14 sistemas de excitatriz

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UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD CAPITULO 14 SISTEMAS DE EXCITACION El Sistema de excitación de una máquina sincrónica lo constituyen el conjunto de equipos encargados de proveer y controlar la corriente del rotor necesaria para mantener el campo electromagnético en el entrehierro, garantizar una tensión terminal en el generador constante e igual a un valor de referencia dado y proporcionar la mínima corriente de campo necesaria para que el generador no pierda estabilidad. Adicionalmente como objetivo secundario, el Sistema de excitación controla la cantidad de potencia reactiva que absorbe o entrega la máquina. En la figura Nº 14.1 se muestra el conjunto generador-gobernador-excitatriz, en éste la entrada a la excitatriz lo constituye el voltaje terminal de la máquina y su salida la tensión de campo, la cual es inyectada en el devanado de campo (rotor) para que conjuntamente con el movimiento rotativo de la máquina induzca una tensión terminal en el estator de la unidad. GENERADOR POTENCIA MECANICA TENSIÓN DE CAMPO EXCITATRIZ VELOCIDAD TURBINA GOBERNADOR TENSIÓN TERMINAL Figura N 14.1 Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 1

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Page 1: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

CAPITULO 14

SISTEMAS DE EXCITACION

El Sistema de excitación de una máquina sincrónica lo constituyen el conjunto de equipos

encargados de proveer y controlar la corriente del rotor necesaria para mantener el campo

electromagnético en el entrehierro, garantizar una tensión terminal en el generador

constante e igual a un valor de referencia dado y proporcionar la mínima corriente de

campo necesaria para que el generador no pierda estabilidad. Adicionalmente como

objetivo secundario, el Sistema de excitación controla la cantidad de potencia reactiva que

absorbe o entrega la máquina.

En la figura Nº 14.1 se muestra el conjunto generador-gobernador-excitatriz, en éste la

entrada a la excitatriz lo constituye el voltaje terminal de la máquina y su salida la tensión

de campo, la cual es inyectada en el devanado de campo (rotor) para que conjuntamente

con el movimiento rotativo de la máquina induzca una tensión terminal en el estator de la

unidad.

GENERADOR

POTENCIA MECANICA

TENSIÓN DE CAMPO EXCITATRIZ

VELOCIDAD

TURBINA GOBERNADOR

TENSIÓN TERMINAL

Figura N 14.1

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 1

Page 2: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD Se distinguen dos tipos básicos de excitatrices, estas son:

1. Excitatrices rotativas.

2. Excitatrices estáticas.

14.1 EXCITATRICES ROTATIVAS

Las excitatrices rotativas son las más antiguas y aún se encuentran en servicio en algunas

plantas de generación del país, aunque ya no están en el mercado. Constan de una fuente

DC representada por un generador de corriente directa ubicado en el mismo eje del

generador de potencia (ver figura Nº 14.2 ), por lo cual las variaciones de velocidad que se

producen en este eje producto de eventos en el Sistema de Potencia, pueden afectar la

tensión generada en la fuente de corriente directa. Por esta razón, este tipo de generadores

están asociados a elementos de control que permitan garantizar en gran medida una tensión

constante a la salida de la fuente DC.

TURBINA GENERADOR FUENTE DC

SISTEMA TURBINA-GENERADOR-EXCITATRIZ

Figura N° 14.2 La tensión de salida de esta fuente es aplicada sobre un reóstato variable y sobre el

devanado de excitación ubicado en el rotor del generador. La tensión aplicada sobre este

devanado es llamada tensión de campo y esta determinada por la caída de tensión

producida en el reóstato (ver figura Nº 14.3 ). El reóstato es controlado continuamente por

un regulador de voltaje, la actuación de este regulador mueve el cursor del reóstato

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 2

Page 3: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD variando la resistencia insertada, de esta manera se produce una variación de la caída de

tensión en el reóstato originando un incremento o decremento de la tensión de campo según

haya sido la consigna del regulador.

