
beca en los dos últimos semestres, al aceptarme para participar en el proyecto SIP No.
20080956 titulado: “Técnicas de Análisis Modal para Estabilidad Transitoria y de
Voltaje”, que fue de gran ayuda para mí en el desarrollo de este trabajo.
Al Dr. Daniel Ruiz Vega, por aceptar ser mi director en este trabajo, por sus
observaciones, recomendaciones y exigencia para el mejoramiento del mismo, por
tomar de una forma muy seria su labor. Por permitirme desarrollar esta tesis, en la
que pude trabajar con un equipo de valor monetario considerable y aprovechando
esta oportunidad presentar también resultados experimentales.
Al M. en C. Tomás Ignacio Asiaín Olivares, por su dirección, y gracias a su
experiencia, sus observaciones para llevar a cabo el desarrollo de las pruebas
experimentles de este trabajo, parte fundamental del mismo, pruebas que dan
sustento.
Al Dr. David Romero Romero, por sus observaciones y recomendaciones hechas
para la obtención y el analisis de la respuesta del sistema de control de excitación en
el dominio de la frecuencia.
A Gustavo Trinidad Hernandez, por su colaboración en el desarrollo de las pruebas
experimentales, llevando a cabo el registro de las mediciones obtenidas.
A Basler Electric por haber proporcionado los datos detallados del modelo de
simulación del control y detalles acerca de su ajuste adecuado.

ix
RESUMEN
El sistema de control de excitación tiene la función de proveer corriente continua al
devanado de campo de la máquina síncrona. Del sistema de control de excitación
depende que el generador síncrono tenga un desempeño óptimo, ya que responde a
situaciones que pueden presentarse durante la operación normal o por condiciones
de falla en un sistema eléctrico de potencia, de manera que regula el voltaje en
terminales del generador o en su caso en un punto externo al generador ante la
presencia de eventos como son: escalones de voltaje, pérdida y toma de carga y
condiciones de falla de corto circuito en las terminales del generador o en un punto
dentro del sistema eléctrico.
En este trabajo se pone en operación y se sintoniza el regulador automático de voltaje
PID del sistema de control de excitación digital Basler DECS 125-15 (el cual
suministra 125 V de CD y una corriente de hasta 15 A de CD al devanado de campo)
para las micromáquinas síncronas de polos salientes y polos lisos del simulador
experimental de laboratorio del grupo de investigación de fenómenos dinámicos en
máquinas eléctricas y redes interconectadas de la SEPI-ESIMEZ-IPN.
Se presenta la teoría básica del control de excitación del generador, la estructura y
operación del sistema de control de excitación digital, y la teoría de control PID
(Proporcional-Integral-Derivativo) y sintonización del regulador automático de
voltaje, que consiste en determinar los valores de los parámetros PID. Estos
parámetros deben cumplir con los índices de desempeño establecidos en las normas
internacionales IEEE y deben estar en un rango físicamente realizable por el equipo.
La sintonización es fundamental, ya que un buen desempeño del sistema de control
de excitación depende de un correcto ajuste del regulador automático de voltaje.
Aunque la sintonización se lleva a cabo utilizando simulaciones digitales con el
modelo del control de excitación, los ajustes obtenidos se validan y prueban
experimentalmente con la prueba de escalon en la referencia de voltaje con el
generador en vacío y con carga con el arranque de un motor de inducción. Los
resultados experimentales mostraron que el ajuste del regulador automático de
voltaje fue realizado correctamente.

xi
ABSTRACT
The excitation control system has the function of providing direct current to the
synchronous machine field winding. An optimal synchronous generator performance
depends on the excitation control system, since it responds to situations that can be
found in normal operation, or under fault conditions of the electric power system, in
such a way that it regulates generator terminal voltage or a voltage in a point external
to the generator in the presence of events like: voltage step changes, load rejections,
load increases and short circuit conditions at the generator terminals or in a point of
the electric system.
In this work, the process of connecting and tuning the PID automatic voltage
regulator (AVR) of a Basler digital excitation control system DECS 125-15 (providing
125 V and 15 direct current A to field winding) is presented. It is adjusted to work
connected to the synchronous salient pole and round rotor micro machines of the
experimental power systems simulator of the electric machines and interconnected
power system dynamics research group of SEPI-ESIMEZ-IPN.
This work presents the basics of generator excitation control, the structure and
operation of a digital excitation control system and the control theory and tuning of
PID (Proportional-Integral-Derivative) AVRs, which consists in determining the PID
parameter values. These parameters should meet the performance indexes
established by IEEE International standards, and should be into the feasible physical
range of the equipment. The tuning process is fundamental, since an adequate
excitation control system performance strongly depends on a correctly tuned
automatic voltage regulator.
Although the tuning process is performed using digital computer simulations with
the excitation control model, the control settings finally obtained, are experimentally
validated and tested, using a reference voltage step test with the unloaded generator
and with an induction motor starting. Experimental results showed that the
automatic voltage regulator tuning process was correctly performed.

xiii
CONTENIDO
Página
DEDICATORIA....................................................................................................................................................V
RESUMEN........................................................................................................................................................... IX
ABSTRACT ......................................................................................................................................................... XI
CONTENIDO ...................................................................................................................................................XIII
LISTA DE FIGURAS ........................................................................................................................................XV
LISTA DE TABLAS ........................................................................................................................................ XIX
GLOSARIO DE TÉRMINOS ......................................................................................................................... XXI
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN.......................................................................................................................1
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...................................................................................................................1
1.2 ANTECEDENTES ..............................................................................................................................................2
1.2.1 El proyecto de un simulador de un SEP.................................................................................................3
1.2.2 Trabajos realizados en el área de micromáquinas ................................................................................5
1.3 OBJETIVO .......................................................................................................................................................6
1.4 JUSTIFICACIÓN................................................................................................................................................6
1.5 LIMITACIONES Y ALCANCES............................................................................................................................7
1.6 APORTACIONES DE LA TESIS ...........................................................................................................................7
1.7 ESTRUCTURA DE LA TESIS...............................................................................................................................8
CAPÍTULO 2: EL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA SÍNCRONA................................11
2.1 INTRODUCCIÓN.............................................................................................................................................11
2.1.1 Sistemas de excitación .........................................................................................................................11
2.1.2 Consideraciones del generador ...........................................................................................................11
2.1.3 Consideraciones del sistema de potencia.............................................................................................12
2.2 ESTRUCTURA GENERAL DEL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA SÍCRONA .......................................12
2.2.1 Introducción.........................................................................................................................................12
2.2.2 Transductor del voltaje terminal y compensador de carga .................................................................14
2.2.3 Regulador automático de voltaje (RAV) ..............................................................................................16
2.2.4 Funciones principales de control del RAV...........................................................................................20
2.2.5 Controladores y reguladores de sistemas de excitación......................................................................23
2.2.6 Excitatriz..............................................................................................................................................27
2.3 TIPOS PRINCIPALES DE CONTROL DE EXCITACIÓN .........................................................................................34
2.3.1 Sistema de excitación tipo DC .............................................................................................................34
2.3.2 Modelo del sistema de excitación tipo AC ...........................................................................................36
2.3.3 Modelo del sistema de excitación tipo ST............................................................................................37
CAPÍTULO 3: ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN
BASLER DECS 125-15 ...........................................................................................................39
3.1 ESTRUCTURA GENERAL DEL CONTROL DE EXCITACIÓN ................................................................................39
3.1.1 Información General............................................................................................................................39
3.1.2 Características funcionales del DECS.................................................................................................41
3.1.3 Especificaciones...................................................................................................................................41
3.1.4 Descripción Funcional.........................................................................................................................43
3.2 FUNCIONES PRINCIPALES DEL CONTROL DE EXCITACIÓN BASLER DECS 125-15-B2C.................................47
3.3 MODELO DINÁMICO DEL CONTROL DE EXCITACIÓN ......................................................................................48
3.3.1 Diagrama a Bloques ............................................................................................................................48
3.3.2 Modelo de estado.................................................................................................................................51

xiv
Página
CAPÍTULO 4: CONEXIÓN Y OPERACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN
BASLER DECS 125-15...........................................................................................................57
4.1 DIMENSIONES...............................................................................................................................................57
4.2 INTERCONEXIONES .......................................................................................................................................59
4.3 OPERACIÓN ..................................................................................................................................................67
4.4 SOFTWARE “BESTCOMS”..........................................................................................................................75
4.4.1 Prueba de escalón ...............................................................................................................................82
CAPÍTULO 5: SINTONIZACIÓN DEL REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE.....................85
5.1 CONTROL PID ..............................................................................................................................................85
5.1.1 Introducción ........................................................................................................................................85
5.1.2 El principio de la retroalimentación ...................................................................................................89
5.1.3 El algoritmo básico PID......................................................................................................................90
5.1.4 Acciones básicas de control: Proporcional, Integral, Derivativa.......................................................91
5.1.5 Algoritmos PID....................................................................................................................................98
5.2 SINTONIZACIÓN DE CONTROLES PID..........................................................................................................101
5.2.1 Introducción ......................................................................................................................................101
5.2.2 Objetivo de la sintonización ..............................................................................................................102
5.2.3 Métodos de sintonización con las Reglas de Ziegler-Nichols............................................................103
5.2.4 Función de entrada escalón unitario.................................................................................................107
5.2.5 Prueba de respuesta a la entrada de escalón unitario para el método 1 de Ziegler - Nichols..........108
5.2.6 Parámetros de ajuste usando el modelo POMTM con tres parámetros............................................112
5.2.7 Índices de desempeño a pequeños disturbios de un sistema de excitación........................................112
5.3 SINTONIZACIÓN DEL CONTROL BASLER DECS 125-15...............................................................................117
5.3.1 Modelo de las micromáquinas síncronas de laboratorio ..................................................................117
5.3.2 Procedimiento seleccionado para realizar la sintonización..............................................................122
5.3.3 Prueba al escalón y determinación de los parámetros PID iniciales................................................123
CAPÍTULO 6: PRUEBAS DE VALIDACIÓN DE LA SINTONIZACIÓN .............................................127
6.1 INTRODUCCIÓN ..........................................................................................................................................127
6.2 PRUEBAS DE VALIDACIÓN MEDIANTE SIMULACIÓN ....................................................................................128
6.2.1 Prueba de validación en el dominio del tiempo mediante simulación
para la máquina de polos salientes....................................................................................................128
6.2.2 Prueba de validación en el dominio del tiempo mediante simulación
para la máquina de polos lisos ..........................................................................................................130
6.2.3 Validación mediante simulación en el dominio de la frecuencia. .....................................................132
6.2.4 Parámetros validados mediante simulación digital ..........................................................................134
6.3 PRUEBAS DE VALIDACIÓN EXPERIMENTALES..............................................................................................135
6.3.1 Micromáquinas síncronas de laboratorio .........................................................................................135
6.3.2 Equipo requerido en las pruebas.......................................................................................................139
6.3.3 Ajustes básicos del sistema de excitación comunes a todas las pruebas...........................................144
6.3.4 Pruebas de respuesta a un escalón en la referencia de control con la
máquina síncrona en vacío ................................................................................................................146
6.3.5 Pruebas de respuesta ante el arranque de un motor de inducción....................................................148
6.4 DISCUSIÓN DE RESULTADOS.......................................................................................................................150
CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES .................................................................................................................153
6.1 CONCLUSIONES ..........................................................................................................................................153
6.2 APORTACIONES DE LA TESIS.......................................................................................................................154
6.3 SUGERENCIAS PARA TRABAJOS FUTUROS ...................................................................................................155
REFERENCIAS.................................................................................................................................................157

