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Tesis previa a la obtención del Título de Ingeniero Eléctrico ANÁLISIS DIGITAL DE LA PERDIDA DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA JOSÉ R. LÓPEZ GONZÁLEZ Noviembre de 1979

Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

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Page 1: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Tesis previa a la obtención del Título de

Ingeniero Eléctrico

ANÁLISIS DIGITAL DE LA PERDIDA DE EXCITACIÓN DE

LA MÁQUINA SINCRÓNICA

JOSÉ R. LÓPEZ GONZÁLEZ

Noviembre de 1979

Page 2: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Certifico que el presente trabajo

de Tesis ha sido realizado en su

totalidad por el señor JOSÉ LÓPEZ

GONZÁLEZ.

JDÁ

DIRECTOR DE TESIS

Page 3: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

A G R A D E . O I M I E N T O

Al Sr. Ing, MENTOR POVEDA, Director de la

presente Tesis, quien con sus valiosas in

dicaciones y sugerencias ha hecho posible

la realización de este trabajo.

A las personas que forman el Departamento

de Potencia, especialmente a quienes inte_

gran el área de MAQUINAS ELÉCTRICAS.

A los integrantes del Centro de InformátJL

ca y Computación de la EPN, y en forma e_s

pecial al buen amigo y compañero PATRICIO

PROAÑO.

A todos GRACIAS

Page 4: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Í N D I C E

Gontenido Págs.

INTRODUCCIÓN 1

CAPITULO I: LA MÁQUINA SINCRÓNICA

1.1. Introducción .* 4

1.2. Ecuaciones de la máquina sincrónica .« 5

1.2.1. Ecuaciones de voltaje 6

1.2o 2. Ecuaciones de las concatenaciones de flujo 8

1*2.3. Ecuaciones de las inductancias 9

1-3. Ecuaciones de la máquina sincrónica referidas

al estator 12

1*4. Ecuaciones de la máquina sincrónica en la re-

ferencia del rotor 18

1.4.1. La transformada de Park 18

1.4.2. Ecuaciones de las concatenaciones en los ejes

q, d, o 21

1.4.3* Ecuaciones de voltajes en los ejes q, d, o 23

1.4-4. Ecuaciones de potencia y torque 26

1.5. Ecuaciones de la máquina sincrónica en por unidad 28

Page 5: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Contenido Págs

CAPITULO II: OPERACIÓN ASINCRÓNICA DE LA MAQUINASINCRÓNICA

2.1. Introducción 34

2.2C Comportamiento de la máquina sincrónica al perder

la excitación 35

2.3- Principio de funcionamiento de una máquina de in-

ducción - 37

CAPITULO III; ANÁLISIS MATEMÁTICO DE LA OPERACIÓNASINCRÓNICA

3.1. Introducción 46

3.2. Ecuaciones de voltaje, concatenaciones de flujo y

corrientes en los ejes q, d, o 47

3.2*1. Circuitos equivalentes de las reactancias opera-

cionales en los ejes directo y en cuadratura ... 47

3.3. Ecuaciones de corriente, potencias activa y reac-

tiva * 68

3.3.1. Ecuación de corriente 68

3.3.2. Ecuación de potencia activa 70

3.3.3. Ecuación de potencia reactiva 72

Page 6: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Contenido Págs

3.4. Estudio del campo 74

3.4.1* Corriente inducida en el campo cuando el bobina-

do de campo está cortocircuitado 74

3*4.2. Voltaje inducido en el campo cuando el bobinado

de campo está en circuito abierto 77

CAPITULO IV: PROGRAMA DIGITAL

4.1. Descripción, general del programa 81

4» 2. Diagramas de flujo ...* 84

4.3* Desarrollo de un ejemplo 91

4-3*1. Obtención de la constante H 91

4*3*2. Resultados - 99

4.4* Comentarios sobre los resultados 112

CAPITULO Y: CONCLUSIONES T RECOMENDACIONES

5.1. Conclusiones , 115

5.2. Recomendaciones * 117

Page 7: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Contenido

ANEXOS

ANEXO A: Parámetros de la máquina sincrónica ........ 118

ANEXO B: Manual de uso del programa ...... . ........... 126

ANEXO G; Listados del programa ..... é ................ 132

BIBLIOGRAFÍA ...................................... , ____ 136

Page 8: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

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P>

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íH l>

Page 9: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

—1—

INTRODUCCIÓN

En la actualidad, las fallas que se presentan en los

alternadores son pocas, como resultado, tanto de los diseños

modernos, como por la calidad de los materiales empleados en

su construcción.

No todas las fallas requieren necesariamente de la

desconexión de la máquina, y esto es importante en un sistema

de potencia, el cual tiene como uno de sus objetivos principa

les, el dar un servicio lo más continuo y confiable como sea

posible. Este es el caso de la pérdida de excitación, que si

bien es una falla que requiere la protección adecuada, no ne-

cesariamente implica la desconexión de la máquina. Desde és-

te punto de vista,, es importante estudiar el comportamiento

de la máquina sincrónica conectada a un sistema eléctrico de

potencia cuando pierde su excitación. Este es el objetivo de

la presente tesis.

La máquina sincrónica puede perder la excitación, ya

\ sea debido a un circuito abierto o a un cortocircuito en el

circuito de excitación.^ En éstas circunstancias, y bajo cier

tas condiciones, la máquina sincrónica puede permanecer conec_

tada al sistema de potencia, pero en éste caso, pasa a un es-

Page 10: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

—2-

tado de funcionamiento asincrónico.

En primer término, se desarrollan las ecuaciones ge.

nerales de la máquina sincrónica, y a partir de éstas, se rea

liza el análisis matemático que va a permitir obtener las con

diciones de funcionamiento de la máquina en el modo asincróni

co. Este análi ¿g_jiaA.emá á ^ _s _ba_3_a en la suposición _de un

sistema cuasÁe st acionario, en el cual el deslizamiento se su

pone constante. Esta consideración, nos permite calcular pa

ra diferentes valof'es de deslizamiento, diferentes valores de

potencias, corrientes, etc..; por lo que puede considerarse a

este análisis matemático como un método de "puntó por punto".

Cabe señalar, que durante la operación asincrónica,

existen fluctuaciones de deslizamientos asociados con fluctúa

ciones de potencia, que dependen de las condiciones del sist_e

ma y de los parámetros de la máquina. En este caso, el análi.

sis exacto del problema requiere la solución de las ecuacio-

nes diferenciales no lineales. Sin embargo, la suposición de

deslizamiento constante, hace posible obtener resultados con

suficiente aproximación.

Finalmente, utilizando una de las máquinas sincróni.

cas existente en el Laboratorio de Máquinas Eléctricas de la

Page 11: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

Escuela Politécnica Nacional, se prueba el programa digital es

laborado para estudiar la operación asincrónica de las máqui-

nas sincrónicas.

Page 12: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

C A P I T U L O I

LA MAQUINA SINCRÓNICA

Page 13: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-4-

1.1. INTRODUCCIÓN

En una máquina sincrónica existe una relación cons -

tante entre la velocidad y la frecuencia de la línea o red de

suministro de energía eléctrica.

Como toda máquina eléctrica, las máquinas sincróni-

cas son de funcionamiento reversible, y están excitados por u

na corriente que alimenta al arrollamiento de excitación des-

de una red de energía de continua, o desde una máquina d.c.,

llamada excitatriz*

La máquina sincrónica contiene en general cuatro "bo-

binados "básicos: tres bobinados del estatür idénticos y dis-

tribuidos simétricamente a lo largo del estator, y un bobina

do del rotor o bobinado de campo. Además de estos bobinados,

comúnmente la máquina viene con arrollamientos amortiguadores

alojados en el rotor.

El principio de funcionamiento de la máquina sincró-

nica es esencialmente el mismo que el de una máquina de co-

rriente continua, con la diferencia que en la máquina sincró.

nica, no es necesario rectificar la fuerza electromotriz del

inducido que es función del tiempo.

Page 14: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

El objeto del presente capítulo, no es precisamente

describir el funcionamiento cualitativo de la máquina sincró-

nica, sino por el contrario, tiene por objeto estudiar la má

quina sincrónica desde el punto de vista matemático, de mane-

ra de poder predecir cuantitativamente el funcionamiento de

la máquina. En base a esto, en primer lugar se deducirán las

ecuaciones que describen el comportamiento de la máquina sin-

crónica para acción motora, y posteriormente se transformarán

estas ecuaciones a una referencia en la cual, puedan eliminar

se aquellas variables que dependen del tiempo, de manera que

sean fácilmente manejables.

1.2. ECUACIONES DE LA MAQUINA SINCRÓNICA

Las ecuaciones generales de la máquina sincrónica,

son desarrolladas en base a la máquina sincrónica elemental

trifásica de dos polos indicada en la figura 1.1 y en la cual

se han realizado las siguientes suposiciones:

1. Circuito magnético lineal.

2. Distribución uniforme de los bobinados del estator, así

como, el establecimiento de una onda de fuerza magnetomo-

triz sinusoidal a lo largo del entrehierro.

Page 15: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-6-

3. Las ranuras del estator producen variaciones despreciables

en las inductancias.

EJE b

EJE C

EJE

5'IG. l.l.

1.2.1. VOLTAJES (Bibl.. 1,2,3)

A cada uno de los seis devanados de la figura 1.1 es

aplicable la siguiente ecuación de voltaje.

Page 16: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-7-

v = ri

Donde;

1.1.

voltaje de cada devanado,

resistencia total de cada devanado,

v

r

A

p = operador

concatenaciones totales de flujo,

í-dt

v = r i + PAas s as * as

V = T Í 4- T)*bs s bs pAbs

v = r i + pxes s c s x c s

v, = r, i. -f px,kq kq_ kq. ^ kq

kd

vfd ~ rfd1fd + PAfd

escribiendo 1*2. en notación matricial.

Vas

•ybs

ves

v,kq

vkd

JX

rQ ,0 0 ! 0 0 0

0 r 0 í 0 0 08 !

0 ®0 r J 0 0 0S i

,„ ._ _ .... i-, „ , . , . . M, ,. ....

0 0 0 i r, 0 0i kqi

0 0 0 } 0 rkd 01

0 0 0 { 0 0 rfd

as

±bs

ies

Vikd

-ifd

+ T1P

Xas

bs

XGS

Vkq

Xkd

Xfd

1.2

1.3

Page 17: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-8-

"La ecuación matricial.lanterior puede escribirse de la

siguiente manera:

N i H+ P

N1.4.

M - 1.5.

En donde:

El subíndice "s11 se refiere a todas las cantidades del estator.

El subíndice "r" se refiere a todas las^cantidades del rotor.

1.2.2. CONCATENACIONES DE FLUJO' (Bibl. 1.2)

o:

ABs

Aes

A

Afd

=

Las concatenaciones de flujo pueden ser expresa

asas asbs ases askq askd asfd

T T T T T Tbsas bsbs bscs "oskq oskd bsfd

esas csbs eses cskq cskd csfd

L, L, , L, L, , L, , ., j L, „ -kqas kqbs kqcs k kq. kqkáfe Kqfd

L L , L L L Lkdas k^bs kdcs kdkq kdkd kdfd

Lfdas Lfdbs Lfdcs ¡ Lfdkq Lídkd Lfdfd

.das ce

as

es

_ifd_

1.6

Page 18: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-9-=

Al igual que la ecuación majctricial de voltajes, la e-

cuación 1.6 puede escribirse como sigue:

w|M]

fsj ; per]

JVPi i1-].M"R

1.7,

1.8,

1.2,3. INDUQTAITGIAS (Bibl. 1.2.4)

Si bien las inductancias del rotor son constantes e in

dependientes del desplazamiento angular del rotor 0 , sin em-

bargo, las inductancias propias de los bobinados del estator y

las inductancias mutuas entre bobinados del estator, como tam

bien, entre bobinados del estator y rotor, son funciones sinu-

soidales de Q

Las siguientes ecuaciones determinan las inductancias dadas en

1.6.

INDUCTANCIAS PROPIAS DEL ESTATOR

Lasas = Ln + LA - L nnn OClIs A B eos 20r

LT -, L-, 4* L. — LT-, f~. i ¿\Tbsbs = Is A B eos 2( Br - =—

Page 19: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-10-

L = Ln + LA - L,, eos 2( 9r + feses Is A B 3

Donde L-, es la inductancia de dispersión de cada bobinado del

= L_. -f L -,Ikq mkq

Lkdkd " Llkd + Lmkd

Lfdfd ~ Llfd + Lmf

Donde Ih T..O i ^-iv' son "as resPec" :i-'v:&s inductancias de

dispersión.

INDUCT.ANCIAS MUTUAS ENTRE LAS FASES DEL ESTATOR

L , = L , = - -ó L. - L-oCOS 2( 0r - —)asbs bsas 2 A B 37

L =L = - LA - L^cos 2( 9r + |)ases • esas 2 A B .3'

L, = L , = - LA .- L^cos 2( 9r + Tí)bscs csbs 2 A B '

INDUCTANOIAS MUTUAS ENTRE LOS DEVANADOS DEL ROTOR

L, -, Tkqkd

Page 20: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-11-

Jkqfd ' -"- " °

Lkdfd ~ Lf dkd = Hfd

L , = L! = L eos 9raskq kqas sq

askd ~" kdas " sd

Laefd = Lfdas = Lsfsen 0r

O fT

bskq ~" kqbs "" sq 3

( fi 2 TT .Lbskd = Lkdbs = Lsdsen( ür "" 3 }

T _ T _ T n( Qr 2ÍT .Jj-i rt i •— Jj ** n i ~~ JJ _oO tíil V V/ X "™ -» ybsfd fdbs sf 3

L , = L, = L cos( 0r + ~)cskq kqcs sq 3

L , , = L, , = L ,,sen( 0r + —z—)cskd kdcs sd 3

I» j>j = I»^j - I* ^.sen( 0r + ~T")csfd fdcs sf N 3

Substituyendo estas inductancias en 1.6., las subma-

trices de inductancias en 1.7. quedan de la siguiente forma;

29rJ.S A -D

1L

8 "2LA*LBCOs2 (6r"3 ^s^A'V082 (9r-^f ) "2LA"LBCOs2

~ L ~ L C O s 2 (0r+ ) - L " LA ~ B

1.9.