La actuación de este regulador es determinado por la señal de error proveniente de la

diferencia entre el voltaje terminal del generador y el voltaje de referencia que se desea

mantener. Cuando estas dos tensiones son iguales la entrada al regulador será cero, no

originándose ningún movimiento sobre el reóstato y se mantendrá la tensión de campo

constante. De producirse una variación en la tensión terminal que origine una señal error

diferente de cero, se producirá una señal de control en el regulador de voltaje que originará

un movimiento del reóstato para modificar la tensión de campo. Esta variación implicará un

incremento o decremento de la tensión terminal de modo de igualarla nuevamente a la

tensión de referencia y originar una señal de error igual a cero que produzca un nuevo

estado estacionario.

Vref Vt

REGULADOR DE VOLTAJE

FUENTE DC (acoplada al eje del generador)

+

+

Vt tensión de campo

GENERADOR

REOSTATO

EXCITARIZ ROTATIVA Figura N° 14.3

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 3

Page 4: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD 14.2 EXCITATRICES ESTATICAS

Estas excitatrices como su nombre lo indican no están asociadas a elementos rotativos que

impliquen componentes mecánicos, lo que le confiere una alta velocidad de respuesta.

Consta de una unidad reguladora de tensión y una unidad de fuerza construidas con

elementos eléctricos y electrónicos. En la figura Nº 14.4 se muestra un diagrama

esquemático de estas excitatrices.

La unidad de fuerza consta de un puente rectificador controlado por tiristores y una unidad

limitadora. El puente rectificador tiene como entrada la tensión terminal de la máquina

previamente reducida a través de transformadores de tensión. Esta señal de voltaje AC es

convertida en el puente a una señal de voltaje DC, denominada tensión de campo, la cual

alimenta al devanado de campo ubicado en el rotor de la unidad generadora, induciéndose

el voltaje terminal en el estator de la unidad.

limi- tador

RECTIFICADOR CONTROLADO

POR TIRISTORES

Vt Efd GENERADOR GENERADOR

DE PULSOS REGULADORDE VOLTAJE

Vt

Vre f+

Vt DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UNA EXCITATRIZ ESTATICA

Figura N° 14.4

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 4

Page 5: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD El valor de la tensión de campo puede variarse cambiando el ángulo de disparo de los

tiristores, al conducir estos para diferentes ángulos originan distintos valores de voltaje DC

a la salida del puente de tiristores. El punto de conducción de los tiristores lo determinan

los pulsos enviados de la unidad reguladora de tensión.

La unidad limitadora sensa la corriente de campo de modo de establecer las limitaciones de

operación de la excitatriz. Este circuito utiliza la señal proveniente del puente rectificador,

si por alguna razón la corriente que circula por el devanado de campo sobrepasa los límites

permitidos, esta unidad limitará la salida máxima del puente hasta un valor máximo

llamado voltaje cielo. Este voltaje representa la máxima tensión DC que la excitatriz es

capaz de suplir desde sus terminales por un corto tiempo.

El regulador de tensión consta de una tarjeta comparadora de tensión, la tarjeta reguladora,

y la tarjeta de pulsos. Este regulador envía los pulsos al puente de tiristores para bajar o

subir la tensión de campo garantizando así la tensión terminal constante. El proceso se

inicia en la tarjeta comparadora de tensión, la cual recibe como entrada una señal DC de

bajo valor equivalente a la tensión terminal del generador, ahí se compara con la tensión de

referencia fijada por el operador, determinándose el error entre estas dos tensiones. La

diferencia entre estas dos señales es enviada al regulador, quien provee a la tarjeta de

pulsos, la consigna de control para enviar los pulsos que controlan la secuencia y el ángulo

de disparo de los tiristores.

14.3 MODELOS DE EXCITATRICES

De acuerdo al tipo de excitatriz se debe establecer el modelo que la representa, en este

material solamente se presentará el modelo de las excitatrices estáticas, dado que el análisis

de los modelos está más asociado a los Sistemas de Control. El modelo más utilizado para

representar las excitatrices estáticas se muestra en la figura N° 14.5.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 5

Page 6: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD puente de tiristores y limitador comparador regulador de voltaje

+ puente limitador de corrientes negativas

figura N° 14.5 Efd min

Efd max Vt

K 1 + sTe 1 + sTb

1 + sTa

Vpss

Vt

Vref

Efd

En este modelo primeramente se simula el detector de la desviación de tensión, donde se

compara la diferencia entre la tensión terminal y la tensión de referencia, la desviación

obtenida permite excitar al regulador de voltaje, si esta diferencia es cero, este regulador no

se excita y no se genera ninguna acción de subir o bajar la tensión de campo, indicando que

el voltaje en terminales del generador es igual a la tensión de referencia. En el detector de

desviación de tensión se observa una tercera señal simbolizada como Vpss, esta señal es la

proveniente del estabilizador de potencia también denominado por la literatura

especializada como power system stabilizer ( PSS ), que para efectos de este análisis esta

señal no será considerada.