xv
LISTA DE FIGURAS
Página
FIGURA 1.1 IDEA GENERAL DEL SIMULADOR A ESCALA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA
(ADAPTADO DE [RUIZ ET AL., 2007]).............................................................................................................3
FIGURA 1.2 LOCALIZACIÓN FÍSICA DE LAS DIFERENTES ÁREAS DEL SIMULADOR EXPERIMENTAL
(ADAPTADO DE [RUIZ ET AL., 2007]).............................................................................................................4
FIGURA 2.1 DIAGRAMA FUNCIONAL DE BLOQUES DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN DEL
GENERADOR SÍNCRONO (ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994])..........................................................................13
FIGURA 2.2 ELEMENTOS OPCIONALES DE COMPENSACIÓN DE CARGA Y TRANSDUCTOR DEL VOLTAJE
TERMINAL (ADAPTADO DE [IEEE, 2005])....................................................................................................14
FIGURA 2.3 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN COMPENSADOR DE CARGA (ADAPTADO DE [KUNDUR,
1994])..........................................................................................................................................................16
FIGURA 2.4 MODELO DEL RAV (ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994]).......................................................................17
FIGURA 2.5 ESTABILIZADOR DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN (ADAPTADO DE [PADIYAR, 2004]).............................18
FIGURA 2.6 REALIZACIÓN DEL ESTABILIZADOR DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN (ADAPTADO DE
[PADIYAR, 2004])........................................................................................................................................18
FIGURA 2.7. REDUCCIÓN DE GANANCIA TRANSITORIA (ADAPTADO DE [PADIYAR, 2004])....................................19
FIGURA 2.8 ESTABILIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN (ADAPTADO DE
[KOESSLER, 1988, KUNDUR, 1994]). ...........................................................................................................20
FIGURA 2.9 DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN CON EL
REGULADOR DE VOLTAJE EN MODO DE CONTROL AUTOMÁTICO (ADAPTADO DE [HURLEY AND
MUMMERT, 1999]). .....................................................................................................................................24
FIGURA 2.10 DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN REGULADOR DE VOLTAJE CON UN
CONTROLADOR VAR/FP (ADAPTADO DE [HURLEY AND MUMMERT, 1999]).................................................26
FIGURA 2.11 DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN REGULADOR DE VOLTAJE CON UN
REGULADOR VAR/FP (ADAPTADO DE [HURLEY AND MUMMERT, 1999]). ....................................................26
FIGURA 2.12. EXCITATRIZ DE CD CON EXCITACIÓN SEPARADA (ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994]). .....................28
FIGURA 2.13 CURVA DE SATURACIÓN DE CARGA DE LA EXCITATRIZ (ADAPTADO DE [KUNDUR,
1994])..........................................................................................................................................................29
FIGURA 2.14 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA EXCITATRIZ DE CD (ADAPTADO DE [KUNDUR,
1994])..........................................................................................................................................................31
FIGURA 2.15 EXCITATRIZ DE CD AUTOEXCITADA. (ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994])..........................................32
FIGURA 2.16 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA EXCITATRIZ DE CA. (ADAPTADO DE [KUNDUR,
1994])..........................................................................................................................................................33
FIGURA 2.17 CARACTERÍSTICA DE SATURACIÓN DE UNA EXCITATRIZ DE CD (ADAPTADO DE
[KUNDUR, 1994]). .......................................................................................................................................33
FIGURA 2.18 SISTEMA DE EXCITACIÓN TIPO DC1A (ADAPTADO DE [IEEE, 2005])..............................................35
FIGURA 2.19 SISTEMA DE EXCITACIÓN TIPO AC1A DE ALTERNADOR-RECTIFICADOR CON
RECTIFICADORES NO CONTROLADOS Y RETROALIMENTACIÓN DE LA CORRIENTE DE CAMPO DE
LA EXCITATRIZ (ADAPTADO DE [IEEE, 2005]). ...........................................................................................36
FIGURA 2.20 – TIPO ST1A- FUENTE DE VOLTAJE, EXCITATRIZ CON RECTIFICADOR CONTROLADO
(ADAPTADO DE [IEEE, 2005]).....................................................................................................................38
FIGURA 3.1 MAPA DEL TIPO DEL DECS (ADAPTADO DE [BASLER, 2002])............................................................40
FIGURA 3.2 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL DECS (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]). .............................................44
FIGURA 3.3 MODELO DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN BASLER DECS 125-15 (ADAPTADO DE [BASLER,
2002])..........................................................................................................................................................49
FIGURA 3.4 MODELO DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN BASLER DECS 125-15 EN LAZO CERRADO. ..........................51
FIGURA 3.5 MODELO DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN BASLER DECS 125-15 EN LAZO ABIERTO.............................54
FIGURA 4.1 ESQUEMA DE DIMENSIONES, VISTA FRONTAL (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]).................................57
FIGURA 4.2 ESQUEMA DE DIMENSIONES, VISTA TRASERA (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]).................................58
FIGURA 4.3 ESQUEMA DE DIMENSIONES, VISTA LATERAL (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]).................................58

xvi
Página
FIGURA 4.4 ESQUEMA DE DIMENSIONES DEL MÓDULO DE POTENCIA DEL DECS (ADAPTADO DE
[BASLER, 2002]). ........................................................................................................................................ 59
FIGURA 4.5 TERMINALES DE CONEXIONES DEL DECS, VISTA TRASERA (ADAPTADO DE [BASLER,
2002]). ........................................................................................................................................................ 60
FIGURA 4.6 CONEXIÓN TÍPICA DE SENSADO TRIFÁSICO (APLICACIÓN EN DERIVACIÓN, SECUENCIA DE
FASES A-B-C) (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]). ....................................................................................... 61
FIGURA 4.7 DIAGRAMA DE ALAMBRADO DEL DECS SINTONIZADO EN ESTE TRABAJO (ADAPTADO DE
[BASLER, 2002]). ........................................................................................................................................ 62
FIGURA 4.8 CONEXIÓN EN CORRIENTE CRUZADA (DIFERENCIAL REACTIVO) (ADAPTADO DE
[BASLER, 2002]). ........................................................................................................................................ 64
FIGURA 4.9 CONEXIÓN TÍPICA DE SENSADO DE VOLTAJE DE UNA SOLA FASE (APLICACIÓN EN
DERIVACIÓN, SECUENCIA DE FASES A-B-C) (ADAPTADO DE [BASLER, 2002])........................................... 66
FIGURA 4.10 INDICADORES Y CONTROLES DEL PANEL FRONTAL (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]). ..................... 68
FIGURA 4.11 CONEXIÓN DE COMUNICACIONES PARA PROGRAMAR EL DECS (ADAPTADO DE
[BASLER, 2002]). ........................................................................................................................................ 69
FIGURA 4.12 PANTALLA INICIAL DE COMUNICACIONES (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]).................................... 76
FIGURA 4.13 CUADRO “COMM PORT” (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]).............................................................. 77
FIGURA 4.14 CONFIGURACIONES DEL SISTEMA (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]). ............................................... 77
FIGURA 4.15 CONFIGURACIÓN DEL CONTROL DE GANANCIAS (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]). ......................... 81
FIGURA 4.16 CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA DE ESCALÓN EN LA REFERENCIA (ADAPTADO DE
[BASLER, 2002]). ........................................................................................................................................ 83
FIGURA 5.1 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN ESQUEMA GENERAL DE CONTROL (ADAPTADO DE
[MORENO, GARRIDO Y BALAGUER, 2003]). ................................................................................................ 87
FIGURA 5.2 CONTROLADOR EN EL LAZO PRINCIPAL (ADAPTADO DE [MORENO, GARRIDO Y
BALAGUER, 2003])...................................................................................................................................... 88
FIGURA 5.3 DIAGRAMA DE BLOQUES CON CONTROLADOR Y RETROALIMENTACIÓN (ADAPTADO DE
[ÅSTRÖM AND HÄGGLUND, 1995]). ............................................................................................................ 90
FIGURA 5.4 DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE RETROALIMENTACIÓN SIMPLE (ADAPTADO DE
[ÅSTRÖM AND HÄGGLUND, 1995]). ............................................................................................................ 92
FIGURA 5.5 SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO CON CONTROL
PROPORCIONAL. LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL PROCESO ES G(S)=(S-3)-3
. EL
DIAGRAMA MUESTRA LA SALIDA DEL PROCESO Y PARA DIFERENTES VALORES DE KP , CON LA
REFERENCIA R = 0 Y LA GANANCIA ESTÁTICA DEL PROCESO K = 1. ............................................................. 94
FIGURA 5.6 IMPLEMENTACIÓN DE LA ACCIÓN INTEGRAL COMO UN RESET AUTOMÁTICO (ADAPTADO
DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND, 1995]). ....................................................................................................... 95
PROPORCIONAL E INTEGRAL. LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL PROCESO ES G(S)=(S-3)-3
.
EL DIAGRAMA MUESTRA LA SALIDA DEL PROCESO Y PARA DIFERENTES VALORES DE TI, CON
LA REFERENCIA R = 0, LA GANANCIA PROPORCIONAL KP =1 Y LA GANANCIA ESTÁTICA DEL
PROCESO K = 1. ........................................................................................................................................... 96
FIGURA 5.8 INTERPRETACIÓN DE LA ACCIÓN COMO CONTROL PREDICTIVO, DONDE LA PREDICCIÓN
ES OBTENIDA A TRAVÉS DE UNA EXTRAPOLACIÓN LINEAL (ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND
HÄGGLUND, 1995])..................................................................................................................................... 97
PROPORCIONAL, INTEGRAL Y DERIVATIVO. LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL PROCESO ES
G(S)=(S-3)-3
. EL DIAGRAMA MUESTRA LA SALIDA DEL PROCESO Y PARA DIFERENTES VALORES
DE TD, CON LA REFERENCIA R = 0, LA GANANCIA PROPORCIONAL KP =1, LA CONSTANTE DE
TIEMPO INTEGRAL TI =2 Y LA GANANCIA ESTÁTICA DEL PROCESO K = 1. .................................................... 98
FIGURA 5.10 (A) FORMA NO INTERACTIVA Y (B) FORMA INTERACTIVA DEL ALGORITMO PID
(ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND, 1995]). ................................................................................... 99
FIGURA 5.11 RESPUESTA ANTE LA ENTRADA ESCALÓN UNITARIO, QUE MUESTRA UN SOBRETIRO
MÁXIMO DE 25%. ...................................................................................................................................... 104
FIGURA 5.12 RESPUESTA DE UNA PLANTA A LA ENTRADA DE ESCALÓN UNITARIO (ADAPTADO DE
[OGATA, 2003]). ....................................................................................................................................... 104