Page 21: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

sr

L eos 6rsq

T ^A 2TLL cos(ür-— )s q . 3 '

-,, + L ,Ikq mkq

O

O

L , sen 9rsd

O

Llkd + Lmkd

Mfd

L «sen 9rsf

T /a 2fiLefsen(Ur-—

O

Mfd

Llfd + Lmf

1.10.

1.11.

1.3.

(Bibl. 1,2,3,5)

En el estudio de los fenómenos que tienen lugar en u

na máquina sincrónica, es necesario expresar las variables de

los devanados del rotor en términos del estator, ya que sino,

suele dificultarse la apreciación cuantitativa del proceso, a

sí como, la representación de diagramas fasoriales. Por otra

parte, como generalmente los parámetros de la máquinajspn^me^-

didos con respecto al_^3Jia¿PX.j^_es_cpnveniente reducir los de-

vanados del rotor al estator.

El método para reducir los devanados del rotor al es.

Page 22: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-15-

tator, no es otro, que el de transformar el devanado del ro-

tor en otro equivalente, del mismo número de espiras que el

devanado del estator, siempre que no resulten afectadas las

condiciones de funcionamiento en el proceso de reducción del

rotor al estator. De esto resulta, que la transformación se

realiza multiplicando los valores del rotor por una adecuada

relación de espiras.

A continuación, se presentan para un solo devanado,

los valores referidos al estator ( notados con prima 1 I I M . )

Transformaciones similares se aplican a los otros devanados.

vfd " Nf d fd

} » _ Ns ;>Af d ~ u? a f a-i i 2 / área s

zea ~ 3 v NSr. _ f _ ) r

fd ™ 2vNfa ; fd• -L¿1 l

T .mf s Lad

x T ,«j ) Ladf d 3 Ns

TLsf

Page 23: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-14-

Bl factor •= en las ecuaciones 1.12 como se observará

posteriormente, es debido a que la máquina trifásica ha sido

sustituida por una "bifásica equivalente. Este factor es nece,

sario incluir, para permitir que el sistema "bifásico produzca

la misma fuerza magnetomotriz que el sistema trifásico origi-

nal*

Reemplazando 1.12. en la matriz Fv ~| (ecuación 1.3)

lkq;«

JSk.q ,Na kq

Nkd ,-TT V ' ,Ns kd

Ni d v '

La ecuación anterior puede escribirse así:

H-Sk& o

NkdV -KTNs

0

0

NfdNs_

Vkq

v'kd

v1vfd

1.13.

Por tanto:

H-- MN

1.14.

1.15.

Page 24: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-15-

Donde:

H-Sr ° °Nkg

n Ne n0 Nkd °

n n ^~0 ° Nfd

HLr.=v/kq

'kd

V1fd

Al igual q.ue con los voltajes, procediendo en forma

similar con las matrices ptl e fljl de las ecuaciones 1.7. y

1.4» éstas se transforman en:

] - H1.16.

1.17.

H

Donde:

Akq.

1.18.

1.19.

Lkd

•fd

Reemplazando 1.12 en 1.11 :

Page 25: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-16-

H-(tp3-)2 o o

o o (S£ávFs

ito:

)2

gw3

0

0

L' ,+Lad Lad

Lad L' -,+Ladlid

1.21.

donde:

o

Líkd + Lad

O

Lad

Lifd + Lad

1.22.O

O Lad

Reemplazando las relaciones 1,12. en la matriz [Rr]

de la ecuación 1.4* tenemos:

~ I "KT I — I T> I I 1 TZ[ JN J IV 1. ¿ .

f;]=|(WM[\ 1.24.Donde:

rr 0 0

0 kd

O O r

0

Page 26: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-17-

Reemplazando 1.12 en 1.10

-1

Donde:

Laq eos ftr/

Laq cosOr-:

r

Laq

Lad sen 0r

Lad sen(8r-—}

j i \d sen(9r+—)

1.25.

1.26.

Lad sen 6r

Lad sen(9r-— )

T ,Lad 2fl\.

Obteniendo las transpuestas respectivas en las ecua-

ciones 1.25 y 1.26 :

Reemplazando 1.14» 1-16, 1.18 y 1.23 en 1.4 te-

nemos;

tJ ro

NFJ

+

M1.30.

Reemplazando 1,16, 1.18, 1.20, 1-25 y 1.28 en

1,7 se obtiene:

w N ¡ M PJ 1.31.

Page 27: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-18-

Las ecuaciones 1.30 y 1.31 son las ecuaciones correei.

pendientes a las ecuaciones 1.4 y 1.7 pero con los valores re*

feriaos del rotor al estator.

1.4. ECUACIONES DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA EN LA REFERENCIA

DEL ROTOR

1.4.1. LA TRANSFORMADA DE PARK (Bibl. 1,2,3)

En el análisis de máquinas de corriente alterna» es

costumbre emplear un cambio de variables que formulen trans -

formación de las variables del estator y rotor a una referen-

cia común.

Las ecuaciones de transformación pueden entonces ser

ideadas para transformar éstas variables a una referencia que

gira a una velocidad angular arbitraria* Sin embargo^el _e.s.-

tator o rotor de una máquina es asim trjLcaj, y los coeficien -

tes que varían con el tiempo aparecerán en las ecuaciones de

voltaje en todas las referencias, excepto para aquella fija-

da en la máquina donde la asimetría exista. En nuestro caso,

es conveniente por lo tanto seleccionar una referencia fijada

en el rotor.

Page 28: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-19-

La transformada de Park, constituye las ecuaciones

de transformación, que establece, el cambio de variables del

estator a la referencia del rotor. Hay que aclarar que esta

transformación es matemática y más precisamente una transfor-

mación trigonométrica, y por lo tanto, no presenta en sí un

significado físico*

La transformada de Park, recibe también el nombre de

transformada en los ejes q, d, o y viene dada por las siguien

tes relaciones:

•f 11 = -2qs 3

f ^ i ^? u -o / u «- ' • \ -í> i r\ ¿'^ >j — -zds 3

^> ~os " 3 I "as ' ^bs ' "es

En donde:

f representa voltaje, corriente o concatenaciones de flujo

0 es el desplazamiento angular del rotor y se define como

La variable f es incorporada, pues es necesario t^

ner tres variables independientes, ya que se va a transformar

un sistema de tres variables (a, b, c). Sin embargo, general

Page 29: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-20-

mente el estator es un sistema simétrico de tres devanados y

2por lo tanto f = 0. El factor — es debido a que se va a• ^ o s 3

transformar un sistema trifásico en uno equivalente "bifásico.

Escribiendo la transformada de Park en notación ma*

tricial:

qs

os

as

es

[_ sj qdo [_ sj [_ sj abe 1.32.

as

es

T.

-1

ds

os

PE"! , = pr 1[_ sj abe j_ s] ,sj qdo 1.33

Donde:

2

3

eos 8

sen9

12

•—)

21K

12

Page 30: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-21-

-1

eos t?r

cos^or-—;

Ofjcos(0r+—=•)

sen r

sen (9r-2TU~}

sen(9r+—)

1.4.2. ECUACIONES DE LAS CONCATENACIONES DE FLUJO EN LOS E-

JES q, d, o (Bibl. 1,5)

Desarrollando la ecuación 1.31 y utilizando la trans

formación 1.33» se puede determinar las concatenaciones de

flujo en los ejes q, d, o. Así:

Desarrollando |~A 1 de 1.31 :

[VI abe = fsjabc Psjabc + qdo

"1

= PalaDo Pe]" Pelado + N a^c f

+ {PJfr¿U«ÍPÍlqdo

Desarrollando x*! de 1.31 :

O m

3LLMjabc

§ M*c Pe]"1}

* fr j qdo {frj qdo

Page 31: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-22-

Escribiendo en forma matricial 1.34 y 1*35 :

"1 fr '"1[_rjqdo

L sjqdo

Sí"1.36.

Donde los subíndices "abe" representan a las varia -

bles originales y los subíndices "qdoJÜ representan a la refe-

rencia en el rotor.

Observando la ecuación matricial 1.36., podemos dar

las siguientes definiciones:

-1

fljqdom

pálido

1.37.

1.38.

1.39.

T la ecuación matricial quedaría:

[Ls]qdo

í [Lr]qdo

L s) qdo

r

1.40.

Finalmente, desarrollando las ecuaciones 1.37» 1.38,

y l»39i y reemplazando en la ecuación 1.40. se obtienen las

expresiones matemáticas de las concatenaciones de flujo:

Page 32: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-23-

Aqs

Ads

¿os

kq

kd

Afd

Lls+|(LA-L.B) 0 0 Laq 0 0

0 L-, +2 IV"I'B ° ° Lad Lad

Q 0 Ln 0 0 0y Is

Laq 0 0 L* 4Laq 0 0

0 Lad 0 0 L ' , +Lad Lad

0 Lad 0 0 Lad L ' - .-fLad

iqs

i

ios

i'

i'

ifd

Si: Laq. = |(LA - Lfi)

Lad = f(LA ± LB)

De 1.41- tenemos:

1.41.

= Ln i + Laq(i -f i' )Is qs ^-x qs Vrt/

= L-, i-j 4- Lad (i, 4 i* 4 ii-,)Is ds ds kd fd'

A =os L-, iIs os

Lad(±

Lad(i

ds

ds fd

1.42.

1.4.3. ECUACIONES DE VOLTAJES EN LOS EJES q, d, o (Bibl. 2,5)

Desarrollando 1.30 y utilizando la transformación da

Page 33: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-24-

da por la ecuación 1.33> puede determinarse los voltajes en

los ejes q, d, o en función de las concatenaciones de flujo.

Desarrollando [V 1 de 1.30 :

[vs]abc " psjábcpsjabc + P [Vjábc

B]'1} [M +_qdo

-p.Donde;

-1fe 1 . = fl 1 fR I[_ sjq.do [_ sj L sj ,abc s

Desarrollando |v¿|de 1-30

Fvf 1 = ÍRf 1 Tí' "1 + '[_rjqdo L r Jqdo L r Jqdo •fc'lívrjqdo 1.44.

Desarrollando las ecuaciones matriciales 1.43 y 1.44

se obtienen las siguientes ecuaciones de voltajes:

v = r i H - P A ^ + A ^qs s qs qs a1.45.

v_ = r i, + pA, - Ads s ds ^ ds qs

Page 34: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-25-

v = r i +os s os

T7" ' — T* "1

kq kq kq

vkd ~ rkd^kd

V ' = T _^vf d * f d f d

*kq

PAfd

1.45.

En el segundo miem"bro de las ecuaciones 1.45» los

primeros términos representan la caída óhmica debido a las re,

sistencías de los devanados, los segundos términos represen-

tan los voltajes de transformación y los terceros representan

los voltajes de velocidad.

Las ecuaciones 1*42 y 1.45 sugieren los siguientes

circuitos equivalentes;

U r''

Vy$ Laq<.ceS

3 V'

i K

EJE 6;

Page 35: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

•26-

+

VQS

EJE d

jy

LLS

EJE o

1.4.4. ECUACIONES DE POTENCIA Y TQRQÜE (Bibl. 1,2,4)

La potencia instantánea a los terminales de la arma-

dura viene dado por;

P = v i + v, i, + v i 1.46.a as as os bs es es

Page 36: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

•27-

Escribiendo 1.46. en forma matricial y aplicando las

transformaciones 1.32 y 1.33 :

|_ sjabc ~ [_ sjabc [_ sj abe

"N T

[Ps]qdo = [Vs]qdo|fs] } [Ts] fs]qdo

Desarrollando la ecuación anterior:

fp 1 = -^-(v i + v 4- 2v i ) 147[_sjqdo 2 qs qs ds os os

Sustituyendo 1.45 en 1.47

P — P 4- P -I- P • 1 /IRqdo " R i nr 1'4b-

Donde:

2.( -2 -2 - 2 \08±08)

ir = 4 ( A, i - A i - , )V 2 rv ds qs qs ds

De 1.48 se concluye, que cada uno de los voltajes de

las ecuaciones 1.45 producen sus respectivas potencias. La po.

tencia electromagnética es aquella correspondiente a los vol-

tajes de velocidad.

P e = w ( X i - X i ) 1.49.

Page 37: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-28-

Y por definición se obtiene la ecuación del torque _e

lectromagnético:

Pe ^T = 2( Xdsids " \sids) 1;50

Las ecuaciones anteriores describen el comportamien-

to de una máquina sincrónica trifásica de dos polos, sin em-

bargo, puede extenderse a una máquina de cualquier número de

polos multiplicando la ecuación de torque por el numero de pa

res de polos (—).

1.51.