La salida del detector de desviación de tensión va hacia el regulador de voltaje, modelado

por una red de adelanto y atraso compuesto de un elemento derivativo con una constante de

tiempo Ta y un elemento integrativo con una constante de tiempo Tb. La ganancia del

regulador de voltaje esta representado por K, la cual esta asociada a una constante de

tiempo Te, que en muchos casos se puede despreciar ( Te=0 ).

La salida del regulador de voltaje va hacia un multiplicador, donde se multiplica con el

voltaje terminal representando el efecto del puente rectificador controlado por tiristores.

Posteriormente la señal obtenida pasa al puente limitador de corrientes negativas que

modela el efecto de los puentes rectificadores unidireccionales, que a través de un circuito

de descarga con una resistencia no lineal permiten proteger al devanado de campo de

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 6

Page 7: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD corrientes negativas, en el caso de no existir este circuito este bloqueo no es considerado en

el modelo.

Finalmente, la tensión obtenida pasa al limitador de la tensión de campo ( Efd ) limitada

por la tensión cielo tanto positiva como negativa.

DIFERENCIAS ENTRE LAS EXCITATRICES ESTATICAS Y LAS

EXCITATRICES ROTATIVAS

EXCITATRICES ROTATIVAS

− Presenta elementos electromecánicos.

− Presenta baja ganancia.

− Tiene una baja velocidad de respuesta

asociada a constantes de tiempo altas.

− La tensión de cielo alcanza bajos

valores, hasta dos veces el valor que

presenta esta tensión en condiciones

normales.

− Mayor mantenimiento por ser un

sistema rotativo, en especial el cambio

de carbones en las escobillas.

− No contribuye de manera significativa

a mejorar la estabilidad transitoria por

su baja velocidad de respuesta.

EXCITATRICES ESTATICAS

− Presenta elementos electrónicos.

− Presenta alta ganancia.

− Tiene una alta velocidad de respuesta

asociada a constantes de tiempo bajas.

− La tensión de campo alcanza altos

valores, hasta cinco veces el valor que

presenta esta tensión en condiciones

normales

− Menor mantenimiento por ser un

sistema estático.

− Mejora la estabilidad transitoria por su

alta velocidad de respuesta.

En base a estas diferencias a continuación se explica el comportamiento de la excitatriz

cuando es sometida a una pequeña y gran perturbación, donde se denotan estas diferencias.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 7

Page 8: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

14.5 RESPUESTA DE LA EXCITATRIZ ANTE UNA PEQUEÑA

PERTURBACION.

Una manera de examinar la respuesta del conjunto generador-excitatriz, consiste en aplicar

un escalón de tensión en el voltaje de referencia de la excitatriz con la unidad en carga, este

evento es considerado como una pequeña perturbación que permite teóricamente revisar los

modelos que representan los diferentes sistemas de control, de manera de estudiar la

respuesta dinámica del Sistema de Potencia ante perturbaciones. En la práctica esta es una

prueba que eventualmente se realiza para examinar la amortiguación de la unidad

generadora con sus lazos de control operando con los diferentes ajustes calculados en los

modelos teóricos.

En la figura N° 14.6 puede observarse un diagrama esquemático del conjunto generador-

excitatriz indicando el punto donde se inyecta el escalón de tensión. Este escalón consiste

en incrementar o decrementar bruscamente la tensión de referencia de la unidad generadora

de forma tal que la unidad suba o baje su tensión terminal en un pequeño porcentaje.

Típicamente el porcentaje de variación de este escalón esta acotado entre 1 y 5, de forma

tal que la perturbación introducida no afecte a los clientes conectados a la red eléctrica.

