Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Sistemas de Excitación en Unidades de Generación. Por: Jeffrie Alexander González Alfaro Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Julio del 2011

2 Sistemas de Excitación en Unidades de Generación Eléctrica. Por: Jeffrie Alexander González Alfaro. Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Rafael Mauricio Araya Araya Profesor Guía Ing. Oscar Núñez Mata Profesor lector Ing. Helmut Rivera Lamsick Profesor lector ii

3 DEDICATORIA A mi familia en general que siempre me han apoyado en este largo camino, en especial a mis dos hermanos y mi mamá que han vivido de cerca cada uno de mis pasos de mi vida de estudiante y han hecho grandes sacrificios para que yo consiga mis metas. Los amo y admiro. A mi novia Susan, que siempre ha estado ahí para apoyarme y ayudarme en lo que sea necesario, dándome ánimos y fuerza para seguir adelante y llegar a mi meta de ser ingeniero. A mis amigos de carrera y después de esta etapa, amigos de vida y colegas, por que cada paso que hemos dado juntos en esta universidad, he sentido el apoyo incondicional de ellos, y entre risas, frustraciones y libros, hemos logrado nuestro objetivo paso a paso, y por que, un amigo de la U, es un amigo para toda la vida. Y principalmente a Dios, por darme salud y fuerzas para poder día a día construir mi futuro (CJVC). iii

4 RECONOCIMIENTOS A mi profesor guía y profesores lectores, por darme la oportunidad de desarrollar este tema, por guiarme, brindarme el material necesario y sacrificar parte de su tiempo para revisar esta investigación. iv

5 ÍNDICE GENERAL 1. CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN Justificación Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología CAPÍTULO 2: DESARROLLO TEÓRICO DE LOS SISTEMAS DE EXCITACIÓN Generalidades del Generador Sincrónico y la Importancia del Sistema de Excitación Requerimientos del Sistema de Excitación Consideraciones del Generador Consideraciones en los Sistemas de Potencia. [20] Elementos de un Sistema de Excitación. [20] Excitador v

6 Regulador Transductor de tensión y compensador de la carga Estabilizador del sistema de energía Limitadores y circuitos de protección Tipos de Sistema de Excitación. [20] Sistemas de Excitación DC Sistemas de Excitación de Corriente Alterna Sistemas de Rectificación Estacionarios Sistemas de Rectificación Rotacional (Sin Escobillas) Sistemas de Excitación Estática Sistemas de Rectificador Controlado con Fuente de Potencial Sistemas con Rectificador de Fuente Compuesta Sistema de Excitación con Rectificador Controlado de Fuente Compuesta Desarrollos recientes y tendencias futuras Dinámica de las Medidas de Rendimiento. [20] Medidas de desempeño en gran señal Medidas de rendimiento de pequeña señal Control y Funciones de Protección. [20] Los reguladores de CA y CC Circuitos estabilizadores de los sistemas de excitación vi

7 Estabilizador del sistema (PSS) Compensación de carga Limitador Subexcitación Limitador de Sobreexcitación Limitador y protección Volts/Hertz Circuito de campo reducido CAPÍTULO 3: RESUMEN Y ESTUDIO DE LAS NORMAS IEEE UTILIZADAS PARA SISTEMAS DE EXCITACIÓN Norma ANSI/IEEE Std : IEEE Definiciones Estándar Para los Sistemas de Excitación de Máquinas Síncronas. [14] Norma ANSI/IEEE Std : IEEE Guía de Identificación, Pruebas y Evaluación del Comportamiento Dinámico de los Sistemas de Control de la Excitación. [15] Criterios de Rendimiento en Gran Señal Límite máximo de corriente Límite máximo de tensión Respuesta en el tiempo de la tensión del sistema de excitación Tiempo de respuesta de la tensión del Sistema de Excitación Alta Respuesta Inicial vii

8 Respuesta Nominal del sistema de excitación Las respuestas transitorias Criterios de Desempeño en Pequeña Señal Respuesta transitoria Característica Respuesta en Frecuencia (Sistema Lineal) Dominio de la frecuencia en el plano complejo (S-plano) Control de estabilidad del sistema de excitación Tipos de oscilaciones de la máquina síncrona Aplicación de estabilizadores a sistemas de potencia Prueba de Rendimiento para Gran Señal Pruebas de fábrica Pruebas de Campo Prueba de fallas Las perturbaciones de Sistemas de Potencia Prueba de Rendimiento de Pequeña Señal Componentes del sistema de control de excitación Pruebas de Campo Pruebas de campo con estabilizadores del sistema de energía Norma IEEE Std (Revisión de IEEE Std 421B-1979): IEEE Estándar de Requisitos de Prueba de Alto Potencial para los Sistemas de Excitación de Máquinas Síncronas. [16] viii