1.5. ECUACIONES DE LA MAQUINA SINCRÓNICA EN POR UNIDAD

(Bibl. . 5,7)

La comparación de las máquinas sincrónicas, tanto en

tensión y potencia de salida nominales, así como para diver-

sas formas y estados de funcionamiento, se efectúa preferente

mente expresando sus valores fundamentales y parámetros no en

unidades físicas, sino en unidades relativas que pueden ser

calculadas como porcentajes o valores fraccionarios, de una

cantidad que se toma como referencia llamada "cantidad base".

Page 38: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-29-

Le acuerdo a esto, se define el valor por unidad de una magni

tud cualquiera, como la razan de su valor real al valor base.

VALOR - VALOR REALVAL u ~ VALOR BASE

Donde el subíndice "u" significa valor en "por unidad".

1.5.1. VALORES BASE

Las tensiones, corrientes, potencias y reactancias,

están relacionadas entre sí, de tal forma que la elección de

los valores base para dos magnitudes cualesquiera, determina

los valores base de las otras»

a) Valores base seleccionados

V-n = tensión nominal fase-neutro.J5

Í"

.

W_ = velocidad angular correspondiente a la sincrónica,xl

b) Corriente, resistencia y reactancia bases

Page 39: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-30-

= XB

c) Concatenaciones de flu.lo

1.55

De 1.54 y 1.55 se demuestra que V,. = V,,

1.5.2. ECUACIONES DE GONQATIJiNAQIONES DE PLÜJO Y VOLTAJES

Multiplicando a los dos miembros de cada una de las

ecuaciones 1-42. por w , éstas se transforman en:

-, i + xaq(i 4- i,1 )la qs ^ qs kq'

(j , = x-, i -, + xad(i,^ + i,'-, + ii-,)^ ds Is ds ds kd id'

V = X-, i .os Is as

x + xaq(i + i' ) -1*56*kq Ikq kq ^v qs kq

d + xad(ids + d + 1fd)

fd = fd d + xad(ids + d + d)

Sabiendo que p9 = v y utilizando la relación V=w-i- X C

las ecuaciones 1.45. se transforman en:

Page 40: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-31-

w

qs ~~ s qs w 'qs w ' ds

w--

ds s ds w T ds w ' qse e ^~

v = r i + *- Uos s os w r ose

1.57.

1 = r ' i 'kq kq kq w ' kq

v* = r ' i'kd kd kd we

1 = r i1fd f d f d we

Las magnitudes de las ecuaciones 1,56 y 1.57» están

expresadas en sus respectivas unidades. Para expresarlas en

por unidad, "basta emplear la definición dada en 1.52.

Así, expresando en por unidad (i) de la ecuaciónqs

1.56:

V = xn i -i- xaq(i + i¿ )T qs Is qs ^ qs kq

V VÍ/-T-1 ™~ •"—i •*- -A--T-1 f-v "" JtdU A—r~¡^.-r^. \L "T* J-.-, Iqsu TB Isu qsu B B ^u B B qsu kqu

= xn i + xaq (i +Í,1 ) 1.58.qsu Isu qsu ^ux qsu kqu7

Page 41: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-32-

Bxpresando en por unidad v de la ecuación 1.5?;

w= r i + *- u; + — Y ,

qs s qs w Tqs w Tdse e

^ = r _ - + - IJ_ + — .qsu B su qsu B B w > qsu T B w ' dsu

= rqsu su qsu w Tqsu w ' dsu 1.59.

Puede notarse que las ecuaciones 1,58 y 1.59 no han

sufrido mayor transformación con respecto a 1.56 y 1.57, pu-

diendo por lo tanto asumirse que las ecuaciones 1.56 y 1.57,

están expresadas en por unidad, aunque se ha omitido el subín

dice Mun.

1.5.3. ECUACIONES DE POTENCIA Y TQRQÜE

Multiplicando y dividiendo la ecuación 1.49 por w

^ wr ,__. 2. _£.( u; i - (i) i )2 w ds qs ' qs ds

6

Pe -

_

2 v T ru ' ¿su qsu T qsu dsu'2 BXB

Page 42: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-33-

Peu = w ( U. i - (J i, ) 1.60ruv Tdsu q.su I gsu dsu' -^-.ww

Y por definición:

ru

Teu i dsu qsu iq.su dsu

Page 43: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

C A P I T U L O I I

OPERACIÓN ASINCRÓNICA DE LA

Page 44: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-34-

2.1. INTRODUCCIÓN (Bibl. 8,10)

Guando una máquina sincrónica, opera dentro de un

gran sistema de potencia, uno de los problemas más complejos

está asociado con el análisis del comportamiento asincrónico.

Estabilidad, oscilaciones, comportamiento ante fallas desba

lanceadas, indican algunas de las áreas en las cuales, el com

portamiento asincrónico es de fundamental importancia.

Un generador sincrónico conectado a un sistema de p£

tencia puede perder sincronismo debido a:

1. Pérdida de excitación.

2. Despeje de una falla con insuficiente rapidez.

3. Repentinos y grandes cambios en carga.

Es una práctica convencional desconectar la máquina

del sistema en tales circunstancias, pero la parada de una u

nidad y la subsecuente reconexión, implica una interrupción

en el suministro de potencia a algunos consumidores. Sin em-

bargo, la máquina puede permanecer conectada al sistema bajo

ciertas condiciones, siendo capaz de liberar un porcentaje de

su potencia nominal como generador asincrónico.

Page 45: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-35-

Esta operación asincrónica, salo es posible para un

período limitado de tiempo, y durante este período, el genera

dor podría otra vez llegar al sincronismo. Este arreglo, eli

minaría el retardo que implica la parada de la unidad y la re

conexión posterior al sistema, como también, previene la pér-

dida total de la potencia de la unidad generadora.

2.2. COMPORTAMIENTO DE LA MÁQUINA SINCRÓNICA AL PERDER LA

EXOIITAGION (Bibl. 8,9,10)

Es importante mantener el generador conectado entre-

gando potencia activa al sistema el mayor tiempo posible, es_

pecialmente cuando la máquina representa una porción conside-

rable del sistema. Sin embargo, algunos sistemas no pueden

tolerar el funcionamiento de un generador sin excitación, y

pueden tender hacia la inestabilidad como consecuencia de es-

ta falla, lo que obligaría a la separación del generador.

Guando un generador sincrónico pierde la excitación,

ysii el sistema es suf icient emenberaü^^.^omjj^^ailir. la

deficiencia de excitación a través de la.__armadura, entonces.

el generador sincrónico opera como un generador de inducción•— *"•* _ __ _- „__- , |-1,- -~, -- —— . - ,--,f_ -_•-,-,. _-._.J*- - ---- "-' -- r ---L-— _- . _j . -- T-Xí^a/t. . — -. - — -:— - - -

que gira sobre la velocidad sincrónica entregando potencia ac_

tiva al sistema,

Page 46: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-36-

Como los generadores sincrónicos no están diseñados

para este tipo de operación, la potencia de salida de la má-

quina oscilará un poco, y esto, debido al esfuerzo del rotor

por ponerse en sincronismo.

La pérdida de excitación puede deberse a:

- Pérdida de energía en el sistema de excitación.

- Cortocircuito en los polos del campo.

- Disparo del interruptor de campo.

La pérdida de excitación de la máquina, hace que és-

ta absorva potencia reactiva del sistema, lo cual puede provo

car una reducción marcada de voltaje, y la consecuente inesta

bilidad del sistema.

El tiempo que un generador puede operar sin excita -

ción (operación asincrónica), está limitado por algunos facto.

res, tales como sobrecalentamientos, torques pulsantes, etc..

Un generador de rotor cilindrico se calentará rápida,

mente debido a las corrientes inducidas que fluyen en el hie-

rro del rotor, en tanto que en una máquina de polos salientes

Page 47: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-37-

las corrientes inducidas son transportadas por las bobinas de

amortiguamiento, y no se producirán calentamientos excesivos

en el rotor.

Para cualquier tipo de máquina, el estator se sobr^e

calentará debido a las sobrecorrientes producidas en las bob:L

ñas. Estas corrientes pueden alcanzar valores tan altos como

de dos a cuatro veces la corriente nominal, dependiendo sobre

todo del deslizamiento, y de la forma en que se encuentra co-

nectado_el c_ampo«

2.3. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE UNA MAQUINA DE

INDUCCIÓN (Bibl. 5,7,11)

Puesto que la pérdida de excitación de una máquina

sincrónica, hace que ésta pase a funcionar como una máquina

de inducción, se ha creído conveniente incluir en este traba

jo, los principios fundamentales que rigen el funcionamiento

de las máquinas de inducción.

Cuando el arrollamiento del estator, es alimentado

por un sistema trifásico de corrientes, se crea un campo mag-

nético rotatorio, que gira a la velocidad sincrónica w .

Page 48: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-38-

120f- 2.1.

Donde:

P = mSmero de polos.

f = frecuencia de la linea o red de suministro de energía e_s

léctrica.

El funcionamiento de la máquina de inducción, se "ba

sa en el principio de la interacción electromagnética entre

este campo magnético giratorio, y las corrientes inducidas en

el rotor cuando sus conductores son cortados por el campo gi-

ratorio. Esta interacción sólo es posible, cuando existe una

diferencia de velocidades entre la velocidad de rotación del

campo (w ) y la velocidad del rotor (w ). Esta diferencia exc J-

presada en por unidad con respecto a w se denomina desliza-c

miento.

w - wC X o os = ¿.2.

De lo anterior se concluye, que el rotor se desliza

con respecto al campo magnético giratorio a la velocidad:

w - w = swe r e

f - f = sfe r e2.3.

Page 49: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

•39-

La frecuencia "sf ", recibe el nombre de "frecuenciac

de deslizamiento".

La fuerza magnetomotriz debida a la corriente del rc_

tor, aunque gira a la velocidad de deslizamiento con respecto

al rotor (w - w )» es arrastrada por el rotor (w ). Por loe x 3 7

cual:

(w „ w ) + w = w 2.4.C -L X ™

Puede por lo tanto considerarse que las fmm del esta

tor y rotor son estacionarias entre sí, pudiendo combinarse y

producir la fmm resultante, que a su vez establece el flujo

0 necesario para el funcionamiento de la máquina.

De 2.1 y 2,3 se observa que respecto al estator, el

efecto del campo magnético giratorio es lo mismo que si cada

fase estuviese enlazada por un flujo 0 alterno a la frecuen-

cia f , en cambio, en lo que se refiere al rotor, el efecto

es el mismo que si cada fase estuviese enlazada por el flujo

0 a la frecuencia de deslizamiento sf .m e

En reposo (s=l), la frecuencia del rotor es la misma

que la de la línea, por lo tanto, las fem E, y E creadas en

Page 50: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-40-

los devanados del estator y la reactancia del rotor vienen da

das por las fórmulas 2.5.

= K24,44 f/20m 2.5.

.„ = 2Hf 1c. e

A medida que aumenta la velocidad, la frecuencia del

rotor va disminuyendo continuamente, y la fem así como la

reactancia del rotor vendrán ahora dadas por 2,6.:

2.6.

Comparando 2.5 y 2,6:

B2s =

X2s = SX2

2.7.

Lo que demuestra, que el movimiento relativo de los

conductores del rotor respecto al campo giratorio induce una

"fem de frecuencia de deslizamiento", y además, que la

Page 51: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

•41-

tancia del rotor disminuye proporcionalraente a medida que au-

menta la velocidad.

Si el circuito del rotor está cerrado, se producirá

en ¿1 una corriente dada por:

sE

X2 " r + Isx - 2'8'

De igual forma como se hizo con las máquinas sincró-

nicas, es posible referir las magnitudes del rotor al estator

r^ + jsx£

2.10,

±L?¿/B

La ecuación 2.10. hace posible considerar a la máqui

na de inducción como si estuviese fija, ya que en lugar de la

reactancia sx' correspondiente al rotor en movimiento, actúa

la reactancia x' correspondiente al rotor fijo; y en lugar de

Page 52: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-42-

la resistencia r* correspondiente al rotor en movimiento, t_e

nemos la resistencia variable r ' /e que puede escribirse como:

= r ' + r. 1-s 2.11.

De esta consideración, y por analogía con el trans-

formador, obtenemos el siguiente circuito equivalente:

2.1.

En reposo (s=l), el circuito equivalente demuestra

como las condiciones son idénticas a las de un transformador

fijo en cortocircuito, y en este caso se obtienen las pérdi-

das eléctricas de los devanados primario y secundario, lo que

significa, que la potencia desarrollada por el motor en su e_

3e durante la rotación será igual a la potencia consumida en

la resistencia adicional r , 1-s

Page 53: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-43-

Pm = 2.12.

Y la ecuación de torque por definición será:

(Te = Pm2.13.

En las ecuaciones anteriores y dependiendo de la re-

lación existente entre las velocidades w y w , el valor delC J-

deslizamiento puede ser positivo o negativo, lo que determina

las condiciones de funcionamiento indicadas en la fig. 2.2.

FRENADOTORQUE T

MOTOR A

DESLIZAMIENTO

2.2.

Así, una máquina de inducción funciona como".;motor,

cuando la velocidad del rotor está entre el reposo (s=l) y el

sincronismo (s=0) siendo el sentido de rotación el mismo que

el campo magnético giratorio. La sustitución de estos valo-

Page 54: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-44-

res de e (0<:s<l) en 2.12., demuestra que tanto la potencia

como el torque son positivos para acción motriz. El diagrama

vectorial para un motor de inducción se presenta en la figura

2.3.

,= E:

pía. 2.3.

C°S

= I' sen

2.14.