Lista de Figuras
xvii
Página
FIGURA 5.13 CURVA DE RESPUESTA EN FORMA DE S (ADAPTADO DE [OGATA, 2003]). ......................................104
FIGURA 5.14 SISTEMA EN LAZO CERRADO CON UN CONTROLADOR PROPORCIONAL (ADAPTADO DE
[OGATA, 2003]).........................................................................................................................................106
FIGURA 5.15 RESPUESTA CUANDO LA GANANCIA DEL CONTROLADOR SE HACE IGUAL A LA
GANANCIA ÚLTIMA KCR CON OSCILACIÓN SOSTENIDA CON PERIODO PCR (ADAPTADO DE
[OGATA, 2003]).........................................................................................................................................106
FIGURA 5.16 FUNCIÓN ESCALÓN UNITARIO UTILIZADA COMO SEÑAL DE PRUEBA BÁSICA EN EL
DOMINIO DEL TIEMPO PARA SISTEMAS DE CONTROL (ADAPTADO DE [KUO, 1995]). ..................................108
FIGURA 5.17 CURVA DE REACCIÓN DEL PROCESO O RESPUESTA ANTE LA ENTRADA ESCALÓN EN
CIRCUITO ABIERTO (ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO, 2006]). ..............................................................109
FIGURA 5.18 RESPUESTA ANTE UNA FUNCIÓN ESCALÓN DE UN PROCESO DE PRIMER ORDEN MAS
TIEMPO MUERTO EN LA QUE SE ILUSTRA LA DEFINICIÓN GRAFICA DE TIEMPO MUERTO T0, Y LA
CONSTANTE DE TIEMPO τ (ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO, 2006])......................................................109
FIGURA 5.19 PARÁMETROS DEL MODELO POMTM CON TRES PARÁMETROS QUE SE OBTIENE
MEDIANTE EL MÉTODO 1 (ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO, 2006]).......................................................110
FIGURA 5.20 PARÁMETROS DEL MODELO POMTM CON TRES PARAMETROS QUE SE OBTIENE CON EL
MÉTODO 2 (ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO, 2006]).............................................................................110
FIGURA 5.21 PARÁMETROS DEL MODELO POMTM CON TRES PARÁMETROS QUE SE OBTIENE CON EL
MÉTODO 3 (ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO, 2006]).............................................................................111
FIGURA 5.22 RESPUESTA TÍPICA EN EL TIEMPO PARA UNA ENTRADA DE TIPO ESCALÓN (ADAPTADO
DE [KUNDUR, 1994]). ................................................................................................................................114
FIGURA 5.23: RESPUESTA A LA FRECUENCIA TÍPICA, DE LAZO ABIERTO DE UN SISTEMA DE CONTROL
DE EXCITACIÓN CON EL GENERADOR EN VACÍO (ADAPTADO DE [IEEE, 1990, KUNDUR,
1994])........................................................................................................................................................116
FIGURA 5.24: RESPUESTA A LA FRECUENCIA TÍPICA DE LAZO CERRADO DE UN SISTEMA DE CONTROL
DE EXCITACIÓN CON EL GENERADOR EN VACÍO (ADAPTADO DE [IEEE, 1990, KUNDUR,
1994])........................................................................................................................................................117
FIGURA 5.25 MODELO DEL GENERADOR SÍNCRONO. ...........................................................................................117
FIGURA 5.26 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN CONJUNTO CON EL MODELO DEL
GENERADOR...............................................................................................................................................120
FIGURA 5.27 RESULTADOS DE LA PRUEBA DE CORTOCIRCUITO APLICADA A LAS MICROMÁQUINAS
SÍNCRONAS (ADAPTADO DE [GARCÍA, 2007])............................................................................................121
FIGURA 5.28 MODELO MODIFICADO DEL GENERADOR (LA PLANTA) INCLUYENDO LA GANANCIA KA..................122
FIGURA 5.29 IMPLEMENTACIÓN DE LOS BLOQUES DE LA FUNCIÓN ESCALÓN, MODELO DEL
GENERADOR Y REGISTRADOR DE DATOS DE SALIDA...................................................................................123
FIGURA 5.30 CURVA DE RESPUESTA A LA ENTRADA ESCALÓN UNITARIO DE LA SIMULACIÓN CON EL
MODELO DE LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES EN LAZO ABIERTO............................................................123
FIGURA 5.31 IMPLEMENTACIÓN DE LOS BLOQUES DE LA FUNCIÓN ESCALÓN, MODELO DEL
GENERADOR Y REGISTRADOR DE DATOS DE SALIDA...................................................................................125
FIGURA 5.32 CURVA DE RESPUESTA A LA ENTRADA ESCALÓN UNITARIO DE LA SIMULACIÓN CON EL
MODELO DE LA MÁQUINA DE POLOS LISOS EN LAZO ABIERTO. ...................................................................125
FIGURA 6.1 MODELO IMPLEMENTADO EN SIMULINK® PARA SIMULAR LA RESPUESTA DEL SISTEMA
ANTE UNA PERTURBACIÓN CON UN ESCALÓN UNITARIO EN LA REFERENCIA PARA LA MÁQUINA
DE POLOS SALIENTES. ................................................................................................................................128
FIGURA 6.2 RESPUESTA DEL SISTEMA CON EL RAV SINTONIZADO COMO CONTROL PID PARA LA
MÁQUINA DE POLOS SALIENTES. ................................................................................................................129
FIGURA 6.3 MODELO IMPLEMENTADO EN SIMULINK® PARA SIMULAR LA RESPUESTA DEL SISTEMA
ANTE UNA PERTURBACIÓN CON UN ESCALÓN UNITARIO EN LA REFERENCIA PARA LA MÁQUINA
DE POLOS LISOS..........................................................................................................................................130
FIGURA 6.4 RESPUESTA DEL SISTEMA CON EL RAV SINTONIZADO COMO CONTROL PID PARA LA
MÁQUINA DE POLOS LISOS. ........................................................................................................................131
FIGURA 6.7 UBICACIÓN DE LAS MICROMÁQUINAS, DENTRO DEL ÁREA DE LA MICRO RED DEL
SIMULADOR EXPERIMENTAL. .....................................................................................................................137

xviii
Página
FIGURA 6.8 ÁREA DE LA MICRO RED DEL SIMULADOR EXPERIMENTAL DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE
POTENCIA. A: MICROMÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES. B: TABLERO DE CARGAS,
CONEXIONES Y ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN. C: MICROMÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS LISOS................ 137
FIGURA 6.9 DIMENSIONES Y ASPECTO DE LAS MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS (ADAPTADO DE MEJÍA
Y TRINIDAD, 1997).................................................................................................................................... 138
FIGURA 6.10 CONEXIONES ELÉCTRICAS DE LAS TERMINALES. (ADAPTADO DE MEJÍA Y TRINIDAD,
1997)......................................................................................................................................................... 138
FIGURA 6.11 CARTAS DE OPERACIÓN TEÓRICAS Y EXPERIMENTALES DE LAS MICROMÁQUINAS
SÍNCRONAS DE LA MICRORRED [GARCÍA, 2007]. ....................................................................................... 139
FIGURA 6.12 TRANSFORMADOR DE CORRIENTE E INTERRUPTOR TRIFÁSICO. ...................................................... 140
FIGURA 6.13 MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO.................................................................................................. 140
FIGURA 6.14 MULTÍMETRO DIGITAL, FLUKE. ................................................................................................... 141
FIGURA 6.15 OSCILOSCOPIO DIGITAL.................................................................................................................. 141
FIGURA 6.16 SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD. .......................................................................................... 142
FIGURA 6.17 CONEXIÓN DEL DECS 125-15 CON LA COMPUTADORA PERSONAL Y EL INTERRUPTOR
TRIFÁSICO. ................................................................................................................................................ 142
FIGURA 6.18 CONEXIÓN DE LOS EQUIPOS EMPLEADOS DURANTE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES
REALIZADAS A LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES. A) MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS
SALIENTES, B) REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE (RAV), C) MÓDULO DE POTENCIA
DEL RAV, D) OSCILOSCOPIO, E) INTERRUPTOR TRIFÁSICO, F) TRANSFORMADOR DE
CORRIENTE, G) CONTROL DE VELOCIDAD, H) MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO DE 1 HP, I)
COMPUTADORA PERSONAL........................................................................................................................ 143
FIGURA 6.19 PARTE TRASERA DEL RAV, TERMINALES DE CONEXIONES............................................................. 143
FIGURA 6.20 ACOPLAMIENTO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA CON EL PRIMOMOTOR. A) MÁQUINA
SÍNCRONA. B) PRIMOMOTOR DE CD......................................................................................................... 144
FIGURA 6.21 AJUSTE DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMADOR DEL TC Y SECUENCIA DE FASES............................ 145
FIGURA 6.22 AJUSTE DEL VOLTAJE TERMINAL.................................................................................................... 145
FIGURA 6.23 AJUSTE DE BAJA FRECUENCIA, PORCENTAJE DE SOBREVOLTAJE Y TIEMPO DE PÉRDIDA
DE SENSADO DE VOLTAJE. ......................................................................................................................... 146
FIGURA 6.24 CIRCUITO DE PRUEBA PARA EFECTUAR LA PRUEBA DE ESCALÓN. .................................................. 147
FIGURA 6.25 RESPUESTA AL ESCALÓN EN LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES.................................................... 147
FIGURA 6.26 RESPUESTA AL ESCALÓN EN LA MÁQUINA DE POLOS LISOS. ........................................................... 148
FIGURA 6.27 CIRCUITO DE PRUEBA PARA LA OBTENCIÓN DE LA RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE EL
ARRANQUE DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN.................................................................................................. 149
FIGURA 6.28 RESPUESTA ANTE LA ENTRADA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN EN LA MÁQUINA DE
POLOS SALIENTES...................................................................................................................................... 149
FIGURA 6.29 RESPUESTA ANTE LA ENTRADA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN EN LA MÁQUINA DE
POLOS LISOS. ............................................................................................................................................. 150