Con el fin de analizar la respuesta de una excitatriz estática y una rotativa ante una pequeña

perturbación, a continuación se estudia dicha respuesta ante un escalón de tensión del 5%

positivo en el voltaje de referencia de dichas excitatrices, que tenderá a incrementar la

tensión terminal en ese mismo porcentaje.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 8

Page 9: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

+

punto de inyección del escalón de prueba

Vref

Vt

TENSIÓN DE CAMPO

POTENCIA MECANICA

EXCITATRIZ

GENERADORVOLTAJE TERMINAL

VELOCIDAD

TURBINA GOBERNADOR

Figura N° 14.6

Al momento de producirse el escalón se crea un diferencial entre el voltaje terminal y el

voltaje de referencia, esta diferencia originará la actuación del regulador de voltaje que

ordenará incrementar la tensión de campo. En la figura N° 14.7 puede observarse la

respuesta de la tensión de campo para ambas excitatrices denotándose amplias diferencias

entre éstas que se detallan a continuación:

− Inicialmente se observa un súbito incremento de la tensión de campo de la excitatriz

estática permitiendo incrementar esta tensión desde 260 voltios hasta casi 1000 voltios,

es decir cuatro veces el valor inicial; mientras que en la excitatriz rotativa este

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 9

Page 10: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA

Figura N° 14.8

Figura N° 14.7

ezcitatriz rotativaezcitatriz estática

ezcitatriz rotativaezcitatriz estática

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 10

Page 11: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

incremento es mas suave y gradual, incrementándose desde 260 voltios hasta 430

voltios, no alcanzando a duplicar su valor inicial.

− El tiempo de respuesta es notable en la excitatriz estática alcanzando su valor máximo

en 50 milisegundos, este valor puede observarse en mayor detalle en la figura N° 14.8,

donde se muestra la tensión de campo para ambas excitatrices en una escala de tiempo

menor ( de 0 a 1 segundo). En la excitatriz rotativa este valor máximo se alcanza casi a

los 10 segundos.

− El tiempo de estabilización de la excitatriz estática se alcanza aproximadamente en un

segundo, por lo cual el efecto sobre la dinámica de esta excitatriz es despreciable

después de este tiempo al mantenerse ésta en un valor constante. En la excitatriz rotativa

aunque su tiempo de estabilización sobrepasa los 10 segundos, puede considerarse que

después de los 2 segundos su efecto sobre la dinámica del Sistema es poco significativa,

dado que la variación de la tensión de campo después de ese tiempo es muy pequeña y

gradual.

La variación en la tensión de campo origina un incremento de la tensión terminal de la

unidad generadora. En la figura N° 14.9 puede observarse el comportamiento de esta

tensión ante el escalón de tensión introducido. En esta se puede observar que la tensión

terminal inicial es de 1 pu y tenderá a incrementarse en 5 % (1.05 pu). Al analizar la

respuesta tanto para la excitatriz rotativa como la estática se puede concluir:

− La tensión terminal alcanza su valor final de 1.05 pu en aproximadamente un segundo en

la excitatriz estática, en concordancia con la rapidez de respuesta de la tensión de

campo. Mientras que en la excitatriz rotativa el valor de 1.05 pu lo alcanza en

aproximadamente 6.5 segundos, denotando su menor rapidez de respuesta.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 11

Page 12: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD − En dos segundos la tensión terminal para el caso de la excitatriz estática esta totalmente

estable e igual a un valor constante (1.05 pu). En la excitatriz rotativa, en diez segundos

aún la tensión terminal no se ha estabilizado presentando un sobrepaso con respecto a

1.05 pu que tenderá a estabilizarse después de ese tiempo.

Este incremento de la tensión terminal origina que la máquina se sobreexcite en mayor

proporción aportando potencia reactiva capacitiva al Sistema. En la figura N° 14.10 se

muestra el comportamiento de la potencia reactiva ante este evento, donde se evidencia este

efecto. Obsérvese como la potencia reactiva para ambos casos se incrementa desde su valor

inicial de 0 MVAR hasta un valor capacitivo, siendo mayor la rapidez de respuesta de la

excitatriz estática en concordancia con lo explicado anteriormente. En este caso la

excitatriz estática aporta una mayor cantidad de potencia reactiva, 180 MVAR en la

excitatriz estática contra 40 MVAR de la excitatriz rotativa.