Si se aumenta la velocidad del rotor hasta una velo-

cidad v >w , el deslizamiento se hace negativo.. Si "bien el

campo magnético continúa girando a la velocidad w , sin embar

go, su rotación relativa con respecto al rotor se invierte,

lo que significa que la máquina pasa a funcionar'como GENERA-

DOR. La sustitución de estos valores de deslizamiento (s- 0)

Page 55: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-45-

en 2*12. y 2.13.» demuestra que tanto la potencia como el tor

que son negativos para acción generatriz.

En las ecuaciones 2,14. , se comprueba como la cornpo.

nente activa de la corriente del rotor cambia de sentido con

deslizamientos negativos, en tanto que la componente reactiva

no* De esta consideración, se obtiene el diagrama vectorial

para acción generatriz indicado en la figura 2*4.

FIG-. 2.4*

Page 56: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

C A P I T U L O ni

ANÁLISIS MATEMÁTICO

OPERACIÓN ASINCRÓNICA

Page 57: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-46-

5.1. INTRODUCCIÓN ;

Para analizar un dispositivo cualquiera, el procedí

miento básico es formular inicialmente las ecuaciones que lo

describen, y posteriormente resolver estas ecuaciones de mane,

ra que pueda obtenerse una información útil. El propósito de

este capítulo, es precisamente el de obtener las expresiones

matemáticas necesarias para estudiar el funcionamiento asin -

crónico de una máquina sincrónica.

El estudio se realiza en base al modelo de un genera

dor idealizado, el cual se supone está operando a deslizamien

\to constante.

Si bien es cierto que el deslizamiento no es estrió,

tamente constante, sin embargo, la suposición de un desliza

miento constante hace factible obtener expresiones. analíticas

sencillas, que describen con suficiente exactitud el comporta

miento asincrónico de los generadores sincrónicos.

Es necesario además indicar, que el presente análi-

sis matemático se realiza en base a la referencia bibliografi

ca # 12, aunque en ésta no se desarrollan los circuitos equi

valentes para operación asincrónica que es la base del presen

Page 58: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-47-

te estudio.

3,2. ECUACIONES DE VOLTAJE, CONCATENACIONES DE FLUJO Y

CORRIENTES EN LOS EJES q. d, o (Bibl. 2,12)

El método de análisis a seguirse es el siguiente:

a) En base a las ecuaciones de la máquina sincrónica d_e

sarrolladas en el capítulo 1. , se obtendrán los circuitos

equivalentes de las reactancias operacionales en los ejes

directo y en cuadratura*

b) El análisis se realiza considerando en primer térmi-

no,- la forma que toman las ecuaciones de la máquina ante

la ausencia de la excitación. Posteriormente, ya que se

ha supuesto la linealidad del circuito magnético, se in-

cluirá el efecto de la excitación por superposición en es

tas ecuaciones,

3.2.1.Si CIRCUITOS EQUIVALENTES DE LAS REACTANCIAS OPERACIO-

NALES EN LOS EJES DIRECTO Y EN CUADRATURA

Reescribiendo las ecuaciones 1.56. y 1.57 expresadas

en por unidad, y sustituyendo en éstas v* = v* = 0 que co-

Page 59: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-48-

rresponden a los devanados amortiguadores (arrollamientos cor

tocircuitados) se tiene:

wv = r i + - U + — U, 3.1.

S qS W TQ.S W Tds

W

- = r , + U, - — U / 3.2.ds s ds w Tds w Tqse "

v = r i + Ü 3-3.os s os w ros

o = r; i; + *- u; 3.4.kq kq w T kqe

O

_ r~ r_ i ¿i u. £_fd1fd + w Tfd

U iTf

U = x^ i + xaq(i + i,1 ) 3.7.T s Is s H s k '^qs Is q.s H qs

, = x, i-, + xad(i, + i,', + iij) 3.8.ds Is ds ds kd fd

u = x.. i ' 3.9.ros Is os

(j.1 = x' i,1 + xaqfi + i ' ) 3.10,r kq Ikq kq ^ q.s kq

xad(ids + ^d + ifd) . 5'11-

xad(ids + ^d + ifd) 3'12'

Page 60: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-49-

3.2.1.a OBTENCIÓN DE Xd(p)

La reactancia operacional en el eje directo, se ob

tiene a partir de una combinación de todas aquellas ecuacio

nes asociadas con el mencionado eje. Así:

Sustituyendo 3.11 y 3-12 en 3.5 y 3.6 se tiene:

xad ids ~ T kd ' we -TLkd' w

, ,-> T ~~ JÍClQ. 1 nfd w dsexad ikd *-—

w e

xad i¿d

Si se designa:

A _ -p I _1_ J¿ -y t

A ~ fd w Ifde

B _ ^ 1 I J¿ -y I— X i T | -A--1 1 Tkd w Ikde

Las ecuaciones anteriores se escriben así:

xad i, = (Bw dsexad)o.' +

rt kd wrte e

xad ^d + (Ae e

^fd 3.13.

Page 61: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-50-

Resolviendo 3*13 y 3". 14 para i¿, e i' :

B + £- xadw e

2- xadwe

p xadwe

A + ^— xad"We

xad(A+B)

xad i xad,ds

.-, - xad i, A 4- *— xadfd w ds vre e

Aikd Vf d T Xad

-fd

B + - xadwe

xad

xad i,w dse

r* , - J— xad i,fd w dse

-Í 4- B 4-w ds v we e

Page 62: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-51-

^kdkd ~ A

3.15.4d

Reemplazando 3.15 en 3.8:

, = x- i, H- xad(i,ds Is ds ds

á*kd AL3.16.

Sustituyendoerl

Ui H n -,Is +

xad AB

AB + - xad(A+B)we

B xad

AB + - xad(A+B) fd

ds ~ ^(p^ds + Y(p)Vfd 3.17.

donde:

Xd xad AB

1S AB + *- xad(A+B)

B xad

AB + ~ xad(A+B)

Xd (p) puede escribirse de la siguiente manera:

Page 63: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-52-

x

1ls

xad ' B A

Multiplicando por p/w

Xd, ,(p)

1le 1

.£_w

xad

3.18.

La ecuación 3.18-, sugiere el circuito equivalente de

la figura 3-1» correspondiente a la reactancia operacional en

el eje directo:

iFie. 3.1

Page 64: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-53-

3.2.1.1) OBTEKCIOtf DE Xq( ,

Sustituyendo 3.10 en 3»4*

o = i* Kri + xni ) + xaqj +kq kq w Ikq' w "W qs^ I * e ^ e | e ^L

LLamando:

C= r,1 + - x'kq w Ikg^ e ^~

La ecuacián anterior se escribe;

O = i ' (C + - xaq)^

xaqw ^ qs

i = - — - 3.19.C +

e

Reemplazando 3-19 en 3-7:

(J = X, H-iflR 1 Rls +

e

U = Xq / x i 3.20.Tqs . lp) r ~qs

Page 65: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-54-

Donde:

O xaq

Xq*

w

1

^

n1 ,4-

xaq C

Multiplicando a los dos miembros por p/w

(p) w-y _}_

ls

1

£_. xaq

3.21,

La ecuación 3.21 sugiere el circuito equivalente de

la figura 3.2. correspondiente a la reactancia operacional en

el eje en cuadratura*

FIG. 3.2

Page 66: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-55-

Para acción generatriz, las ecuaciones 3.17 y 3.20.

vienen dadas por:

3.2.2. VOLTAJES,, EN LOS EJES q, d

EJE

*• EJE a

EJE C

F i G. 3. 3.

Para crear un campo magnético rotatorio en el sentid

do determinado por la fig* 3*3-> se escoge el siguiente sis-

tema "balanceado:

as = Vmax eos U

v, = Ymax cos( Q -2ÍT

Page 67: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-56-

v = Vmax cos( 9

Utilizando la transformada de Park:

¿\ f\ \ f\ = ~= v coso -f v, costo -•^—J + v costoqs 31 as r os r 3 es r

T ^ = Ymax eos ( Q^ - Qj 3.24.

2 I l_\ LJ íl^l \ /

rds = 3'v"" sen "- + v^- sen( ü-"r3"^ + v~- sen(

= - Vmax sen( - ) 3.25.

O9e = /

w dt + er (0)

De donde:

= Í

Como se ha señalado en la introducción, el análisis

se "basa en la suposición de que la máquina opera asincrónica-

mente a deslizamiento constante. Por lo tanto, la velocidad

permanece constante y la ecuación anterior queda de la manera

Page 68: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-57-

siguiente:

e = (w -r 6r(0)

3.26.

Donde:

sw = frecuencia de deslizamiento (ecuación 2,3.)c

00 = 6r(0) " 9e(0)

Sustituyendo 3.26. en 3.24 y 3.25 y considerando los valores

eficaces se tiene:

v = v cos(sw t - 9n) 3.27.q_s e U

v, = -v sen(sw t - 0 ) 3.28.

3.2.3. DETERMINACIÓN DE LAS CONCATENACIONES DE FLUJO Y CO-

RRIENTES CUANDO NO SE CONSIDERA EL EFECTO DE LA EX-

CITACIÓN

Si la máquina no está excitada, las cantidades varia

rán en los ejes sinusoidalmente a la frecuencia de desliza-

miento, pudiendo entonces las ecuaciones de la máquina ser es.

Page 69: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-58-

critas en forma de fasores.

Las ecuaciones J.27 y 3-28 se transforman en las si-

guientes ecuaciones fasoriales:

Y = Yqs

Y = 1Yvds J

donde:

v = valor eficaz del voltaje,

La barra horizontal indica que son fasores.

La sustitución de p = jsw y w = (l-s)w en lase r e

ecuaciones 3*1» 3.2, 3-22 y 3.23 para acción generatriz da co_

mo resultado las siguientes ecuaciones fasoriales:

Vd

ii — — Trl TVds " ( jsw ) cls 3.32.e

Page 70: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

"Y" T " C "% **?

Yqs " " q(jswe) qs

De 3.32 y 3-33:

* = - — Y* 3-34ds -, ~ds. \W J

"

(3SWe)

Como Xd/ . \ Xq/ . \e obtienen de los circuí(jswj (.jsw;

tos equivalentes de las figuras 3.1 y 3«2, se deduce lo si-

guí ent e;

i = D + JE

-1 • = P + JG

e)

Y las ecuaciones 3-34 y 3-35 se escriben así;

3.36.

Page 71: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-60-

qs qs 3.37

Sustituyendo 3.36 y 3-37 en 3.30 y 3-31

V =

J T = -(1-8) ^ds

3.38

3.39

Resolviendo 3*38 y 3*39 para ty^ y U

j(rgG+s)]

qs

(l-s)

A=

(l-s)

JT

u •"= V.rq_s i

V

-(l-s) ,

f |"[(l-2B)-rBG]

|srs(D+]?)+r2(DG+EP) 3.40.

.3.41.

3-42.

Page 72: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-61-

De 3.40, 3.41 y 3-42

H 'A*ds

Donde:

/\ conjugada de

A, = A-A*

A = Rl-2s)-sr (E+G)+r2(DF-EG)] + fsr (D+E)-fr2(DG+EE)lj _ L s s J L S s I

2

J

Realizando las operaciones indicadas en las ecuacio-

nes 3-43 y 3.44 se obtienen las ecuaciones 3.45 y 3-46:

= V(kld + ;ik2d)

u = vTOS

Donde:

Page 73: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-62-

kid =|~(l-2s)-r G-sr (E+&)-Kr2(DE~EG)l1— S S , 5 —1

Jü l -C' -t-t:'S

2 5 2 2Fr F-sr (L+F)~r(DG+EF)~l - s r ( E E - D & ) - K r D ( F + & )L. g _____ S _ S _ -*J _ _ 9 _ S __!_. _ M ^..t¿ i¿ S¿ —-„. Q_

lq " A1

(l-2s) [(2s-l)+r E+sr (E+G)-r2(DE-EG)J -s

Al

De 3.27 y 3.28 se concluye:

= V

Reemplazando 3»47 en 3*45 y 3-46:

Vds = (kldv<1S+k2dTdS) + Í^Ed'as^ld'da) 3'48-

V = (klgV+k2^dS) + ^k2dVc1s-klgVds) 5'49'

Las corrientes se determinan substituyendo las ecua-

ciones 3.48 y 3-49 respectivamente en las ecuaciones 3-36. y

3.37:

Page 74: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-63-

3.50.

3.51.

3.2.4. DETERMINACIÓN DE LAS CONCATENACIONES DE FLUJO Y CO-

RRIENTES INCLUYENDO EL EPEGTQ DE LA EXCITACIÓN

La consideración que únicamente el arrollamiento de

excitación de la máquina está alimentado, permite concluir

que tanto las concatenaciones de flujo como las corrientes r_e

sultazites de la excitación del campo son cantidades constan-

tes. Estas concatenaciones y corrientes pueden obtenerse por

substitución de v = v = 0 . y p = 0 e n las ecuaciones 3.1,cxs 1

3.2, 3.17 y 3.20

0 = -Vgaf + (l-8) Ydsf 3'52'

5.53.

Page 75: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-64-

Vdsf = -Vdsf + vfd ' 3.54.

El subíndice "f" denota la componente de la resultan

te por la presencia de la excitación del campo.

Despejando i f e idgf de 3.54 y 3.55:

xad Vdsf

Sustituyendo 3-56 y 3.57 respectivamente en 3.52. y

¡.53.

° = X^ V + ( l -8 )Vd Bf 3'58'

r xad v L ,

Resolviendo 3.58 y 3.59 para t|J « y i j j , .;

Page 76: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-65-

(1-s)

x.

A = x,xd q.

3.60.