xix
LISTA DE TABLAS
Página
TABLA 3.1 ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS, REQUERIMIENTOS DE ALIMENTACIÓN (50-400HZ). .........................41
TABLA 3.2 ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS GENERALES.......................................................................................42
TABLA 3.3 REQUERIMIENTOS DEL CAMPO DEL GENERADOR. ................................................................................43
TABLA 4.1 COMBINACIONES DE LOS INTERRUPTORES PARA LAS FUNCIONES OPCIONALES....................................62
TABLA 4.2 CONEXIÓN PARA SECUENCIA DE FASES A-B-C. ...................................................................................65
TABLA 4.3 CONEXIÓN PARA SECUENCIA DE FASES A-C-B. ...................................................................................65
TABLA 4.4 CONEXIÓN PARA EL SENSADO DE UNA SOLA FASE. ..............................................................................65
TABLA 4.5 AJUSTES Y ACRÓNIMOS DEL PANEL FRONTAL DEL DECS....................................................................69
TABLA 4.6 LISTA DEL DISPLAY..............................................................................................................................71
TABLA 4.7 VALORES PARA LOS PARÁMETROS PID................................................................................................82
TABLA 5.1 REGLAS DE SINTONIZACIÓN DE ZIEGLER Y NICHOLS BASADAS EN LA RESPUESTA A LA
ENTRADA DE ESCALÓN UNITARIO PARA EL PRIMER MÉTODO (AJUSTES USANDO DOS
PARÁMETROS DE LA CURVA DE RESPUESTA) [OGATA, 2003]. ....................................................................105
TABLA 5.2 REGLAS DE SINTONIZACIÓN DE ZIEGLER Y NICHOLS BASADAS EN LA GANANCIA CRÍTICA
KCR Y PERIODO CRÍTICO PCR PARA EL SEGUNDO MÉTODO [OGATA, 2003]................................................107
TABLA 5.3 FORMULAS PARA AJUSTE DE RESPUESTA DE RAZÓN DE ASENTAMIENTO DE UN CUARTO,
USANDO EL MODELO POMTM CON TRES PARÁMETROS [OGATA, 2003]....................................................112
TABLA 5.4 VALORES ACEPTABLES DE LOS ÍNDICES DE DESEMPEÑO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Y LA
FRECUENCIA. .............................................................................................................................................117
TABLA 5.5 PARÁMETROS DE LA MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES EN P.U. A LA BASE DE LA
MÁQUINA, OBTENIDOS A TENSIÓN REDUCIDA CON EL CRITERIO IEC ([JUÁREZ ET AL., 2009])...................118
TABLA 5.6 PARÁMETROS DE LA MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS LISOS EN P.U. A LA BASE DE LA
MÁQUINA, OBTENIDOS A TENSIÓN REDUCIDA CON EL CRITERIO IEC (ADAPTADO DE [JUÁREZ
ET AL., 2009])............................................................................................................................................119
TABLA 5.7 PARÁMETROS INICIALES DEL REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE PID CALCULADOS
CON EL MÉTODO DE ZIEGLER-NICHOLS PARA LAS MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS DE
LABORATORIO. ..........................................................................................................................................126
TABLA 6.1 RESULTADOS OBTENIDOS MEDIANTE PRUEBAS DE SIMULACIÓN *. ....................................................135
TABLA 6.2: DATOS DE PLACA DE LAS MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS...................................................................139

xx

xxi
GLOSARIO DE TÉRMINOS
mφ Margen de fase
c(t) Respuesta de la señal de salida de la planta
CA Corriente alterna
CD Corriente directa
css(t) Respuesta en estado estacionario
ct(t) Respuesta transitoria
D Acción derivativa
DECS Sistema de control de excitación digital (“Digital Excitation Control System” en Inglés)
E, e(t) Error de comparación con respecto a la señal de referencia
Ef Voltaje de campo de la excitatriz con ninguna resistencia de campo externa
EFD, Efd EX Señal de voltaje de salida de la excitatriz
FP Factor de potencia
G(s) Función de transferencia del algoritmo PID
G’(s) Función de transferencia de un algoritmo PID interactivo
G’’(s) Función de transferencia de un algoritmo PID de la forma paralela
Gen 1 Generador 1
Gen 2 Generador 2
Gm Margen de ganancia
I Acción integral
If, Ief , Ifd Corriente del devanado de campo de la máquina síncrona
Inom Corriente nominal de armadura
efIΔ Desviación de la curva de saturación de carga de la línea del entrehierro
K’P Constante proporcional de un algoritmo PID interactivo
KA, K Ganancia del RAV, ganancia estática
Kcr Ganancia crítica
KD Ganancia derivativa del RAV
KE Ganancia de la excitatriz (para el caso de las excitatrices)
KE Valor constante alcanzado de c(t) (para el caso de la determinación de KP, Ti, Td)
KF Ganancia del estabilizador del sistema de excitación
KI Ganancia integral del RAV
KP Ganancia proporcional del RAV
l Disturbio de carga
L Tiempo de retardo
Lef Inductancia del circuito de campo
Mp Valor pico
n Ruido de medición
P Acción proporcional
P cr Periodo critico correspondiente a la ganancia crítica
PID Proporcional-Integral-Derivativo

xxii
R Valor del escalón
RAV Regulador automático de voltaje
RC Resistencia de compensación de carga
Ref Resistencia del circuito de campo
RFpolos lisos Resistencia del devanado de campo de la máquina de polos lisos
RFpolos salientes Resistencia del devanado de campo de la máquina de polos salientes
Rg Pendiente de la línea del entrehierro
s Dominio de la frecuencia
Se(EX) Función de saturación dependiente de EX
SF Factor de escalamiento
Snom Potencia nominal
STAB Rango de estabilidad
T Constante de tiempo
t Tiempo
T’d Tiempo derivativo de un algoritmo PID interactivo
T’i Tiempo integral de un algoritmo PID interactivo
'
doT Constante de tiempo transitoria de circuito abierto en el eje directo
'
dT Constante de tiempo transitoria de cortocircuito en el eje directo
TA Constante de tiempo del RAV
TC Transformador de corriente
TC, TB Constantes de tiempo de la reducción de la ganancia transitoria
Td Tiempo derivativo
TE Tiempo de integración de la excitatriz
TF Constante de tiempo del estabilizador del sistema de excitación
Ti Tiempo integral
TP Transformador de potencial
TR Constante de tiempo del transductor
u(t) Variable de control a la salida del algoritmo PID
V1 Señal de salida de la reducción de la ganancia transitoria
VAR Potencia reactiva
VC Señal de voltaje de salida del transductor
VC1 Señal de salida del compensador de carga
VF Señal de voltaje de salida del estabilizador del sistema de excitación
VOEL Límite de voltaje de sobrexcitación
VR Voltaje regulado en la salida del RAV
VREF Voltaje de referencia de control
VRMAX Límite “non-windup” máximo del RAV
VRMIN Límite “non-windup” mínimo del RAV
VS Señal de voltaje de salida del estabilizador del sistema de potencia
VT Voltaje en terminales
VUEL Límite de voltaje de baja excitación
VX Señal de entrada al amplificador del RAV
wc Frecuencia de cruce

Glosario de Términos
xxiii
XC Inductancia de compensación de carga
dX Reactancia síncrona en condiciones de estado estacionario en el eje directo
'
dX Reactancia transitoria en el eje directo

xxiv

1
CAPÍTULO 1:
INTRODUCCIÓN
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El estudio del comportamiento dinámico y en estado estacionario de los sistemas
eléctricos de potencia se realiza casi exclusivamente por medio de simuladores.
Aunque los simuladores de computadora digital han prevalecido y son la
herramienta principal de los ingenieros encargados de la planeación y la operación de
los sistemas eléctricos de potencia, los simuladores experimentales pueden ser
utilizados de manera complementaria para realizar tareas importantes en la
investigación y la docencia de la ingeniería eléctrica de sistemas de potencia como
son, entre otros [Ruiz et al., 2007]:
• La validación de los modelos y programas de computadora digital.
• El desarrollo de dispositivos de medición y control necesarios para implementar
esquemas de control y protección que mejoren la operación del sistema eléctrico
de potencia.
• La enseñanza de los principios básicos del control de sistemas eléctricos de
potencia a nivel licenciatura y posgrado.
• Desarrollo y validación experimental de técnicas de sintonización de controles
de excitación.
• Desarrollo y validación experimental de modelos de protecciones y controles de
largo plazo.
En este trabajo se instala, opera y sintoniza el control de excitación BASLER DECS
125-15 a los generadores síncronos de un simulador a escala de sistemas eléctricos de
potencia que está siendo desarrollado por el Grupo de Investigación de Fenómenos
Dinámicos de la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación SEPI-ESIME-
Zacatenco del IPN, dentro del marco del proyecto CONACyT 83701.