En la potencia activa de la unidad (ver figura N° 14.11 ) se observa una oscilación

momentánea debido a que la variación en la tensión de campo introduce un cambio en el

torque eléctrico que afecta el torque acelerante y desacelerante de la unidad, este efecto es

transitorio mientras dure la respuesta de la tensión de campo. Es conveniente denotar que

para ambos casos el valor final de la potencia activa es igual al valor inicial, dado que no se

ha producido ningún desbalance generación-carga la máquina debe estabilizarse en el

mismo valor.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 12

Page 13: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN TERMINAL ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA

Figura N° 14.9

ezcitatriz rotativaezcitatriz estática

ezcitatriz rotativaezcitatriz estática

COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA REACTIVA ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA

Figura N° 14.10

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 13

Page 14: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ACTIVA ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA

ezcitatriz rotativaezcitatriz estática

Figura N° 14.11

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 14

Page 15: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

14.6 RESPUESTA DE LA EXCITATRIZ ANTE UNA GRAN PERTURBACION

En esta parte se estudia el comportamiento del conjunto generador-excitatriz ante una gran

perturbación, tal como la ocurrencia de una falla trifásica de baja impedancia de falla en

bornes del generador (ver figura N° 14.12 ). En este caso se trata de una excitatriz estática.

resistencia de falla

generador

SISTEMA ELECTRICO

Figura N° 14.12 Al producirse la falla se produce una fuerte depresión de tensión que ocasiona que la

tensión terminal de la máquina disminuya desde su valor pre-falla cercano a 1 pu a una

tensión muy baja en el orden de 0.4 pu, esta depresión de tensión se refleja en todo el

Sistema Eléctrico y tiene una corta duración ( 100 milisegundos ), correspondiente al

tiempo de despeje de la falla.

En la figura N° 14.13 se muestra el comportamiento descrito de la tensión terminal de la

unidad generadora. En esta se presenta una primera gráfica con una resolución de un

segundo, donde se evidencia la depresión de tensión inicial y la rápida recuperación de la

tensión una vez despejada la falla. Similarmente, se muestra una segunda gráfica con una

resolución de cinco segundos, donde se observa que la tensión se recupera rápidamente

estabilizándose en un segundo en un valor cercano a su valor pre-falla. En esta situación a

pesar que la máquina fue sometida a una gran perturbación, su exigencia no compromete la

estabilidad de la unidad.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 15

Page 16: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

Ante esta fuerte variación de la tensión terminal la excitatriz responde incrementando la

tensión de campo durante la falla para recuperar la tensión terminal. En la figura N° 14.14

puede observarse el comportamiento de la tensión de campo durante los primeros 100

milisegundos, la tensión de campo se incrementa desde su valor inicial de 250 voltios a un

valor cercano a los 900 voltios ( 3.6 veces), producto de la actuación del regulador de

tensión de la excitatriz al detectar una diferencia entre el voltaje terminal y el voltaje de

referencia.

En los primeros milisegundos a pesar que la tensión de campo se incrementa hasta su valor

cielo, se observa que momentos antes de despejar la falla la tensión de campo es inferior al

valor que tiene después de despejada la falla y que esta se incrementa súbitamente justo en

el momento de despejar la falla. Este comportamiento se debe a que la magnitud del voltaje

de campo esta determinada por el voltaje terminal inyectado en el puente rectificador de la

excitatriz. Durante el lapso de falla la tensión terminal se deprime un 60 % y es esta

fracción de la tensión terminal la que es rectificada en el puente de tiristores, los cuales

están a su máxima conducción para producir la tensión cielo en la excitatriz. Una vez

despejada la falla los tiristores conservan por unos milisegundos su máxima conducción,

sin embargo la tensión terminal inyectada al puente de tiristores para ser rectificada es

mayor, esta se ha recuperado a un valor cercano a 1 pu, produciéndose una tensión cielo

cercana a los 1900 voltios ( 7.6 veces el valor inicial ). Nótese que el incremento súbito es

producido por el incremento de la tensión terminal a ser rectificada y no por la acción del

regulador de voltaje al variar el ángulo de disparo de los tiristores. Una vez despejada la

falla y recuperada la tensión terminal, el regulador de voltaje enviará los nuevos ángulos de

disparo a los tiristores permitiendo en unos pocos milisegundos reducir la tensión de campo

a un valor cercano al valor pre-falla y contribuir de esa manera a estabilizar la tensión