9 Las pruebas de alto potencial Tipos de pruebas La frecuencia y la forma de onda de tensión de prueba Consideraciones de prueba de alto potencial Duración y aplicación de la tensión de de prueba Medición de la tensión de prueba Temperatura de Prueba Tensiones estándar de prueba Norma IEEE Std IEEE: Guía para la Preparación de las Especificaciones del Sistema de Excitación. [17] Generalidades Modos de funcionamiento Instalación Convenciones Sistemas de Aislamiento Diodos y Tiristores Disponibilidad La redundancia de los equipos Piezas de repuesto Consideraciones en la Clasificación de los Excitadores Clasificaciones ix

10 Requerimientos transitorios Consideraciones de la Fuente de Alimentación del Excitador Excitadores Rotativos DC con Conmutador Excitadores CA de Rotación Excitadores estáticos Excitador Fuente Compuesta - Rectificador Rendimiento del sistema de excitación y del regulador de la máquina síncrona Control Manual de Rendimiento Rendimiento de control Automático (incluyendo la máquina síncrona) Funciones de control Auxiliares Consideraciones sobre el control Desexcitación Unidad de Control Manual Unidad de Control Automático Unidad automática Arranque / Paro Unidad de acople automático de tensión Ajustadores del Punto de Ajuste (Set-Point) Seguimiento de Punto de Ajuste Interfaz del Circuito de Control de los Circuitos de la Planta de Energía Consideraciones de protección Acción de Protección x

11 Acción de Anunciación Consideraciones ambientales y del recinto Medio Ambiente Recinto Instrumentos y controles para montaje remoto Información que debe facilitarse por el fabricante Información que pueden ser suministrados en el momento de la presentación de propuestas Información proporcionada antes de la entrega del equipo Información que deben tener los equipos cuando son entregados Fotografías Procedimiento de revisión del plano durante la etapa del proyecto Revisión del plano después de que el montaje es completado Norma IEEE Std IEEE: Prácticas Recomendadas para los Modelos de los Sistemas de Excitación y Estudios de Estabilidad de Sistemas de Potencia. [19] Representación de los sistemas de la máquina sincrónica de excitación en los estudios del sistema de energía Máquina Síncrona, terminales del transductor de tensión y modelos del compensador de corriente Tipo DC: Excitador Conmutador de Corriente Directa xi

12 Modelo del sistema tipo DC1A. [19] [26] Modelo del sistema tipo DC2A. [19][26] Modelo del sistema tipo DC3A. [19][26] Modelo del sistema tipo DC4B. [19] Tipo AC: Sistemas de Control de Excitación de Corriente Alterna Modelo del sistema tipo AC1A. [19][26] Modelo del sistema tipo AC2A. [19] Modelo del sistema tipo AC3A. [19] Modelo del sistema tipo AC4A. [19] Modelo del sistema tipo AC5A. [19] Modelo del sistema tipo AC6A. [19] Modelo del sistema tipo AC7B. [19] Modelo del sistema tipo AC8B. [19] Sistemas de control de excitación estáticos (ST). [19][26] Modelo del sistema tipo ST1A. [19] Modelo del sistema tipo ST2A. [19] Modelo del sistema tipo ST3A. [19] Modelo del sistema tipo ST4B. [19] Modelo del sistema tipo ST5B. [19] Modelo del sistema tipo ST6B. [19] Modelo del sistema tipo ST7B. [19] xii

13 4. CAPÍTULO 4: SIMULACIONES Y ANÁLISIS DE LOS SISTEMAS DE EXCITACIÓN Componentes Generales Utilizados en los Diferentes Modelos de Sistemas de Excitación Sistema de Excitación DC. [26] Sistema de Excitación AC. [26] Rectificadores [20] Amplificadores [26] Circuitos de estabilización del sistema de control de excitación [20] Límites Windup y nonwindup [20] Funciones de subasta (compuertas) [20] Simulaciones Realizadas y Correspondientes Análisis CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones BIBLIOGRAFÍA APÉNDICES xiii

14 Código en Matlab utilizado para respuesta al impulso y escalón unitario del sistema de excitación DC1A Código en Matlab utilizado para la obtención del Lugar Geométrico de las Raíces (LGR) del sistema de excitación DC1A ANEXOS Tablas con valores de las constantes de tiempo y valores de ganancia recomendada por la IEEE en su norma IEEE Std Simbología utilizada para la norma IEEE Std xiv