2
1.2 ANTECEDENTES
Históricamente, el papel del sistema de excitación en el mejoramiento del
rendimiento del sistema de potencia ha ido creciendo continuamente. Los primeros
sistemas de excitación fueron controlados manualmente para mantener el voltaje
terminal deseado del generador y potencia reactiva de la carga. Cuando el control de
voltaje fue automatizado por primera vez, fue muy lento, básicamente cubriendo el
papel del operador de alerta. A principios de la década de 1920, el potencial de
aumento de la estabilidad transitoria a través del uso continuo de reguladores de
acción rápida fue reconocido.
Esto aumentó el interés en el desarrollo de diseños de sistemas de excitación,
excitatrices y reguladores de voltaje con una respuesta más rápida, que pronto se
introdujo a la industria. Desde entonces los sistemas de excitación han tenido una
evolución constante.
A principios de la década de 1960, las funciones del sistema de excitación se
ampliaron mediante el uso de señales auxiliares para el control de voltaje de campo
con el objeto de disminuir las oscilaciones del sistema. Esta función del control de
excitación la realiza el estabilizador del sistema de potencia. Los sistemas de
excitación modernos son capaces de suministrar una respuesta prácticamente
instantánea con altos voltajes de techo.
La combinación de la alta capacidad del campo forzado y el empleo de señales
auxiliares de estabilización contribuyen al aumento substancial del funcionamiento
dinámico de todo el sistema [Kundur, 1994].
Los sistemas de control de excitación y sistemas de control en general actuales
emplean el algoritmo de control PID, el cual data de 1939, cuando la compañía Taylor
instrument introdujo una versión completamente rediseñada de un controlador
neumático llamado "Fulscope": este nuevo instrumento proporcionó, además de la
acción de control proporcional y de la acción de control de reset, una acción que la
compañía de instrumentación Taylor llamo "pre-act". En el mismo año la compañía de
instrumentación Foxboro añadió un "Hyper-reset" a las acciones de control
proporcional y de reset proporcionadas con su controlador neumático "Stabilog".
Cada una de las acciones de control “pre-act” e “Hyper-reset” proporcionan una
acción de control proporcional a la derivada de la señal de error. La acción de reset
(también llamada “floating”) proporciona una acción de control proporcional a la
integral de la señal de error y desde entonces ambos reguladores ofrecieron el control
PID [Bennett, 1993].
De los dos instrumentos, sólo el Fulscope proporcionó un completo ajuste en campo
de los parámetros del controlador; el Stabilog tuvo que ser sometido en fábrica, para

Capítulo 1: Introducción
3
que la banda proporcional (ganancia) del controlador pudiera ser ajustada en campo.
Los ajustes hechos en campo trajeron un problema ya que no había ningún método
establecido de escoger los ajustes apropiados para cada uno de las tres acciones de
control. Reconociendo esto como una debilidad, la compañía Taylor Instrument
realizó investigaciones intensas en una tentativa para determinar los métodos de
determinación de ajustes de control óptimos para el controlador PID. Este intenso
trabajo resultó en dos artículos publicados por J.G. Ziegler y N.B. Nichols publicados
en 1942 y 1943 [Ziegler and Nichols, 1942], [Ziegler and Nichols, 1943]. En estos
artículos Ziegler y Nichols mostraron como determinar los parámetros del
controlador, los cuales podían ser escogidos basándose primero en pruebas de lazo
abierto sobre la planta y después en pruebas de lazo cerrado sobre la planta [Bennett,
1993].
1.2.1 El proyecto de un simulador de un SEP
El grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos en Redes Interconectadas y
Máquinas Eléctricas de la SEPI-ESIME conformado desde mediados de la década de
1980 está desarrollando un simulador de sistemas eléctricos de potencia
multimáquinas con 4 áreas de control. La figura 1.1 muestra en forma esquemática la
idea general del simulador que se está construyendo [Ruiz et al., 2007].
Figura 1.1 Idea general del simulador a escala de un sistema eléctrico de potencia
(Adaptado de [Ruiz et al., 2007]).

4
Los aspectos fundamentales de diseño y construcción del simulador de sistemas
eléctricos de potencia (SEP) concebido como un sistema multi-máquinas conformado
por grupos de máquinas motor de CD – alternador síncrono de diferente capacidad,
así como de elementos como transformadores, líneas, interruptores, cargas dinámicas
y estáticas entre otros, está fundamentado en trabajos que abordan aspectos del
diseño y construcción de simuladores de SEP.
Las áreas de control que componen el simulador experimental de sistemas de
potencia se encuentran desplazadas geográficamente dentro del área de la nave del
edifico de Laboratorios Pesados II de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica Unidad Zacatenco, como se muestra en la figura 1.2, para mejorar la
representación de un sistema interconectado.
Entrada
Micromáquinas de 4.5 KVA
Ducto
Máquina educacional de
5 KVA
Ducto
Máquinas generalizadas de
3 y 4 KVA
Ducto50 m
60 m
Ducto
Máquina
convencional de 9
KVA
Trinchera
N S
E
O
LABORATORIOS PESADOS II
Figura 1.2 Localización física de las diferentes áreas del Simulador Experimental
(Adaptado de [Ruiz et al., 2007]).
Este simulador experimental de un SEP cuenta con todos los tipos de simuladores
físicos de máquinas eléctricas: máquinas generalizadas (máquinas especiales),
micromáquinas (máquinas diseñadas especialmente para tener parámetros dinámicos
similares a los de grandes unidades de generación) y simuladores no escalados
(máquinas convencionales de pequeña capacidad). Esto aumenta aún más las ventajas
del simulador, ya que permite explotar adecuadamente las ventajas de cada uno de
estos simuladores, tanto en la investigación como en la docencia. Aunque se podría
pensar que la construcción de este simulador es muy costosa, debido a los equipos
especiales con los que cuenta, el costo de desarrollar este simulador es mucho menor
que el esperado, ya que utiliza máquinas que ya se encontraban en el laboratorio de
ingeniería eléctrica de la ESIME [Ruiz et al., 2007].

5
Este plan, que ya tiene aproximadamente diecisiete años de haber sido propuesto por
el Dr. Daniel Olguín Salinas, y que desde sus inicios ha sido un proyecto de alcances
muy ambiciosos, es retomado ahora por el actual grupo de investigación de
fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas de la SEPI-
ESIME-Zacatenco, formado por el M. en C. Tomás I. Asiaín, el Dr. Daniel Olguín y el
Dr. Daniel Ruiz [Ruiz et al., 2007].
1.2.2 Trabajos realizados en el área de micromáquinas
La utilización de este enfoque, a la vez que ha facilitado la implementación del
proyecto general, ha permitido probar la utilidad de las máquinas en las diferentes
áreas de control por separado, en diferentes proyectos de investigación y docencia
con resultados muy exitosos en la producción de recursos humanos y trabajos de
investigación como son [Ruiz et al., 2007]:
14 tesis de maestría.
2 premios de tesis de maestría del IPN.
2 premios en los certámenes de tesis del IIE.
1 premio de ingeniería de la Ciudad de México
1 primer premio del concurso institucional de software del IPN a nivel
superior.
13 tesis de licenciatura.
2 artículos de investigación en revistas internacionales.
4 artículos de investigación en revistas nacionales.
38 artículos de investigación en congresos internacionales.
19 artículos de investigación en congresos nacionales.
Algunas de las aplicaciones utilizadas en estos trabajos son [Ruiz et al., 2007]:
Determinación de parámetros dinámicos y en estado estacionario de máquinas
eléctricas.
Enseñanza práctica de la teoría generalizada de las máquinas eléctricas.
Diseño de pruebas para la determinación de parámetros de cargas eléctricas a
partir de mediciones.
Implementación del control de excitación de un generador síncrono.
Implementación de simuladores de turbina hidráulica con fines de
investigación y docencia.
Puesta en marcha de un sistema de control supervisorio y adquisición de datos
(SCADA).
Implementación de las protecciones de un generador síncrono de laboratorio.
Técnicas para el monitoreo de la condición de máquinas eléctricas y
transformadores.
Validación de simuladores digitales de sistemas eléctricos interconectados y
máquinas eléctricas para estudios de estabilidad.

6
El desarrollo del simulador de sistemas de potencia en etapas ha permitido a los
miembros del grupo de investigación de fenómenos dinámicos adquirir una
experiencia muy valiosa en la construcción y caracterización de los simuladores. En
particular, se han desarrollado los siguientes trabajos de tesis con la microrred,
listados en orden cronológico descendente: [Juárez, 2008, Marín, 2008, Ramírez y
Trinidad, 2007, García, 2007].
El trabajo de algunos de estos alumnos de licenciatura y su contacto con las
simulaciones experimentales posibles en el laboratorio los ha hecho decidirse a hacer
trabajos de tesis teórico-experimentales utilizando el simulador y, en muchos casos,
continuar sus estudios en un programa de maestría.
Por todos los resultados reportados y la experiencia adquirida a lo largo del
desarrollo del simulador, se considera en el grupo de investigación de fenómenos
dinámicos que la continuación de estos trabajos es de una gran importancia, ya que
puede generar no solamente proyectos de investigación y docencia, tesis de nivel
posgrado, licenciatura y artículos de investigación, sino que puede además ser
utilizado, una vez terminado el proyecto general básico, para desarrollar prototipos
de sistemas de control, monitoreo y protección que ayuden a fortalecer la
independencia tecnológica de nuestro país.
El proyecto presente se encuentra, por lo tanto, insertado dentro de la larga tradición
de desarrollo de proyectos teórico-experimentales que ha impulsado desde sus inicios
el Instituto Politécnico Nacional [Ruiz et al., 2007].
1.3 OBJETIVO
Presentar los conceptos básicos de la estructura, operación y sintonización del sistema
de control de excitación de máquinas síncronas y aplicarlos en las micromáquinas
síncronas del simulador experimental de sistemas eléctricos de potencia.
1.4 JUSTIFICACIÓN
Actualmente es necesario contar con herramientas experimentales para desarrollar
nuevas pruebas y prototipos requeridos por la industria eléctrica. En el desarrollo del
simulador experimental se están utilizando equipos comerciales para implementar
los sistemas de comunicación, medición, control y protección, pero el sistema final
resultante será un gran apoyo en el futuro para desarrollar prototipos propios de
sistemas de control, comunicación y protección.
Los sistemas de control de excitación son de especial interés actualmente, debido a
que para modelar este tipo de controles en muchas plantas de la Comisión Federal de