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 16

Page 17: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

Figura N° 14.13a

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN TERMINAL EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN TERMINAL EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

Figura N° 14.13b

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 17

Page 18: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

Figura N° 14.14a

Figura N° 14.14b

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 18

Page 19: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

terminal. En este proceso de estabilización la tensión de campo puede presentar unas

ligeras oscilaciones durante los primeros segundos como se observa en la figura N° 14.14,

estas tienden a amortiguar las variaciones en la tensión terminal producto de la acción del

torque acelerante y desacelerante.

La potencia reactiva en el generador sigue un comportamiento similar a la tensión de

campo. Durante la falla debido al incremento de la tensión de campo la máquina aporta una

gran cantidad de potencia reactiva capacitiva (ver figura N° 14.15 ), que fluye hacia el

punto de falla generando su contribución a la corriente de cortocircuito. Al despejarse la

falla se elimina este sumidero de reactivos y la máquina reduce su tensión de campo,

restableciendo la potencia reactiva a un valor cercano a su valor inicial.

Por el contrario, la potencia activa producida en el generador se reduce bruscamente

durante la falla, pasa desde su potencia inicial de 320 MW a casi 20 MW durante la falla.

La depresión de tensión impide la transmisión de potencia desde ese generador en

concordancia con la siguiente expresión:

P = Vt Vthe SEN ð

transmitida Xthe

donde: Vt : voltaje terminal

Vthe: voltaje thevenin equivalente del sistema eléctrico

Xthe: reactancia thevenin equivalente del sistema eléctrico

ð: ángulo de transmisión entre Vt y Vthe.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 19

Page 20: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA REACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

Figura N° 14.15a

COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA REACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

Figura N° 14.15b

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 20

Page 21: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

De esta expresión se deduce que si Vt tiende a cero el módulo ( Vt Vthe ) / Xthe también

tenderá a cero, originando una potencia transmitida muy pequeña durante la falla. Por su

parte, el ángulo de transmisión ð tendera a incrementarse. Este punto será analizado con

mayor detalle cuando se trate el problema de estabilidad transitoria.

En la figura N° 14.16 se muestra el comportamiento de la potencia generada por la unidad,

detallándose en una resolución de uno y cinco segundos. Denotándose la pequeña potencia

transmitida durante la falla, parte de esta potencia alimentará la resistencia de falla y otra

parte fluirá hacia el Sistema Eléctrico. Una vez despejada la falla, se recuperarán las

tensiones permitiendo restablecer Vt a un valor cercano a 1 pu como se explicó

anteriormente, por lo que el módulo ( Vt Vthe ) / Xthe adquirirá una magnitud similar a la

pre-falla. En ese instante la máquina volverá nuevamente a generar su potencia, aunque en

los primeros segundos se originará una oscilación de potencia producto de la variación del

torque acelerante ocasionado por la falla. Finalmente, la potencia se estabilizará en un valor

cercano a su valor inicial, dado que no se ha producido ningún desbalance generación-carga

ésta retornará a ese valor.

La aparición de un torque acelerante durante la falla producto que en ese lapso la potencia

mecánica es mayor que la potencia eléctrica, originará un incremento de la velocidad y por

lo tanto de la frecuencia ( ver figura N° 14.17 ). Sin embargo, después de despejada la falla

aparecerán las fuerzas restauradoras que contrarresten ese torque acelerante retornando la

máquina nuevamente a su velocidad y frecuencia normal.

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 21

Page 22: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

Figura N° 14.16a

Figura N° 14.16b

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 22

Page 23: 14 Sistemas de Excitatriz

UNEXPO DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II 23

COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

COMPORTAMIENTO DE LA FRECUENCIA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL

Figura N° 14.17a

Figura N° 14.17b