AO

T* "VPf] "V 'a aa fd

xdrfd

(1-s)

V,r xad v's f d

qsf3.61.

dsf

o

r xad v ' ,s xdY T 'xd f d

dsfrsxad Vfd

v "y !T'xdxq. fd

3.62.

De 3-61 y 3*62:

Page 77: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-66-

qsfqat A 'dsf

Sustituyendo f , A

Vdsf = kfd

3.63.

3.64.

Donde:

(1-8)s xad

r xads

kfd ~

A, =2 " fd x,xd

+ (l-s)'

Sustituyendo 3.63 y 3.64 en 3-56 y 3.57

x fd 3.65.

Page 78: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-67-

"dsf ~ xad3.66.

Por superposición de las ecuaciones correspondientes

a las concatenaciones de flujo y corrientes desarrolladas en

el numeral anterior (3.2.3.), y las ecuaciones 3-63-, 3.64*,

3*65 y 3.66., como también el reemplazo respectivo de v yQLS

v, (ecuaciones 3»27 Y 3*28), se obtienen las expresiones maCLS

temáticas resultantes para las concatenaciones de flujo y cp_

rrientes incluyendo el efecto de la excitación. Así:

De 3.48 y 3.64

= Real

Vds = + k vf d f d

De 3.49 y 3.63

= Real

De 3.50 y 3.66,

Page 79: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-68-

ide = Real ( Idfl ) + idsf

1ds

De 3«51 y 3.65

i = Real (I ) + i -qs v qs qsf

2

k— • - v *x vfd

Las ecuaciones 3-27, 3.28, 3.6?, 3.68, 3.69 y 3.70

son las ecuaciones de voltajes, concatenaciones y corrientes

en los ejes q y d.

3.3. ECUACIONES DE CORRIENTE, POTMQIAS ÁCTIYA Y REACTIVA

3.3-1. ECUACIÓN DE OORRIEME

Utilizando la transformada inversa de Park descrita

en el capítulo 1. (ecuación 1.33-)» se obtiene para la co -

rriente de armadura la siguiente expresión:

Page 80: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

•69-

i = i eos 0 + i, sen 6as q.s r ds r 3.71,

Sustituyendo 3-69 y 3» 70 en 3.71:

as COS0

(Ek d-Dkld)cos(sw t- ) + (Dk d

fdcose + -(S§ _ k ) sene

r Xd rfd fd

r t- _ ) sen0e O r

3.72.

Reemplazando el valor de 0 (ecuación 3.25) en 3.72.

y realizando las correspondientes operaciones trigonométricas

se obtiene:

'as 2

+ v'

kncosw t+k0senw t+k-,cos-((l-2s)w t+29A|+kylsenJ(l-2s)w| j - e ¿. e j? i e uj T- I e ""O.

3*73.

donde:

kl =

Page 81: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-70-

k. = -Fk0 -Gk-, +Ek-a-Dk-,4 2q Ig 2d Id

- - - í v \ ~ x ^ r1 " fd'

D xd fd Ia

De la ecuación 3.73 se desprende que la corriente e_s

tá formada por tres componentes: una de frecuencia fundamen-

tal y las otras de frecuencias (l-2s)w y (l-s)w respectiva-e e

mente. Por lo tanto, la ecuación 3*73 puede escribirse de la

siguiente manera:

1as = ial + ia2 + 1a3

Donde:

= — k-jCos w t + kpSen w ti

1a2

ia3 " vfd

3.3.2* ECUACIÓN DE POTENCIA ACTIVA

La potencia activa puede calcularse a partir de la

Page 82: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-71-

siguiente ecuación:

P = v i + v, i -,q_s qs ds ds 3.75.

Sustituyendo 3.27, 3-28, 3.69 y 3.70 en 3.75

P = v cos(swfit-00) jv—2q~^lq'

-v sen(

2

tfd 3.76.

Resolviendo las operaciones matemáticas indicadas:

P = t-29n)+knsen(2sw t-20,,c u y e u

3.77,

Donde:

Page 83: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-72-

La ecuación 3-77. indica que la potencia activa es-

tá formada por tres componentes: una independiente del tiem-

po y dos de frecuencias 2sw y sw respectivamente. Por loc e

tanto, la ecuación 3.77 puede escribirse como:

P = P + P + P 3.78

Donde:

•n _ —--Pl - 2

0

2 2

P3 =

3.3^3. ECUACIÓN DE POTENCIA REACTIVA

.La potencia reactiva puede calcularse a partir de la

siguiente ecuación:

Q = v i, - v, i 3-79.^ qs ds ds qs

Al igual que para el cálculo de la potencia activa,

Page 84: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-73-

sustituyendo en 3.7-9 las ecuaciones 3*27, 3.28, 3.69, 3.70 y

realizando las correspondientes operaciones matemáticas se ob

tiene:

O =

+ v v* pclc-cos(sw "t-6-)]3.80.

Donde:

k!2 - k2

k' = k13 4

k!4 ~ k

k!5 = k

kl6

La potencia Q también está formada por tres componen

tes: una independiente del tiempo y dos de frecuencias 2sw

y sw respectivamente. Por lo tanto, la ecuación 3-80. que-

da de la siguiente manera:

Q = + Q2 + 3.81.

Page 85: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-74-

Donde:

Qi = T k

2Q „ _.

Q3 =

3.4, ESTUDIO DEL CAMPO

3.4.1. CORRIENTE: INDUCIDA JEN EL CAMPO GUANDO EL BOBINADO DE

CAMPO ESTA OQRÍEOCIRQÜITADO

Cuando el generador está operando asincrónicamente,

el rotor gira a una velocidad diferente de la sincrónica y u-

na corriente se inducirá en el "bobinado de campo si éste está

cortocircuitado.

La expresión matemática de la corriente inducida se

obtiene a partir de las ecuaciones de voltaje del circuito de

campo y del devanado amortiguador en el eje d. Así, haciendo

•w* = O y substituyendo las ecuaciones 3-11 y 3.12 respectiva

mente en las ecuaciones 3-5 y 3.6 se tiene:

Page 86: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-75-

xad i xad)i¿d xad ± 3.82.

xad)i* = *— xad i' + •*— xad i' fd w kd w dse e3.83.

Resolviendo las ecuaciones anteriores para i,1 , e i .ds

(B+^-xad)w~ w^e e

w xad ^—xadwe

A = B - xadwe

kd "

- ^— xad i* -^-xadw fd we e

-(A+-~xad)±L, xadw xd we e

Ai' = ^-xad A i'kd w ide

"ds

(B+^-xad)e

Tricad

xad i L

w

Page 87: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-76-

AE + - xad(A+B) i'W 10.e —I

AikdA

ds

3.84.

Sustituyendo 3-84 en 3.8, y reemplazando los valores

correspondientes de A,Ai¿^ yukd "ds'

rds

-AB(x, -Kxad) - -xad x, (A+B)Is w Is

•xad B •fd

3.85-

Donde:

w xad B

Is+xad)xls(A-KB)

Si el deslizamiento es constante, la corriente de cam

po variará sinusoidalraente a la frecuencia de deslizamiento y

por lo tanto la igualdad 3.85 puede considerarse como una e-

cuacián fasorial.

Page 88: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

nn-1 i*

JSWe'

La sustitución de los fasores 51/ . \ P_ + jF , y

de W-, (ecuación 3-48) en 3.86:1 as

= Real"-P-q — j-vw.*.-*. \. _f>j ^ i |IQ ia rfd

r 3.87,fd

3.4.2. VOLTAJE ITOÜGIDQ EN EL.PAMPO GUANDO EL BOBINADO DE

CAMPO ESTÁ EN CIRCUITO ABIERTO

De las ecuaciones 3-6 y 3.12, y sustituyendo en és-

tas el valor de i'd = O se tiene:

v' = - (xad i, + xad i * ) 3o88.fd w ds kdx

e

De las ecuaciones 3»5 y 3.11:

Page 89: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-78-

Xad 1ds + Xad ikd)

Despejando i' de la ecuación 3.89, y reemplazando

en la ecuación 3*88 se obtiene la ecuación 3*90:

Donde:

vfd = -E^1*- 3.90.

xad BH

we

Si el deslizamiento es constante, éste voltaje varia

rá sinusoidalmente a la frecuencia de deslizamiento, pudiendo

la ecuación 3.90 considerarse como una ecuación fasorial:

La substitución de I, (ecuación 3-50) y del fasords

H/ . \ H 4- jHp jen 3.91 y considerando únicamente la parte"

real de este resultado permite determinar el voltaje inducido

en el campo

Page 90: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-79-

1 = Real í V1fd v fd

v =vf d

3.92,

Las ecuaciones 3.74» 3.78 y 3.81, correspondientes

a la corriente de armadura, potencias activa y reactiva, con

juntamente con las ecuaciones 3.8? y 3-92 correspondientes al

campo, representan las expresiones necesarias para estudiar

el comportamiento de los generadores sincrónicos cuando ope-

ran asincrónicamente a deslizamiento constante*

De las ecuaciones 3-74> 3-78 y 3.81 se desprenden

las siguientes conclusiones:

ip - La corriente, potencia activa y potencia reactiva tienen

- A d\ ,x tres componentes, lo que permite suponer que el torque _e

lectromagnético también consistirá de componentes simila-

res.

Las componentes i ~, P- y Q^ desaparecerán si el bobinado

de campo no está excitado.

Page 91: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-80-

Si el rotor es perfectamente simétrico, esto es, si se

substituye D=F y B=G- se obtienen las siguientes igual

dades:

= o

k8 = k9 = o

K-, .y — ÍC-. . = U

13 14

= P2 = Q2 =

Lo que significa que las componentes i 0, P0 y Q&•£. 2 2

son debidas a la saliencia del rotor, sin embargo, hay que e s

tablecer que esta as_imetr£a del rotor existe aun para el caso

de máquinas de rotor cilindrico.

Estas ecuaciones conjuntamente con la ecuación 1.50.

correspondiente al torque electromagnético y la ecuación del

movimiento 3*93.

(Tm Te) &t 3.93.

son las ecuaciones a utilizarse en la elaboración del modelo

que se describe en el siguiente capítulo.

Page 92: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

C A P I T U L O I V

PROGRAMA DIGITAL

Page 93: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

4.1. DESCRIPCIÓN OENERAL DEL PROGRAMA

El programa digital está escrito en FORTRAN IV, y se

probó en el computador digital IBM/370 del Instituto de Infor

mágica y Computación de la Escuela Politécnica Nacional.

El programa digital consta de un programa principal

y tres subrutinas, los mismos C[ue se describen a continuación

PROGRAMA PRINCIPAL

El programa principal se encarga de:

- Proceso iterativo para el cálculo de variables tales como:

velocidad angular, voltajes, corrientes, potencias y tor-

que.

- Estudio del campo (circuito abierto o cortocircuito)

- Almacenaje de los valores calculados.

- Prueba de terminación»

SUBRÜTINA MT

Esta subrutina se encarga de:

Page 94: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-82-

- Escritura de títulos.

- Lectura e impresión de los parámetros de la máquina y de

las condiciones iniciales

Cálculo del ángulo delta.

SPBRÜTINA GQNSI

Esta subrutina se encarga del cálculo de todos los

•valores reales y complejos que dependen únicamente del desli-

zamiento, y que son solicitados por el- programa principal pa

ra el cálculo de -voltajes, corrientes, etc.

SUBRUTINA DIBUJO

Esta subrutina presenta los resultados en forma grá-

fica. Puede dibujar hasta dos variables a la vez, las¡?mismas

que se representan respectivamente con los símbolos '•*' y T - f '

El eje de las ordenadas, está formado por un número

de puntos igual a NO, en tanto que el eje de las abscisas por

un número de puntos aproximadamente igual a NPUN/5. las va -

riables 1TC y NPUlí están descritas en el anexo B.

Para facilitar la lectura de los valores dibujados,

Page 95: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-83-

se imprimen cada diez divisiones los valores tanto para el e-

je de las abscisas como para el eje de las ordenadas.

Una descripción más clara del programa principal así

como de las subrutinas, se obtiene examinando los diagramas -

de flujo que se presentan a continuación.

Page 96: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-84-

4.2. DIAGRAMAS DE FLUJO (Bibl. 13)

PROGRAMA PRINCIPAL

CIMIGIO

LECTURA E IMPRESIÓNDE PARÁMETROS Y CONLICIONES INICIALES

GALL ENT

Page 97: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-85-

S = WE - WRpu

CÁLCULO DEL YOLTAJE INDUCIDO

VED

CALCULO DE LACORRIENTE INDU.CIDÁ IPD

CALCULO DE LAS CO-RRIENTE8IQS, IDS, IAS

Page 98: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-86-

CALCULO DEL TORQUE,POTENCIAS ACTIVAS YREACTIVAS

ALMACENAR LOS VALORES CALCULADOS

- - , WR, 1QS, IDSIAS, VED, P1,P2P, Q, TE

JC, WR, IQS, IDSIAS, m>, P1»P2P, Q» TE

1 (TM-TE)AT

.DIBUJAR LOS RESULTADOS

CALL DIBUJO

Page 99: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

•87-

SUBRUTlNA ENT

C INICIO 3lijü

TÍTULOS

LECTURA DE LOSPARÁMETROS DELA MAQUILA

ESCRITURA DELOS PARÁMETROSDE LA MAQUINA

LECTURA DÉ LASQDJSroiCl

CALCULO DELAK&ULO DELTA

ESCRITURA LE LASCONDICIONESINICIALES

CRETURN

Page 100: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

88-

SüBRÜTINA GONST

INICIO

1

CALCULO DE LASCONSTANTESA, B, C

> 1CALCULO DE:YP, XDP, XQP,PDP, HDP

\OBTENCIÓN DE LASPARTES REAL E I-MAOINAR1A DE:XDP, XQP, PDP,HDP

\OBTENCIÓN DEDIS1 y DIS2

\OBTENCIÓN DE LASCONSTANTES

\N

Page 101: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-89-

SÜBRUTlNA DIBUJO

C

SE PONE BLANCOS EN:EL ARREGLO LINEA

CALCULO Y ESCRITURA DELAS ORDENADAS CADADIEZ DIVISIONES

ALMACENAR LOS SIGNOSQUE FORMAN EL EJE DELAS ABSCISAS- EN EL A-

LINEA

DETERMINAR LA POSICIÓN•DEL SÍMBOLO A DIBUJAR

Page 102: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

.90-

LINEA ÍDIME = (M-1).!TO

M+10

OLIME, LINEA

SE BORRA LO ALMACENADOEN EL ARREGLO

L I JSL E A

ALMACENAR LOS SIGNOSPARA FORMAR EL EJEDE LAS ORDENADAS

Page 103: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-91-

4.3. DESAEROLLO DE IM EJEiyiPLO

El programa digital fue probado para la máquina sin

crónica cuyas características y parámetros fundamentales e.s

tan determinados en el anexo A.