7
Electricidad (CFE) se utilizan parámetros típicos tomados de otros controles, por el
desconocimiento de pruebas de determinación de parámetros de controles de
excitación.
Es por esta razón que es necesario conocer los conceptos básicos del control de
excitación y aportar este paso para acelerar la construcción del simulador
experimental de sistemas eléctricos de potencia, que en un futuro cercano puede ser
utilizado en trabajos experimentales para la determinación de parámetros dinámicos
de controles de excitación.
1.5 LIMITACIONES Y ALCANCES
Este trabajo está enfocado principalmente a la sintonización del regulador automático
de voltaje, que es una parte fundamental del sistema de control de excitación, por lo
que se describirán y tratarán de manera más detallada las funciones del regulador
automático de voltaje y las consideraciones para llevar a cabo su instalación y
operación. La descripción detallada de los componentes restantes del sistema de
control de excitación de la máquina síncrona, está fuera del alcance de este trabajo.
1.6 APORTACIONES DE LA TESIS
Las aportaciones del presente trabajo pueden ser resumidas de la siguiente manera:
• Se describen de manera detallada los conceptos básicos de los sistemas de
control de excitación de máquinas síncronas y sus funciones principales y
modos de operación.
• Se describen de manera clara los conceptos básicos de los controles PID y de los
métodos de sintonización de Ziegler-Nichols.
• Los conceptos antes mencionados se aplican en la sintonización del regulador
automático de voltaje del sistema de control de excitación Basler 125-15
considerando su conexión en los dos tipos principales de máquinas síncronas:
de polos lisos y polos salientes.
• Se presentan diferentes métodos para validar los ajustes obtenidos en el proceso
de sintonización por medio de simulaciones digitales y pruebas experimentales.
• En particular, se presenta información muy importante en el ajuste de los
controles de excitación Basler, los cuales son empleados en instalaciones
industriales y plantas de emergencia de la Comisión Federal de Electricidad, la
cual es muy compleja de entender y obtener normalmente.

8
• Se presentan soluciones a problemas prácticos encontrados en la sintonización
de controles, como la obtención de valores necesarios en el proceso de ajuste por
medio de pruebas auxiliares.
• Además de las aportaciones teóricas y prácticas antes mencionadas, una
aportación principal de esta tesis es su importante colaboración en el ajuste del
nuevo sistema de control del área de las micromáquinas del simulador
experimental de sistemas de potencia, el cual está siendo desarrollado por el
grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y
máquinas eléctricas de la SEPI-ESIME-Zacatenco.
El simulador es una herramienta importante en las tareas de docencia e
investigación del comportamiento dinámico de sistemas eléctricos de potencia
en estado estacionario y transitorio para los niveles de licenciatura y posgrado
[Ruiz et al., 2007].
Recientemente se han adquirido, por medio de fondos del proyecto CONACyT
No. 083701 titulado: “Desarrollo de un Simulador Experimental de Sistemas
Eléctricos de Potencia a Escala” dos controles de excitación Basler 200, los cuales
serán instalados permanentemente en el simulador. Las técnicas y ajustes
presentados en este trabajo son los que se emplearán para los reguladores
automáticos de voltaje de estos controles.
1.7 ESTRUCTURA DE LA TESIS
La estructura de este trabajo es la siguiente:
• Capítulo 1: Introducción. En este capítulo se establece el planteamiento del
problema que da fundamento a la razón de ser de este trabajo, se presentan
antecedentes que se han tenido en el desarrollo de los sistemas de control de
excitación y de los controles PID, los trabajos que se han desarrollado durante
la construcción del simulador experimental a escala, el objetivo y justificación
para elaborar este trabajo, los límites a los cuales está sujeto y la estructura de
la tesis.
• Capítulo 2: El control de excitación de la máquina síncrona. En este capítulo
se hace una descripción de los requerimientos del sistema de control de
excitación vistos desde el punto de vista del sistema de potencia, una
descripción de la estructura general del sistema de control de excitación en la
que tiene mayor peso el regulador automático de voltaje, se describen las
consideraciones del control de potencia reactiva y factor de potencia de la
máquina síncrona, se presentan los diagramas de bloques que corresponden a
las excitatrices de CA y CD y los diagramas de bloques que componen los
principales sistemas de control de excitación.

9
• Capítulo 3: Estructura del sistema de control de excitación Basler DECS 125-
15. En este capítulo se hace una descripción de las funciones principales que
componen el sistema de control de excitación digital Basler Electric DECS 125-
15 que se sintoniza en este trabajo, las especificaciones eléctricas que cubre y
las que son necesarias para su conexión. Por último se presenta el modelo de
bloques que corresponde al modelo dinámico que sigue este equipo y los
modelos de estado del sistema en lazo cerrado y abierto.
• Capítulo 4: Conexión y operación del sistema de control de excitación Basler
DECS 125-15. En este capítulo se presentan los requerimientos para la
conexión del sistema de control de excitación digital Basler Electric DECS 125-
15, las dimensiones físicas, el diagrama de conexiones a seguir para su puesta
en marcha, la forma de introducir los valores de sintonización, operarlo ya sea
directamente sobre el panel frontal o a través del software, así como su
interconexión a la PC para la comunicación y extracción de datos.
• Capítulo 5 Sintonización del regulador automático de voltaje. En este
capítulo se abordan los conceptos teóricos sobre el método de sintonización de
los controles PID, en los que se establecen los principios de operación y las
acciones de control. En este trabajo se hace uso del método de sintonización de
Ziegler–Nichols basado en el cálculo de parámetros de controladores PID a
partir de la respuesta al escalón de la planta a controlar. Se presenta la
determinación de los parámetros PID y su ajuste.
• Capítulo 6: Pruebas de validación de la sintonización. En este capítulo se
presenta la conexión física del control de excitación y los resultados de las
simulaciones digitales y las pruebas experimentales utilizadas para validar la
sintonización. Se presentan los resultados detallados de la prueba de respuesta
ante un escalón en la referencia del control, así como los resultados de la
prueba de respuesta ante la entrada de un motor de inducción.
• Capítulo 7: Conclusiones. En este capítulo se presentan las conclusiones del
trabajo de tesis y sugerencias para trabajos futuros.
• Referencias. En este capítulo se presentan los documentos que sirvieron como
referencia a este trabajo.

10

11
CAPÍTULO 2:
EL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA
MÁQUINA SÍNCRONA
2.1 INTRODUCCIÓN
2.1.1 Sistemas de excitación
La función básica de un sistema de excitación es proveer corriente directa al
devanado de campo de la máquina síncrona. Además, el sistema de control de
excitación desempeña funciones de control y protección que son esenciales para el
desempeño satisfactorio del sistema de potencia.
Las funciones de control incluyen el control de voltaje y del flujo de potencia reactiva,
y el aumento de la estabilidad del sistema. Las funciones de protección aseguran que
los límites de capacidad de la máquina síncrona, los sistemas de excitación, y otros
equipos no sean excedidos [Kundur, 1994].
2.1.2 Consideraciones del generador
El requerimiento básico de operación es que el sistema de excitación suministre y
automáticamente ajuste la corriente de campo del generador síncrono para mantener
el voltaje en terminales constante y la potencia reactiva dentro de la capacidad
continua del generador.
Además, el sistema de excitación debe ser capaz de responder a disturbios
transitorios con el campo del generador forzado dentro de su capacidad de corto
plazo. Las capacidades del generador en este sentido son limitadas por varios factores
[Kundur, 1994]:
• Falla del aislamiento del rotor debido al alto voltaje de campo.
• Calentamiento del rotor debido a una alta corriente de campo.

12
• Calentamiento de estator debido a una alta corriente de carga en la armadura.
• Calentamiento de los extremos del núcleo durante una operación subexcitada.
• El calentamiento debido a exceso de flujo (volts/Hz).
2.1.3 Consideraciones del sistema de potencia
Desde el punto de vista del sistema de potencia, el sistema de excitación debe
contribuir al control efectivo de voltaje y la mejora de la estabilidad del sistema. Debe
ser capaz de responder rápidamente a un disturbio para aumentar la estabilidad
transitoria y de modular el campo del generador a fin de aumentar la estabilidad ante
pequeños disturbios [Kundur, 1994].
El sistema de excitación debe satisfacer las siguientes exigencias para cumplir con un
desempeño satisfactorio [Kundur, 1994]:
• Cumplir criterios de respuesta especificados.
• Proporcionar la limitación y funciones protectoras adecuadamente para
prevenir el daño a sí mismo, al generador y a otro equipo.
• Cumplir requerimientos especificados para la flexibilidad de operación.
• Cumplir con la confiabilidad y disponibilidad deseadas, incluyendo el nivel
necesario de redundancia, la capacidad de detección de una falla interna y la
capacidad de aislarse del sistema.
2.2 ESTRUCTURA GENERAL DEL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA
MÁQUINA SÍCRONA
2.2.1 Introducción
La figura 2.1 muestra el diagrama funcional de bloques de un sistema de control de
excitación típico, para un generador síncrono grande. A continuación se hace una
breve descripción de los subsistemas identificados en la figura 2.1 [Kundur, 1994].
(1) Excitatriz. Provee energía de CD al devanado de campo de la máquina síncrona,
constituyendo el elemento de potencia del sistema de excitación.
(2) Regulador. Procesa y amplifica señales de control de entrada a un nivel y forma
apropiada para el control de la excitatriz. El regulador incluye las funciones de
regulación de voltaje y estabilización del sistema de excitación (compensación por

Capítulo 2: El control de excitación de la máquina síncrona
13
retroalimentación derivativa o compensación serie por reducción de la ganancia
transitoria, esto se aborda en la sección 2.2.3.2).
Circuitos de
protección y
limitadores
Transductor de
voltaje terminal y
compensador de
carga
Generador
Estabilizador del
sistema de
potencia
ExcitatrizRegulador
2 1
5
3
4
VTVREF
Figura 2.1 Diagrama funcional de bloques del sistema de control de excitación del generador síncrono
(Adaptado de [Kundur, 1994]).
(3) Transductor del voltaje terminal y compensador de carga. Sensa el voltaje en las
terminales del generador, lo rectifica y lo filtra a una cantidad de CD, y lo compara
con una referencia que representa el voltaje terminal deseado. Adicionalmente, puede
proporcionar compensación de carga (compensación por pérdidas reactivas ó caída
de voltaje), si se desea mantener constante, según sea necesario, el voltaje en algún
punto eléctricamente remoto del generador, (por ejemplo, un punto después del
transformador elevador del generador) o en un punto interno.
(4) Estabilizador del sistema de potencia. Proporciona una señal adicional de
entrada al regulador para amortiguar oscilaciones del sistema de potencia. Algunas
señales comúnmente usadas son la desviación de velocidad del rotor, la potencia de
aceleración y la desviación de frecuencia.
(5) Circuitos de protección y limitadores. Estos incluyen una amplia serie de
funciones de control y protectoras que aseguran que los límites de capacidad de la
excitatriz y el generador síncrono no sean excedidos. Algunas de estas funciones de

14
uso común son limitar la corriente de campo, limitar la máxima excitación, limitar el
voltaje terminal, la protección y regulación de Volts/Hertz, y limitar la subexcitación.
Los circuitos de protección y medición son normalmente distintos circuitos y sus
señales de salida pueden ser aplicadas al sistema de excitación en diversos lugares
como una suma de entrada o una entrada de acceso controlado. Para mayor
conveniencia, se han agrupado y se muestran en la figura 2.1 como un solo bloque.
2.2.2 Transductor del voltaje terminal y compensador de carga
El regulador automático de voltaje (RAV) normalmente controla el voltaje terminal
del estator del generador. A veces, la compensación de carga es usada para controlar
un voltaje que es representativo del voltaje en un punto cualquiera interno o externo
al generador [Kundur, 1994].
Varios tipos de compensación están disponibles en la mayoría de los sistemas de
excitación. Las compensaciones de corriente activa y reactiva son las más comunes en
la máquina síncrona. Cualquier compensación reactiva y/o compensación de caída
de tensión de línea puede ser implementada, simulando una impedancia para regular
efectivamente algún punto distinto a las terminales de la máquina. La impedancia o
rango de ajuste y el tipo de compensación deben ser especificados.
La compensación de caída toma este nombre de la disminución del perfil de voltaje
con el incremento de la potencia reactiva de salida en la unidad. La compensación de
caída de línea, también llamada compensación en caída del transformador, se refiere
al acto de regulación de voltaje en un punto parcialmente dentro del transformador
elevador del generador o, menos frecuentemente, en algún lugar dentro del sistema
de transmisión. Esta forma de compensación produce un aumento en el perfil de
voltaje en las terminales del generador para incrementar la potencia reactiva a la
salida [IEEE, 2005].
El diagrama de bloques del compensador de carga y el transductor del voltaje
terminal se muestra en la figura 2.2.
Vc1=|VT + (Rc+jXc) IT|
Vc1
Vc
VT
IT
RsT+1
1
Figura 2.2 Elementos opcionales de compensación de carga y transductor del voltaje terminal
(Adaptado de [IEEE, 2005]).

15
Cuando el compensador de carga no es empleado (Rc=Xc=0), el diagrama de bloques
se reduce a un simple circuito de medición. El voltaje en terminales de la máquina
síncrona es sensado y usualmente es reducido a una cantidad de CD. Para algunos
sistemas, el transductor de voltaje y la compensación de la carga pueden tener
constantes de tiempo diferentes. En este modelo esto se reduce a una sola constante
de tiempo TR como se muestra en la figura 2.2. Para algunos sistemas esta constante
es muy pequeña y normalmente se ajusta igual a cero [IEEE, 2005].
La salida del transductor de voltaje terminal, Vc, es comparada con una referencia que
representa el ajuste del voltaje terminal deseado, como se muestra en cada uno de los
modelos de sistema de excitación. La señal de referencia equivalente del regulador de
voltaje, VREF, es calculada para satisfacer las condiciones de funcionamiento iniciales,
por lo tanto, tomará un valor único a la condición de carga de la máquina síncrona
siendo estudiada.
El error resultante es amplificado como se describe en el modelo de sistema de
excitación para proporcionar el voltaje de campo y el subsecuente voltaje terminal
para satisfacer las ecuaciones de lazo de estado estable. Sin la compensación de
carga, el sistema de excitación, dentro de sus características de regulación, intenta
mantener un voltaje terminal determinado por la señal de referencia.
Cuando es deseada la compensación, los valores apropiados de RC y XC son
introducidos. En la mayoría de los casos, el valor de RC es insignificante. Las variables
de entrada de voltaje y corriente de la máquina síncrona deben ser en la forma
fasorial para el cálculo del compensador. Se debe tener cuidado para asegurar que un
sistema consistente en pu es utilizado por los parámetros del compensador y la
corriente base de la máquina síncrona.
Este tipo de compensación se usa normalmente de uno de los dos modos siguientes
[IEEE, 2005]:
a) Cuando las máquinas síncronas están conectadas al mismo bus sin impedancia
entre ellas, el compensador es usado para crear la impedancia de enlace artificial
de modo que las máquinas compartan la potencia reactiva de manera
apropiada. Esto corresponde a la opción de regulación de un punto dentro de la
máquina síncrona, para este caso Rc y Xc tendrán valores positivos.
b) Cuando una sola máquina síncrona está conectada a través de una impedancia
significativa al sistema, o cuando dos o más máquinas son conectadas a través
de transformadores individuales, esto puede ser deseable para regular el voltaje
en un punto más allá de las terminales de la máquina.

16
La figura 2.3 muestra la conexión del circuito de compensación de carga como un
circuito adicional dentro del lazo del RAV. El compensador tiene una resistencia y
una reactancia inductiva ajustables (Rc) y (Xc) respectivamente, que representan la
impedancia entre las terminales de generador y el punto en el cual el voltaje está
siendo controlado efectivamente. Usando esta impedancia y la corriente moderada de
armadura, una caída de voltaje es calculada y añadida o restada del voltaje terminal
[Kundur, 1994].
Regulador
de Voltaje
Excitatriz
Generador
Campo Armadura
VT
IT
TC
TP
Transformador
elevador
Bus de alta
Tension
Al sistema de
Potencia
Compensador de carga
RC XC
Figura 2.3 Diagrama esquemático de un compensador de carga (Adaptado de [Kundur, 1994]).
El compensador regula el voltaje en un punto dentro del generador proporcionando
una caída de tensión. Esto es usado para asegurar el compartimiento apropiado de
potencia reactiva entre generadores conectados a un mismo nodo, compartiendo un
transformador elevador común. Este arreglo es usado comúnmente con unidades de
generación hidroeléctricas y unidades termoeléctricas con turbinas compuestas
cruzadas (“cross-compound” en Inglés). El compensador funciona como un
compensador de corriente reactiva creando así un acoplamiento “artificial” entre los
generadores.
Sin esta disposición, uno de los generadores trataría de controlar el voltaje terminal
ligeramente arriba que el otro, por lo tanto, un generador tenderá a suministrar todo
el requerimiento de potencia reactiva mientras el otro absorbería potencia reactiva en
la medida que lo permitan los límites de subexcitación [Kundur, 1994].
2.2.3 Regulador automático de voltaje (RAV)
El regulador automático de voltaje es la parte del sistema de control de excitación que
procesa y amplifica la señal del voltaje terminal del generador, con el fin de
mantenerlo constante en base a la referencia establecida para proporcionar un perfil
de voltaje adecuado, o en su función de controlador de potencia reactiva y factor de
potencia var/fp, con el fin de controlar el flujo de potencia reactiva y el factor de

17
potencia del generador. Estas funciones se realizan durante cambios normales
pequeños y lentos que se presentan en la carga [Kundur, 1994, Hurley and Mummert,
1999, Elgerd, 1982, IEEE, 2005].
Aunque debe mencionarse que en un sistema de transmisión, la función de
regulación de voltaje tiene un mejor desempeño en el soporte de voltaje para
mantener un estado estable, que el uso de controladores de var/fp [Hurley and
Mummert, 1999].
2.2.3.1 Modelo del RAV
El regulador automático de voltaje es un control proporcional compuesto por
amplificadores, que pueden ser del tipo magnético, rotatorio o electrónico. Los
amplificadores electrónicos y magnéticos se caracterizan por una ganancia y también
pueden incluir una constante de tiempo. Estos amplificadores pueden ser
representados por el bloque de la figura 2.4.
1
A
A
k
sT+
VRMAX
VRMIN
Vx VR
Figura 2.4 Modelo del RAV (Adaptado de [Kundur, 1994]).
La salida del amplificador está limitada por la saturación o limitaciones de la fuente
de suministro, lo cual es representado por los límites “non-windup” VRMAX y VRMIN en
la figura 2.4.
Los límites de salida de algunos amplificadores que tienen suministros de energía del
generador o de un bus auxiliar de voltaje varían con el voltaje terminal del generador.
En tales casos VRMAX y VRMIN son funciones del voltaje terminal del generador Et
[Kundur, 1994].
kA y TA son la ganancia y la constante de tiempo del RAV, respectivamente [IEEE,
2005].
2.2.3.2 Circuitos de estabilización del RAV
Los sistemas de control de lazo cerrado con retroalimentación como es el sistema de
excitación requieren de estabilización por compensación serie o derivativa. Estas

18
partes del control se usan para incrementar la región estable de operación del sistema
de excitación y permitir ganancias del regulador más altas [Padiyar, 2004].
Para hacer la compensación por retroalimentación derivativa se usa el bloque de
control que se conoce como estabilizador del sistema de excitación (por sus siglas en
ingles “Excitation System Stabilizer” ESS). El estabilizador del sistema de excitación es
un elemento o grupo de elementos que hacen una compensación serie o por
retroalimentación derivativa para mejorar el desempeño dinámico del sistema de
control de excitación [Padiyar, 2004, IEEE, 1986].
La función de transferencia del ESS se muestra en la figura 2.5. Esto se puede
conseguir a través de un trasformador en el que el secundario tiene conectada una
alta impedancia como se muestra en la figura 2.6. La relación de vueltas del devanado
primario con el secundario del transformador y la constante de tiempo (L/R) de la
impedancia, determinan KF y TF de acuerdo a las siguientes relaciones [Padiyar,
2004]:
1
F
F
sK
sT+
FVFDE
Figura 2.5 Estabilizador del sistema de excitación (Adaptado de [Padiyar, 2004]).
FVFDE
1: n R
L
Figura 2.6 Realización del estabilizador del sistema de excitación (Adaptado de [Padiyar, 2004]).
F
F
L
T
R
nL
K
R
=
=
Normalmente la constante de tiempo se toma como 1 segundo [Padiyar, 2004].
Para realizar la compensación serie se usa el bloque de control que se conoce como
reducción de ganancia transitoria (por sus siglas en ingles “Transient Gain Reduction”
TGR), el cual se muestra en la figura 2.7, TC usualmente es menor que TB. La función
de esta parte de control es reducir la ganancia transitoria o ganancia a frecuencias
mayores, minimizando de esta manera la contribución negativa del regulador al
amortiguamiento del sistema. Un valor típico para el factor de la reducción de