ES el siguiente ejemplo, se .estudian los efectos de

la pérdida de excitación, tanto para la condición de cortocir

cuito como para la condición de circuito abierto en el campo,

cuando la máquina operaba normalmente con los valores siguien-

tes:

i U(i ¿^ f A^-

I I "i \ 'l-r"

S = 0.642

V = 0.869

f = 0.8 en atrasoP

Tomando como base los valores nominales de la máqui-

na.

4.3.1. OBTENCIÓN DE LA CONSTANTE H (Bibl. 14, 15)

Observando el anexo B, puede notarse que una de las

variables de entrada que necesita el programa es la constante

I -f < *^'J,Jr->

Page 104: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-92-

de inercia del conjunto máquina impulsora-generador sincróni-

co (representada en el programa con la variable Hl).

La determinación de H se obtiene a partir del conocí

miento del momento de inercia J.

La determinación de J se realiza en base a la llama-

da prueba de desaceleración, que consiste en registrar la va

riación w = f(t), al interrumpir el suministro de energía a

la máquina cuando ésta se encuentra girando a una velocidad

conocida (w ). En estas condiciones, la ecuación diferencial

que rige el movimiento queda:

T d wrdt- + Vr

Donde:

LQ = coeficiente de roce viscoso.

T-™ = torque de roce seco.

Considerando que en esta tesis se realiza una prime-

ra aproximación a la simulación del fenómeno de pérdida de ex

citación, la obtención de J no se justifica realizarla con ma

Page 105: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-93-

yor precisión que con la que se hizo, sino que se obtiene un

valor aproximado en base a las siguientes suposiciones:

a) El momento de inercia del conjunto máquina impulsora

-máquina sincrónica-tacómetro es aproximado al momento de

inercia del conjunto máquina impulsora-máquina sincrónica,

b) Puesto que DQ es prácticamente despreciable, se hanw

considerado a los dos últimos términos de la ecuación 4.1.

como un torque T independiente de w .

c) La suposición anterior, permite considerar a la va

riación de w = f(t) prácticamente como una función lineal

lo cual es correcto para valores de w comprendidos entre

1 1w y , -w (w >w >— w ) como se comprobará posteriormente,e / ci c G x e e•^^S

en la determinación experimental del momento de inercia,

(íig. 4-3.)

En base a las suposiciones realizadas anteriormente,

la ecuación 4.1» que rige el movimiento se expresa de la si -

guíente manera;

d w+ T = 0 4.2.

Page 106: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-94-

Resolviendo 4.2.

= - t + O 4.3.

Sustituyendo en 4.3. las igualdades w = w para t = OX t¿

wr = - I * + we

Sustituyendo, para t=t' , w = — w en 4.4. y despejando J se

obtiene:

T- t' 4-5.

(1 - wx e e

Los valores T y t' necesarios en la ecuación 4.5. pa

ra la determinación de J, se obtienen exp er iment alment e con -

la prueba de dasaceleración, para lo cual, se emplean los cir

cuitos de fuerza y control representados respectivamente por

las figuras 4*1 y 4*2.

El conjunto máquina impulsora-generador sincrónico—

(Siemens), está acoplado mecánicamente al tacómetro (tipo

2611) cuya salida es rectificada por el equipo Perranti y es-

Page 107: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-95-

ta señal es llevada al osciloscopio a través de un divisor de

tensión:

ANALIZADORINDUSTRIAL

METRÍ

MAQUINA GENERADORIMPULSORA

1I

ose/

FIG. 4-1-

lo

TRIG-USR

PIG. 4.2.

Page 108: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-96*

El procedimiento a seguirse es el siguiente:

1. El pulsante b acciona el conjunto máquina impulsora-máqui

na sincrónica sin excitacion-tacómetro y se toman valores

de voltaje para diferentes valores de velocidad, obtenién

dose la siguiente tabla:

VELOCIDAD VOLTAJE(rpm) (volt)

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

24QO

2500

4-6

5

5.5

6

6.45

6.9

7.4

7.85

8.3

8.8

9-3

2. LLevando el conjunto a la velocidad sincrónica, se toma

el valor de la potencia de entrada P. En este instante y

Page 109: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-97-

con el pulsante b se suspende el suministro de energía

a la máquina obteniéndose la señal v=f(t) que se observa

en la figura 4.3.

fig- 4.3.

3. De 1. y 2. se establece una relación v=f (w ) y por lo tan

to w =f(t)r v '

Tomando de la tabla los siguientes valores:

w1 = 1900 EPM Wg = 180Q

V-, = 6.45 V en • - v v = 6 vJ_ V —. — W V

Page 110: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-98-

Y sustituyéndolos en la ecuación de la recta:

Vl V2 - Vl

se obtiene la ecuación 4.6. :

v = 0,0045 w - 2.1 4.6.

Donde: w está en RJPMj y

v está en voltios*

Sustituyendo w = — w en 4.6. :

•v = 0.88 vol

Con este valor de voltaje y de la figura 4-3. se determina t1

t' = 16 seg 4.7.

Be los valores tomados en el punto 2. de este procedimiento:

P 460 wT = 188.5 rad/seg = 2'44 ^ewton-metro 4.8,

Page 111: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-99-

Sustituyendo 4*7 y 4-8 en 4-5;

J = 0,327 Kg m2

Y de acuerdo a la referencia "bibliográfica NttÍ5 se obtiene el

valor de H de la siguiente manera:

"X 3 "

H = 2 6

n

2

| (0.327)(188.5)210 5

H = — seg

H = 1.65 seg

4.3-2. RESULTADOS

Lo.s resultados se presentan a continuación, primero

en forma de lista y luego en forma gráfica. Para el ejemplo

desarrollado se han escogido los valores NC=101 y NPTO=501 ,

Page 112: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

PERDIDA

DE

EXCITACIÓN

DE

UN

GENERADOR

SINCRÓNICO

£^JÍ2

¿^H

2S

_O

E_

L.A

_M

¿p

UJt,

NM

_íN

_P

OB

_yN

_i O

AP

XA

Q

- 0

.5

54

03

K

LS

=

0.0

11

46

X

LF

D

=

0,1

34

98

X

LK

D

- 0

.08

20

4

XL

KO

=

0-2

44

37

XA

O =

0

-3

07

01

RS

=

0.0

26

90

R

FD

=

0

.0

05

07

R

KD

=

0.0

08

60

R

KC

=

0.0

13

23

Cq

ND

ICIO

Ng

S

INJ

CIA

LE

5

PO

TE

NC

IA

- 0

-6

42

F

AC

TO

R

DE

P

OT

EN

CIA

=

--3

6.8

70

._

6

XC

=

1V

OL

TA

JE

=

0.8

69

V

EL

OC

IDA

D

AN

GU

LA

R

=

laa

.SO

'

H

=

!.<

S5

DE

LT

A

=

0.1

8¿

tfi

IFD

=

2

.1

3IH

I H O O

Page 113: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-iOl-

J.O.001.002.003. 004.005.006-O07. 008.009. O I O.011.012.013.014.015.016.017.018.019.020.02i.022

.025,026,027,028,025,030, 0 2 1

-034

.036

.037028035O 4 O041O 4 2

040047

.048O»9050051052

Ob4055036 •037osa

012O63064

066067

071

OT3

075

07908008 1082083034085086087008OH9

091092093094a -33096097oía099100

103104I O S106107108109I 1011 11 12

115116I 171 18I 19120121122

124125

12712a129130[31122

134[25

137138

1*0141142

147146L 4 9i 50151152

Í'S4155156157[5fl:59606 1

036*

66

l . O O O O Ol . O O O O O1 .000001 .OOOOO1 .000001 . O O O O O1 .000001 .OOOOO1 . O O O O O1 .OOOOO1 .000001 .000001 .000001 . OOOOO1. O O O O O1 .000001 .00000l . O O O O O '1 . O O O O O1.00000l . O O O O O1 .000001 .000 12

I . O O D 4 6I . O O O S 7I -OOO681.000791 .000691 .OOO59I .001 10

J. 00139

1 .001581 .001 661.00177U O O I 86l . O O I 541.002031.002 121.00220

,-1 .00228

1 .O02441 .002521 .00259I .O0267

1.002621.00289

[ .002021.003091 .003161 .00222I .00323

1.002531 ,OQ3Sa1.O0364

1 .00375I . 00380

1.00400

I .004 10

1 .004 19

1 .00436] .OO4 40

1 . 0 0 4 4 71 .00451I .004531 .004561 .004621 .OO46S1 . 004681 . 0 0 4 7 1

1 .00478I .0048O

1 .00486I -004H91 .00491I .004941.004961 .00459I .0050 1

1 .003091.003111 .005131 .0051 51 .003171 .005191 .0052O1-00 532I .00523

1 .005271 .005291.005301 ,005'JlI .01)5221. 00533

1 .OOS25

1 .00537I .00529

1.OO31O1 .OOS1O1 .005411 .0034 11.00342

1 .005431,00543

1 .005431 .0034*

I .003*41 .0051*1 .00544

1 .00544

1.0054.1 .O05441 .005441 .00343

1.OO543

1,005421.005421 .003421 .00341I .005411 ,005*01 . O O S 4 01 .00539

1 .00533I . OOÍJ381 .O05371.00537

0 -45B20.49820.49fl2

0.49820 .*9H?0 . 4 9 K 20.4562

O . 4 5 P 2

0 .45M2O.Q9H20.49820.1982O. 4 5 62

ol*582"0.4562 •0.49820.49620-34570.3520

0.37490.2823

0,25680 .4Q4O0 .4 1 130.4165

O .44O2

0 . 4£*50 . 4 £ I 6O. 4 6870.47SÜ0.46280.4H990.45690.50390.5108

0.52460.53IS0.53830.3*52

0 .5SH70.5654

O.B7870 .38530.59180.59U40.6049

0.63040.6367O.643O

0.65540.6616

0.6C57

0.6576

0 .7093

0.72210.7277

0 ,74660 .75420.75960.76500 . 7 7 0 30 .77550.76070.7858

0.75550.8O09

0.8106O.H156O . U 2 Q 40.62500.8296O. 83440 .8390

0.85660.861 IO.BOS40.8697O.B7380.878O0.86200.88600 .8900

0.5C17

0.90930 .91290.91660.5202

0.9272

0.92410.9J74

0 .94720.9EOJ0.95340.5S6S0.9555

0.96540,9683

0.9767

0.9620

019873

0.9948

0.5995 .

1.0064

1 -0106

r. oí TII .021 1

1 .O2SO1 .02691 .0287

1 .03?3I .O3401 .03£81 .0375

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---

.44O6

.4387

.4354

.43*0.4327.4216

.4268

.4268

.4263

.4259

.4256

.4253

.4250

.4248

.4246

- 4 2 4 4.4242.4242.4242

.42*1

. 4 2 4 0

.4280

.4240

.4229

.4229

.4238

.4224

.4222

.4230

.4226

. 4 2 2 4

.4210

.4202

.4192

.4 169

.4 162

.4 148

.4 140

.4122

.4 123

.4115

.4106

.4096

.4086

.4066

.4056

.4033

.4022

.4010

.3956

.3986

.3573

.3960

.3906

.3878

.3864

.3tJ49

.3834

.3819

.3«04

.3769

.3742

.3710

.3694

.3662

.3629

.3595

. 3579

.3545

".3511.2494.3178.3460

.3427-34O9

.3359

.3325.3306.3291

.32*1

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-o', t u n e-o.2oee-0,4261-0.5283-0.61 16-0.6736-0.71 1 6-0.72*3

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1 .31 761 . 1686Q.98D 10.7580

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0.8*69I .0710

1 ^ 4 0 4 11 .5012

1 - 3 6 6 Ú1.20611 ,C040

C.50I5

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-1-3127

-I .S48S

-I .3786-I .2074

- C . 7 A 4 9-0.4695-0. 177 I

0. 122 10 .41760.69970.95781 . 1830

1 .50461 .3856

1.59241 .51001.37471 . 191 10.9657C.70610.421 4

-0.7639

- .240S

- .5463- .620E- -6362- .3985- .5025

-0.5215

-0.3604-C.0551

0.551 2

1 .0820

1 .46221 .5600

1 .591 61 .&62C1.32031 . 1 1220.8650

0.2888-0.0155

-0.6245-0.8596

-1 .3466-I. 5028-1 .6061

-1 .5731

-1 .2738

-C.51 16

0.10 15

. D.701S•^ 0.9694

1.3948

I. 62551.65661 .6292

1.40361 .2170

. 0.56560.7153

2. 13122-13122 .1 312

2 l l 3 l 22 . 1 3 1 22 . 1 3 1 22. 131 22.1 J122.13122.13122. 1 31 2Z. 131 22,13122. 131 22. 13122.13122.13122.13122.13122 - 1312O.O0 .0015

0. OO670.0080

0.01010.0110o.o; igO. 0124

0.0137

0.01430.0143 J

0.01*30.01*20.01410. 01390.01370-013S0.01320.01290.0125o . o i a i0 . 0 1 1 7

0.01090.01OS

•0.0100O.O096O.O09I0.00870.00820.0076

O . Q O f í O0.00360.0053

O.OO4Sa. o 04 i0.0038

0.0030

0.0025

0.0021

0.001 60.0013

0.001 40.001 40. 00150. COI 3a .0016O.OO17

0.0020

0 .00240.0026

0 .O03I0.003*0.00380.004 IO . O O 4 5

0. 0053

0.0071

0.0082O . O O U 7O . O O 9 30. 00990.0 IOS0 . 0 1 1 10 . 0 1 1 7

,S. 0137

0.01310.0158

0.01720.01HQ0. 0168

0.02030.021 I

0. 02520. 0260O.G26g

0. 02850.029*

0.031 10.0320

0.0337O.O2460.03350. 0361

O . O 3 S I0.0390O.Q399

O, 0425

a .0*430. 0460

, 0. 0469

O. 0186

0.05030.05120. 057.0

O.O5370.05*60. 055*0.0562

0-0o.o0-00-00-00-00-00-00.0O . D0.00.00.0o.o0-0o.o0.0o-oo.o0,00.0

-0.0378-0.0234

O . O 0 4 B0,01 870,0323

o.oses0.07170,04430,0971

0. 1336

O, I6F30. 17930,19050.20130.21200.22240.23260.242G0.23230.26P20.2717O. 281 IO.29O3

0.30810.31670.3S520.33360.34 17O. 3 4 970.3S760.3652

0.39440-401-V0. 4082

0.4214

0.463?

O, 4740

0.49020.4590

0.50620.51260-SI69O.S21 10.52E2O. 3251

0.5367

0.54 370.5472

0.55390.5370

0.56300.5639

0.57 !4

0.58 13

0.5*580.58790.58590.59190.59380.57560.5974

0.6023

0.60910.61020 . 6 1 I 4

0-6134O . A l 43

0.61H10.61B70 . f. 1 92

0.62010.6206

0.62130.6215

0.6219O.C2200.6222C.0222

0.62220-6221O.6??0

0. 62180.6216

0.62 1 I

O. 62040.6200

0.619?

0.61K2O. 61 77O . í. I 72

0 . í, i 600.61540.61470.6141

0 . 1 /. 1 í)0 . U. 1 '•0.16160 . 1 6 1 r,0. 1616O. 16160.1616n . i o t oO . I 6 1 ti0.16160 . U. I 60 . 1 (. 1 t,0 - l ü l 60.1616O. 1616O. 16160.16160.16160, 16160.16160.16160.16160.1332

0. 136a0. 12880.1209

O.09C4O. 091 1O - O 8 4 0

0.0635

0.0*020.03810.03210 .02630.02050.0150O.OQ<J50 .0042

-O.OOIO-0.0060-0.01 10

-o.o?os-0.0295-0.0338-O.O3BO-0.0422-0.0461-0.05OO-0-05?8-0.057*

-O.O7O9 .-O.O74O--0.0770

-0.082P

-0.0999

-0. I 04 1-0. I 060

-0.1 1 14-0. 1 1 H D

-0. I 160-0.117*-0. 1 IF7-0. 1200-0. 12 1?-0. 1223

-0.1242-0.1251-0. 1259-0. 12f i7

-0.1281-0. 1267

-0-1300

-0. 1 307

-0.1314

-0.1315-0. 1314-0. 13 13-0.1312-0.1311-0. 1308-0.1306

-0.1296

-0 . 1272-0. 1266-0. 121:0

-0. 1P47-0. 1?40

-0 • 1701-0.1 192-0.1 1P3

-0. 1 165-0. I 1 £6

-0. 1 126-0.1 125

-0. 1 10*-0. 10*53-0.1063-0. 1O71

-0. 1 O49-0.1 037-0. 1076

-0. 1 007.-0.0'JOO-O.O978-0-O96S

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Page 121: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

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-1 .9S58-1 -SS91-1 - Í9GO-1.9SC6-1 .5549-1 .5529-1 .9SO&-1 -9663-1 -íeST-1 .9629-1 .9C01-I .5771-1 .9Í37-1 .57CS-I .9669-I.5C25-1 .9598-1 -9362-1 .55S3-1 -5481-1.9440-1 .9401-1.93E9-1 .5318-I .9275-I -5522-I -51P8-1 .514»-1 .5102-1 .5057-1 .«5C14-1.6972-1 -P527-1 -PG64-1 .6643-1 .6756-1.6756-I .6715-1 .6Í71-I -P630-1 .8SB9-1 .6550-1 -6SC9-1.C470-1 .6432-1 .6392-1 .8354-1 .6317-1.F281

-1 .8209

-1 .E 139-1 .6105-I .«072-1 - P C 4 1

-1 .7978-1.79*8-I. 7517

-I .7PPB-1 -7E60-1 .7624-1 .7607-1 .7781-1.7757

-1 - 7 £ 4 0-1 .7670-1 .7S58-I .7579-1 .7561-1 .7«*|-1 .762»-1 .7-08

-1 .7476-1 .7459

•-1 .7431

-1 .7290

-1 .7326

-I .7312

-1 .7798-1-7793

-1 .7275

-1 -7?SO

-I .7246

-1 .7742-1 - 7 2 4 1

-1 .7241

-1 - 7 2 4 *-1-72*7

-1 .7231-1 .7752

-1 -7SB9

-I .7213

-1 .7323

-U73E7

-1. 273-1. 279-1. 2B7-1. 295-1 . 405

-1 -7**5-1 .7*60-1 ,7*£9-1 ,7478

" U-vv¿ j0.99200.99170.95120.99070.99000-9B930.9B8*C.5C750-98660.96550.98**O.cf>220-9819o.ceoe0.97530.5779-0.976*0.97*90.97330.97160.5C590.56820 - 9 C 6 *0.9£*60.96Z70.96080..95R90.9SC90.9E490.952B0,55080.94680.94660.9*450.94240,5402o,t)2eo0,92580,52360,93130.9P910.92700.92*70.9724C.92O20.91790.91560,91330.91 1 1

0.9065

0.9O2O0.8597O.B975O.B553

0-85070.8P660.8P630.88400,88190.67570.877S0.8734

0.8676o.ecoíic.esfs0-8EÍ-4O.BS45O.B52»0.850»0.8463

0.0*1?,0.8426

Q.C36H

O.B2200.8312Q.B25*

Q.P239

o.aiaa0.8171O.Bl 540-B127

o.eíoaO.H087

0.7990

0.7939

0.791 40.7B99

0.7870

0.7B»10.7B2B

0.77990.77850.77710.7758

0.77060.76930.7679

0.7CS*

0.7C06

0.73330 . 7 £ P 1

0.7*990.74P60.7*760.74640.7*3*

0.741 10.7*00O. 73900.72EOO.73C9

O

o

o

Page 122: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

I H H O I

OU

U

Ij

U

Page 123: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-111- .

Page 124: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-112-

4.4. COMENTARIOS SOBRE LOS RESULTADOS

Es necesario indicar, que en este modelo matemático,

no se ha considerado el efecto del regulador de velocidad, y

además, no se han obtenido los resultados de los voltajes, ya

que el estudio se realiza sobre una máquina conectada a la ba

rra infinita*

Al producirse la pérdida de excitación, se interrum-

pe el equilibrio existente en la máquina, lo que causa que es.

ta aumente su velocidad sobre la sincrónica. Esto se nota exa

minando los resultados de WR, en donde se observa que la má-

quina, se acelera tanto para el caso de circuito abierto en el

campo como para el de cortocircuito, siendo mayor cuando suc.e

de el circuito abierto. En cualquier cas®, esta aceleración -

es pequeña.

Durante los primeros veinte milisegundos, se observa

en los resultados que tanto IQS como IDS son constantes, esto

demuestra, que las ecuaciones desarrolladas para el funciona-

miento asincrónico son también válidas para el estudio del gj3

nerador sincrónico en estado estable 0

Page 125: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-113-

Para el caso de cortocircuito, la corriente de arma

dura aumenta oscilando alrededor de dos veces la corriente np_

minal como puede verse más claramente en los resultados gráfi.

eos de 1AS. Para el caso de circuito abierto, la corriente de

armadura es mayor llegándose incluso a valores tan altos como

cuatro veces la nominal. Además, los gráficos de IAS, indican

como las oscilaciones de la máquina son más pronunciadas con

el campo en circuito abierto.

En los resultados, las potencias activa y reactiva

se han dibujado en el mismo gráfico, con el fin de obtener u

na idea más clara del comportamiento de la máquina cuando op_e

ra en el modo asincrónico. Así, para el caso de cortocircuito

en el campo, se nota como la máquina pese a estar fuera de la

velocidad sincrónica sigue entregando potencia activa al sis-

tema llegando a valores cercanos al 55$ del valor nominal. Es.

ta potencia, es la resultante de dos componentes (P-. y Pp) :

La una, originada por el asincronismo de la máquina, y cuya

presencia, se basa en el principio áe las máquinas de induc-

ción ya que se originan corrientes inducidas en los devanados

cortocircuitados de damping; y la segunda debida a la reluc-

tancia, esto es, a la asimetría de la máquina. El mismo gráfi.

co indica como la máquina absorve energía reactiva del sist_e

Page 126: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-114-

ma como consecuencia de la deficiencia de excitación, pero es.

ta deficiencia es suministrada por el sistema permitiendo así

el funcionamiento asincrónico del generador.

Para el caso de circuito abierto¿en el campo, el com

portamiento es similar como el caso anterior, así en el ins-

tante en que se produce la falla, la máquina sigue entregando

potencia activa al sistema mientras absorve reactivos del mis.

mo. Esto puede notarse hasta alrededor de los doscientos mili

segundos, ya que posteriormente y por muy poco tiempo la má-

quina absorve potencia activa como consecuencia del régimen i

nestable en que trabaja la máquina, inestabilidad que se ma

nifiesta en la potencia. Posteriormente, entrega activos cer

canos al valor nominal, en tanto que los reactivos que requi_e

re y próximos a dos veces el nominal son suministrados por el

sistema.

El torque electromagnético, no se ha presentado en

forma gráfica, ya que como se observa en los resultados lis-

tados, sigue aproximadamente a las variaciones de potencia ac_

tiva, lo cual es correcto puesto que el torque y la potencia

activa están íntimamente relacionados entre sí.

Page 127: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

C A P I T U L O V

CONCLUSIONES 3f RECOMENDACIONES

Page 128: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-115-

5.1. CONCLUSIONES

- Una falla en el campo, provoca un aumento de la corriente

de armadura, aumento que lógicamente se traduce en el so.

"brecalentamiento del estator, siendo ]5ste uno de los fac_

tores limitantes de tiempo para que la máquina funcione-sa

sincrónicamente.

- Sin embargo de que el generador sincrónico ha perdido su

excitación, continúa entregando potencia activa al siste.

t i ~ ?nía. "• . '-;.. ¿í- -c A '•-• ]f - -

El sistema al cual la máquina está conectada, proporciona

los requerimientos de excitación del generador sincrónico

cuando éste opera asincrónicamente.

- En el funcionamiento asincrónico, el peligro de que se da

ñe la máquina es mayor con el bobinado d'e campo en circuí

to abierto, porque como se ha establecido anteriormente ,

para esta forma de conexión del campo la armadura soporta

una mayor corriente, y además por el sobrevoltaje que apa.

recerá a los terminales del campo en el instante de produ

cirse un circuito abierto repentino.

Page 129: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-116-

- 1 El análisis matemálíico basado en el principio de un sist_e

// ma cuasiestacionario en el cual el deslizamiento se man-

tiene constante, entrega resultados bastante aproximados

a los reales.

Del análisis matemático se desprende que las potencias ac

tiva y reactiva constan de tres componentes: una indepen

diente del tiempo (P-, y Q-i)> una segunda que es debida a

los polos salientes (P0 y Q0) y finalmente una tercera de<- C. ~"~

bida a la excitación del campo (P~ y Q~).

Las reactancias operacionales desarrolladas, toman en con

sideración la variación de los parámetros de la máquina -

sincrónica en función del deslizamiento.

Realizando el operador p=0, se comprueba como éstas ecua-

ciones que describen el comportamiento asincrónico del g,e

nerador sincrónico, son también válidas para el funciona-

mi ento en estado estable.

Page 130: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-117-

5.2. RECOMENDACIONES

- Realizar el estudio del funcionamiento asincrónico median

te la solución de las ecuaciones diferenciales no linea-

les, a fin de establecer una comparación con el método d.e

sarrollado en esta tesis.

- Estudiar el comportamiento asincrónico de la máquina sin-

crónica para el caso de una máquina de rotor cilindrico-.

- Utilizar un método similar al desarrollado para estudiar,

el comportamiento de una máquina de reluctancia.