19
ganancia transitoria (TB/TC) es 10 [Padiyar, 2004]. Si el estabilizador del sistema de
potencia (por sus siglas en ingles “Power System Stabilizer” PSS) es usado
específicamente para mejorar el amortiguamiento del sistema, puede ser que no se
requiera la TGR1.
1
1
C
B
sT
sT
+
+
E V1
Figura 2.7. Reducción de ganancia transitoria (Adaptado de [Padiyar, 2004]).
La estabilización que se consigue con el PSS no se debe confundir con la que
proporciona el ESS. Mientras el ESS es diseñado para proporcionar una regulación de
voltaje efectiva bajo condiciones de circuito abierto o corto circuito, el objetivo del PSS
es proporcionar un amortiguamiento de las oscilaciones del rotor siempre que haya
disturbios transitorios. El amortiguamiento de esas oscilaciones (en las cuales su
frecuencia varía entre 0.2 a 2.0 Hz) puede ser afectado por la ganancia alta del RAV,
particularmente en condiciones de carga alta, cuando el generador es conectado a
través de una impedancia externa alta (debido a una red de transmisión pobre)
[Padiyar, 2004].
Los sistemas de excitación que contienen elementos con retrasos de tiempo
significativos, tienen desempeños dinámicos pobres. Esta es una particularidad de los
sistemas de excitación tipo CA y CD. El control de excitación (a través de la
retroalimentación del voltaje del estator del generador) es inestable cuando el
generador está en circuito abierto, a menos que una ganancia muy baja de estado
estacionario sea usada por el regulador. Por lo tanto, la estabilidad del sistema de
control de excitación requiere que sea utilizada compensación serie o en
retroalimentación para aumentar su desempeño dinámico, como se muestra en la
figura 2.8.
La forma más comúnmente usada de compensación es la retroalimentación
derivativa, aunque los modelos estándar del IEEE permiten representar ambos tipos
de compensación [IEEE, 2005]. El efecto de la compensación es minimizar el cambio
de fase introducido por el retraso de tiempo en un rango de frecuencia seleccionado.
Esto resulta en un desempeño estable fuera de línea del generador. Los parámetros de
retroalimentación también pueden ser ajustados para aumentar el desempeño cuando
la unidad de generación esta en línea [Kundur, 1994].
1 El estabilizador de sistemas de potencia es un elemento o grupo de elementos que proporcionan una señal de
entrada adicional al regulador, con el fin de mejorar el desempeño del sistema de potencia. Nota: Se pueden usar
diferentes cantidades como entradas al estabilizador del sistema de potencia, como son: velocidad del eje,
frecuencia, potencia eléctrica de la máquina síncrona [Padiyar, 2004, IEEE, 1986].

20
Excitatriz y
RAV
VREF
Al campo del
generador
EFD
Compensación
1
F
F
sK
sT+
Σ
E
a) Compensación por retroalimentación derivativa.
Excitatriz y
RAV
VREF
Al campo del
generador
EFD
Compensación
1
1
C
B
sT
sT
+
+
Σ '
1
1 dosT+
Generador
VTE V1
b) Compensación serie por reducción de la ganancia transitoria.
Figura 2.8 Estabilización del sistema de control de excitación
(Adaptado de [Koessler, 1988, Kundur, 1994]).
EFD es la salida de voltaje de la excitatriz, VREF es el voltaje de referencia del regulador
de voltaje (determinado para satisfacer condiciones iniciales), VT es el voltaje terminal
de la máquina síncrona, KF es la ganancia del estabilizador del sistema de control de
excitación, TF es la constante de tiempo del estabilizador del sistema de control de
excitación, TC y TB son las constantes de tiempo de la reducción de ganancia
transitoria [IEEE, 2005].
2.2.4 Funciones principales de control del RAV
El papel básico del Regulador Automático de Voltaje RAV, es mantener constante el
voltaje en terminales del generador durante los cambios normales, pequeños y lentos
de la carga y mantener la potencia reactiva y el factor de potencia de la máquina
síncrona en un valor predeterminado [Elgerd, 1982, IEEE, 2005].
Estas funciones son descritas a continuación:
a) Control del voltaje en terminales
En algunos aspectos el corazón de los sistemas de excitación es el regulador de
voltaje. Este es el dispositivo que sensa los cambios en la salida de voltaje (y corriente)
y aplica la acción correctiva. No importa la velocidad de respuesta de la excitatriz,

21
ésta no modificará su respuesta hasta que se lo ordene el regulador de voltaje. Si el
regulador es lento, tiene banda muerta o juego, o es por lo demás insensible, la
regulación del sistema será pobre. Además de la alta confiabilidad y de la
disponibilidad para el mantenimiento, es necesario que el regulador de voltaje esté en
acción continua proporcional al sistema. Esto requiere que cualquier acción correctiva
debe ser proporcional a la desviación en el voltaje terminal de CA del valor deseado,
por lo que no se tolera ninguna banda muerta, primeramente son captados y
corregidos más fuertemente los errores grandes antes que los errores pequeños
[Anderson and Fouad, 2003].
b) Control de potencia reactiva y del factor de potencia
Los sistemas de excitación para las máquinas síncronas algunas veces son
complementados con medios opcionales de ajuste automático de la salida de potencia
reactiva (VAR) del generador o del factor de potencia (FP) a valores especificados por
el usuario. Esto se puede llevar a cabo con un controlador o regulador de potencia
reactiva o factor de potencia (sección 2.2.5).
2.2.4.1 Máquinas de soporte de voltaje Vs. Máquinas secundarias de
voltaje
El uso de reguladores y controladores var/fp tienen su origen en aplicaciones
industriales de motores síncronos y generadores, en los cuales la máquina síncrona es
típicamente conectada de forma directa al bus de distribución de la planta. Los
controladores y reguladores var/fp son usados continuamente en esos tipos de
aplicaciones industriales [Hurley and Mummert, 1999].
En este sentido cada máquina síncrona en el sistema de potencia, puede ser
clasificada dentro de una de las dos categorías siguientes [IEEE, 2005]:
Máquinas de soporte de voltaje
Máquinas síncronas que pueden ayudar en la regulación de voltaje del
sistema. La mayor parte de los generadores y condensadores síncronos deben
estar en esta categoría, particularmente máquinas grandes o algunas máquinas
que entregan energía directamente al sistema de transmisión. Esas máquinas
típicamente deben regular el voltaje, en este caso la utilización de los
controladores o reguladores var/fp no es apropiada.
Máquinas secundarias de voltaje o máquinas que siguen al voltaje
Máquinas síncronas que no se espera que puedan ayudar en la regulación de
voltaje del sistema, pero de las cuales se espera que mantengan el voltaje ante
variaciones entrantes al sistema. En esta categoría entran máquinas síncronas

22
pequeñas que son conectadas a los sistemas de distribución, la regulación de
voltaje en estas máquinas se hace mediante transformadores con cambiadores
de taps bajo carga o con otros dispositivos (ver [IEEE, 2005a]). Esas máquinas
típicamente serán las primeras que tengan justificación específica para incluir
un regulador o controlador var/pf, es decir para regular la potencia reactiva o
el factor de potencia.
Es de interés mantener la estabilidad de voltaje de la red y operar tantas máquinas
como sea posible como máquinas de soporte de voltaje, en vez de máquinas que
siguen al voltaje. Por lo tanto los controladores o reguladores var/fp no deben ser
especificados o utilizados de forma general en controles de excitación para
aplicaciones del generador de soporte de voltaje [Hurley and Mummert, 1999].
Cuando los controladores o reguladores var/pf se aplican a máquinas grandes o
máquinas conectadas al sistema de transmisión, reducen el nivel de regulación de
voltaje, esto puede afectar la estabilidad del sistema de potencia. Si se configuran
incorrectamente, los controladores o reguladores var/pf también pueden contribuir a
que haya en el sistema condiciones de sobrevoltaje o caída de voltaje. Muchas
empresas están desarrollando políticas para limitar el uso de tales controles o por lo
menos asegurarse de cada aplicación es examinada a detalle [IEEE, 2005].
A nivel de distribución la situación es algo diferente. Los sistemas de distribución
originalmente no fueron diseñados para depender de la regulación de voltaje de las
fuentes de generación; otros medios como son bancos de capacitores o cambiadores
de taps de transformadores son empleados. Aunque la introducción de la regulación
de voltaje puede mejorar el perfil de voltaje y la respuesta dinámica de sistemas de
distribución, su coordinación con controles existentes podía ser un problema donde
múltiples dispositivos controladores de voltaje están ubicados en un solo
alimentador. Bajo esas circunstancias los controles var/pf representan un modo
alternativo de operación que podría ser más difícil de coordinar [IEEE, 2005].
En el caso de un RAV con un controlador var/fp, este está equipado con un control
de lazo externo lento, que usa el error entre la medición y el valor deseado del factor
de potencia, potencia reactiva o corriente reactiva, para aumentar o disminuir el
punto de referencia del RAV, con el fin de mantener la salida reactiva deseada, esto es
lo mismo que si la unidad estuviera bajo el control continuo de un operador. El
controlador contribuye al desempeño correcto del regulador de voltaje durante un
disturbio, ante el cual el regulador de voltaje reaccionará inmediatamente y después
la potencia reactiva o el factor de potencia se integran lentamente de regreso al punto
de referencia para normalizar la acción correctiva del regulador de voltaje. Un
controlador var/pf permitirá soporte dinámico de voltaje durante fallas. Un
regulador var/pf no permitirá el soporte dinámico de voltaje durante fallas. Por lo

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