- En "base a los resultados obtenidos puede realizarse el es_

tudio de la protección contra pérdida de excitación.

Page 131: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

PARÁMETROS PÜ1TDAMENTALES DE LA

MAQUINA A ESTUDIARSE

Page 132: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-118-

ANEXO A

PARÁMETROS DE LA MAQUlFA SINCRÓNICA

A.l. OBTENCIÓN DE LOS PARlMETftQS FUNDAMENTALES DE LA

QÜINA (Bibl. 16)

Los parámetros que generalmente vienen dados en las

especificaciones de una máquina sincrónica son:

x, = reactancia sincrónica de eje directo,a

x* = reactancia transitoria de eje directo,a

xy = reactancia subtransitoria de eje directo. ...d

x = reactancia sincrónica de eje en cuadratura.<1

x" = reactancia subtransitoria de eje en cuadratura.q.

T ' = constante de tiempo transitoria de eje directo de circuido JT _

to abierto,

T' = Constante de tiempo transitoria de eje directo de cortc_d •

circuito.

T'1 = constante de tiempo subtransitoria de eje directo deao

circuito abierto.

Page 133: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-119-

T"* = constante de tiempo subtransitoria de eje directo de

cortocircuito„

T M = constante de tiempo subtransitoria en cuadratura en cir

cuito abierto.

T" = constante de tiempo subtransitoria en cuadratura en cor

toeircuito,

A menudo vienen también dados la resistencia de se-

cuencia cero y las reactancias de secuencia cero y de disper

sión del estator.

Para fines de simulación, es necesario obtener los

parámetros fundamentales de la máquina tales como: reactancia

de dispersión y de magnetización en los ejes directo y en cua

dratura, como también, las resistencias y reactancias de dis-

persión en cada uno de los bobinados del rotor.

Los parámetros fundamentales son:

r = resistencia de armadura,s

x = reactancia de dispersión de la armadura,

xad = reactancia de magnetización de eje directo.

Page 134: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-120-

xaq_ = reactancia de magnetización de eje en cuadratura,

r ' = resistencia del campo,

-p = reactancia de dispersión del campo.

r' = resistencia del arrollamiento de damping en el eje di-

recto,

x' = reactancia de dispersión del arrollamiento de dampingJ_zCCL

en el eje directo,

r' = resistencia del arrollamiento de damping en el eje en

cuadratura,

x* = reactancia de dispersión del arrollamiento de damping

en el eje en cuadratura.

REACTANCIAS

Usualmente viene dada la reactancia de dispersión de

la armadura, o en caso contrario, la reactancia de secuencia

cero que es igual a la de dispersión de la armadura.

X-, = x A. 1.1.Is o

Como: x, = x-, + xad

= Xls

Page 135: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-121-

xad = x, - x..d Is—> A.1.2.

xaq = x - x-,^ q Is

La reactancia de dispersión del campo, puede obtener

se a partir de la definición de x' :

x' = x-, _ +Is xad + x' ,

xad(x' - x-, )t Q. J_S /-- " A T •?

Xlfd ~~ ^"^ /''trt "°" ^ " A.i.j),

La reactancia de dispersión del arrollamiento de dam

ping en eje directo, se obtiene a partir de la definición de

x" •

r IT __ -v- 1 _____^

M Is xad-x'

d " xls)xad*xífdliCCL X-. „., «^.c^,^— x^i.j—,^._

La reactancia de dispersión del arrollamiento de dam

ping en el eje en cuadratura, se o~btiene a partir de la defi-

nición de x";q.

Page 136: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

"Is

-122-

xaq-x'<+

(x-'-x., )9 _ i§

La resistencia de secuencia positiva es normalmente

un parámetro dado y es igual a la resistencia del estator.

La resistencia de campo puede ser calculada de la e-

cuación de la constante de tiempo transitoria de eje directo

de circuito abierto:

xad>

La resistencia del arrollamiento de damping en el e-

je directo puede calcularse de I" :

I . • X-, _« T,-.. __ (xt , Ifd"__ _ _

d° " w'r lkd xad+x fd

Page 137: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-123-

. -p » _ -1- (Y ' 4- •*"*•"• 1 A i 7- - kd " w - T » v Ikd ^ xad+x' , ' A . X . / .

do lia

La resistencia del arrollamiento de damping en cua -

dratura, se calcula a partir de T" :

T" = -=-7- (x*qp w-r¿

ri _ — ^ (xi +xaq) A. 1.8.kq wT" Ikq ^'

A. 2. OBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LA MA-

QUINA SINCRÓNICA A ESTUDIARSE.

r = 1.22s

27 A T = 0,36 s

x* = 6.8 -O- 5)' = 0.0915 sd ü

x'1 = 4.0 -O- T" = 0.0585 sd do

x = 15-8 ^x- T^ = 0.0345 s

x" ^ 8.05 jn- ln" = 0.1092. s

x = 1.88 -Tv- OJH = 0.0555 so q.

Page 138: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-124-

Los parámetros anteriores, se han obtenido de la r_e

f erencia "bibliográfica # 17 y que corresponden a los de la má

quina sincrónica a estudiarse y que tiene las siguientes ca-

racterísticas:

3 0 de polos salientes y con arrollamientos amortiguadores.

S = 3*5 KVA

v = 230 vol (en delta)

I = 8.7 A

n = 1800 RPM

f = 60 c/seg

Vexc = 110 vol

f = 0.8P

Aplicando las fórmulas desarrolladas en A.l., se ob-

tienen los parámetros fundamentales de esta máquina:

Xls = 1-88 Ohm rs = 1*22 ohm

xad = 25*12 Ohm r^ = Oo23 ohffi

xaq = 13.92 Ohmr* =0.39 ohm

x' ,= 6*12 ohmIf ar* = 0.60 ohm

x' = 3-72 ohm

Page 139: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-125-

A.3. OBTENCIÓN DE LOS PARÁMETROS FWDAMfflTALES EN POR UNI-

DAD

De acuerdo a la teoría desarrollada en el capítulo I

se toman como valores "base los correspondientes a la máquina

sincrónica:

230 v

3500 YAv.;

ZB "" S

- 45.34obm

puJB

X* r=pu

(ohm)

= 0.04146

= 0.55403

= 0,30701

= 0.13498

x' ,=0.08204

-,Is

xad

xaq

r =

•fd

"kd

0.02690

0.00507

0,00860

0.01323

°-24437

Page 140: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

A N E X O B

MANUAL DE USO DEL PROGRAMA

Page 141: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-126-

ANEXQ B

MANUAL DE USO DEL PROGRAMA

El programa digital desarrollado en la presente te-

sis» permite obtener las características de funcionamiento de

un generador sincrónico cuando éste opera asincrónicamente d_e

bido a la pérdida de excitación, ya sea debido a un cortocir

cuito o a un circuito abierto en el campo.

YARIAB1ES DE ENTRADA

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

EXC Indicador de alternativas: Cero (O) para

el caso en que el campo está en circuito a

bierto; Uno (l) para el caso en que el cam

po está en cortocircuito.

EP Ángulo expresado en grados correspondiente

al factor de potencia. Positivo en adelan

to y negativo en atraso.

HI Constante de inercia en segundos.

KC Número de puntos que forman el eje de las

ordenadas.

Page 142: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-127-

SIMBOLO DESCRIPCIÓN

NPUN

RED

RKD

RKQ

RS

V

VA

WB

XAD

XAQ

XLFD

XLXD

Número de puntos calculados de corrientes,

potencias, etc.

Resistencia del campo en por unidad.

Resistencia del arrollamiento de damping

en el eje directo en por unidad.

Resistencia del arrollamiento de damping

en el eje en cuadratura en por unidad.

Resistencia de armadura en por unidad.

Voltaje a los terminales de la máquina en

por unidad.

Potencia aparente en por unidad.

Velocidad angular correspondiente a la de

sincronismo expresada en rad/seg.

Reactancia de magnetización de eje directo

en por unidad.

Reactancia de magnetización de eje en cua-

dratura en por unidad.

Reactancia de dispersión del campo en por

unidad.

Reactancia de dispersión del arrollamiento

de damping en el eje directo en por unidad

Page 143: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-128-

SIJHBOLO DESCRIPCIÓN

XLKQ

XLS

Reactancia de dispersión del arrollamiento

de damping en el eje en cuadratura en por

unidad.

Reactancia de dispersión de la armadura en

por unidad.

VARIABLES LE SALIDAD

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

DELTA

IAS

IDS

IPD

IQS

P

Pl

P2

Ángulo de potencia.

Corriente de armadura en por unidad.

Componente en el eje directo de la corrien

te de armadura en por unidad.

Corriente inducida en el campo en por uni-

dad.

Componente en cuadratura de la corriente

de armadura en por unidad.

Potencia activa en por unidad.

Potencia asincrónica en por unidad.

Potencia de reluctancia en por unidad.

Page 144: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-129-

SIMBOLO DESCRIPCIÓN

Q

T

TE

VPD

WR

Potencia reactiva en por unidad.

Tiempo en segundos.

Torque electromagnético en por unidad.

"Voltaje inducido en el campo en por unidad

Velocidad mecánica en por unidad.

Para un problema especifico, los datos del programa,

se introducen en tres tarjetas, las mismas que se describen a

c ont inuac i ón:

PRIMERA TARJETA,- La primera tarjeta de datos, corresponde a

los parámetros de la máquina expresades en

por unidad con formato E10.5, en el orden indicado en la figu

ra B.l.

10-XLS-

20-XLíT)— <e

21 30-40 ¿H

<£_

50..

pía. B.l.

Page 145: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-130-

SEGÜNDA TARJETA»- La segunda tarjeta de datos también corres.

ponde a los parámetros de la máquina, y al

igual que la tarjeta anterior se perfora con formato FIO, 5 en

el orden indicado en la figura E. 2.

-^<t\ 11 20 30 34 -4041 SO-

TERQEEIA TARJETA.- La tercera tarjeta de datos, corresponde a

las condiciones iniciales y se perforan de

acuerdo al formato y orden indicado en la figura B.J.

£ VA -iA 6

F6.3

<.7 iz

F6.2

13

11

*r V -»14 19

í WE -»

20 25

P6.2

- TTT .

26 30 34 33

13 133^ (

FIG-. B.3.

Page 146: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

-131-

Bs necesario señalar, que se introducen tantos blo -

ques de tres tarjetas de datos, como ejercicios deseen reali-

zarse. Para la terminación, hay que introducir un bloque de

datos el cual tenga el valor XAD = O.

Page 147: Analisis Digital de La Perdida de Exitcion de La Maquina Sinc

o

o

oo

o

o

r

•: o

: O

O

O

o

o

o

po

o

0

o'

O

o

o

o

o

o

o

oi .

o

í o

o

o

o

o

o

o

o

o

n

o

o

Lo

»

DOS FORTRAN

. CDiICnlf IN

LCAO '«*

DECK ^SO

LIST ves. L I S T X NO

Q Ü C O I C '

* DOS FOHTHAN

O O Q I00020003OQ04aoos00060007

OOQIJ0001

0010

001 I

00120013 • ' 'oai 40015O01Ó0017

001 BOQil0020

• 00210022002300240025

ÚQ2f.00270028O029OO3000310032

0033

003*003S003600370038 .

0039U Q 4 O

0 0 4 1004J00*3 •

OQ«S

DBS FOHTHAH

0046 ,

QO47

004fl0041

0050 •O05I .

0053

0033O036

OOS7OOSB

aoúo00*100620063

OOC4OObS

0067U06B

006t0070O U 7 I0072D073

00740075DOTO0 0 / 7ooni0079oono0081OOMZ0083OOB4

. OOflS00(16

. *

-132-t. «. ' »» t + i« «• «« « » •* t* * t "r • '•

EJECUCIÓN FECHA: is/H/T) HORA: M/5S/E3IV 3CON-FO-479 2""B . .

EfFECT •

IV

cccc

c

c

cccc

ccc

ecc

ccc

IV

ccc

ccc

ccc

ccc

cc

ccc

'

TESIS OF CHAOC OB JGSF R LQPF? C

PRCPESOB INC. "CNTOR POVEOA

. 1NIEGGR CXC '

DI "ITKSICN PDH2.S01 I .COR» (2 .30I ICOfWQN XAD.XLE.Xl.FO.J'l.KO.XLKa.XAQ.nS.RFD.RKD.BHOco^f-ON VA.Fp.EJtc. v. *E t OCLTA , VFD. IFD.HI .SC.MPUNCOVKON D.E.F.G.FI .F2.HI ,H2 .« ID.KíD.f; |O , KHO .KFD .KPQ ,C( 16)

IOEM [F ICACIOh " . -- -

'«« 1 tF IJ - ÍS) v

LECTUHA E I-PCESION OE PAn4ueTROS. CONDICIONES INICIALES EINCICADORGS

iq C*LL tMI . .

PRUEBA DE TERMINACIÓN ' .

I F IXAO.EQ.O.O IGO íO I*S . . .

ESCRITURA |)E T Í T U L O S . . '

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DE

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DE

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LECTURA DE LOS PARÁMETROS DE LA MAQUINA

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ESCRITURA DE LOS PARÁMETROS

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LECTURA DE LAS CONDICIONES INICIALES E INDICADOR

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ESCRITURA DE LAS CONDICIONES INICIALES E INDICADOR

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14 FORMATÍ/. 17X. 1 IMPOTENCIA = . F7 .3 ,

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1 HFACTGR DE POTENCIA = , F7 .3

1 , 14X.6HEXC = ,

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VOLTAJE = ,F7 - 3 , 17 X . 2

1 HVEL

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