15 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Circuito de Excitador sin escobillas [25]... 7 Figura 2. Esquema de Excitación sin escobillas que incluye excitador piloto. [25]... 8 Figura 3. V-Curvas y curvas compuestas para un Generador [20]... 9 Figura 4. Diagrama de bloques funcional de un sistema de control de excitación para un generador síncrono. [20] Figura 5. Sistema de Excitación DC con regulador de tensión Amplidina. [20] Figura 6: Diagrama unifilar de un sistema de excitación con rectificador de alternador de campo controlado. [20] Figura 7. Alternador alimentado con un sistema rectificador controlado. [20] Figura 8. Sistema de excitación sin escobillas. [20] Figura 9. Sistema de Excitación Estático con Rectificador de Fuente Compuesta [20] Figura 10. GENERREX Sistema de Excitación con Rectificador Controlado de Fuente Compuesta [20] Figura 11. Sistema de Control de Excitación General. [20] Figura 12. Respuesta nominal de un sistema de excitación. [20] Figura 13. Tiempo de respuesta típico ante un escalón en la entrada. IEEE [20] Figura 14. Respuesta en frecuencia a lazo abierto de un sistema de control de excitación para un generador en circuito abierto. [20] xv

16 Figura 15. Respuesta en frecuencia típica de lazo cerrado de un generador con circuito abierto. [20] Figura 16. Sistema de control de la excitación y circuitos de protección. [20] Figura 17. Estabilización del sistema de control de la excitación mediante retroalimentación derivativa. [20] Figura 18. Diagrama esquemático de un compensador de carga. [20] Figura 19. Coordinación entre el relé UEL y LOE, y el límite de estabilidad. [20] Figura 20. Coordinación del límite de sobreexcitación con la capacidad térmica de campo. [20] Figura 21. Derivación del circuito de campo, utilizando una protección crowbar. [20] Figura 22. Derivación del circuito de campo, utilizando un varistor. [20] Figura 23. Respuesta Nominal de un Sistema de Excitación. [15] Figura 24. Respuesta Transitoria Típica de un Sistema con un Lazo de Control y un Escalón a la Entrada. [15] Figura 25. Respuesta en Frecuencia Típica de lazo abierto de un Sistema de Control de Excitación de una Máquina Sincrónica en Circuito Abierto. [15] Figura 26. Respuesta en Frecuencia Típica de lazo cerrado de un Sistema de Control de Excitación de una Máquina Sincrónica en Circuito Abierto. [15] Figura 27. Grafico de Polos / Ceros Típico de lazo abierto de un Sistema de Control de Excitación de una Máquina Sincrónica en Circuito Abierto. [15] xvi

17 Figura 28 (a). Sin carga a un ángulo de torsión de 0. [15] Figura 28 (b). Sin carga a un ángulo de torsión de 72. [15] Figura 28 (c). Sin carga a un ángulo de torsión de 102. [15] Figura 29. Diagrama de Bloques Usado para Representar un Típico PSS. [15] Figura 30. Prueba de Campo a Gran Señal (10% error en Tensión) para Respuesta Inicial Alta en un Sistema de Excitación. [15] Figura 23 (Repetida). Respuesta Nominal de un Sistema de Excitación. [15] Figura 31. Típica respuesta de frecuencia de datos de pruebas de campo de un sistema de control de excitación sin y con un estabilizador del sistema de potencia. [15] Figura 32: Diagrama general de bloques funcionales para diversos subsistemas de excitación de la máquina síncrona. [19] Figura 33. Transductor de tensión en los terminales y elementos opcionales de compensación de carga. [19] Figura 34. Modelo del sistema tipo DC1A. [19] Figura 35. Modelo del sistema tipo DC2A. [19] Figura 36. Modelo del sistema tipo DC3A. [19] Figura 37. Modelo del sistema tipo DC4B [19] Figura 38. Modelo del sistema tipo AC1A. [19] Figura 39. Modelo del sistema tipo AC2A. [19] Figura 40. Modelo del sistema tipo AC3A. [19] xvii

18 Figura 41. Modelo del sistema tipo AC4A. [19] Figura 42. Modelo del sistema tipo AC5A. [19] Figura 43. Modelo del sistema tipo AC6A. [19] Figura 44. Modelo del sistema tipo AC7B. [19] Figura 45. Modelo del sistema tipo AC8B. [19] Figura 46. Modelo del sistema tipo ST1A. [19] Figura 47. Modelo del sistema tipo ST2A. [19] Figura 48. Modelo del sistema tipo ST3A. [19] Figura 49. Modelo del sistema tipo ST4B. [19] Figura 50. Modelo del sistema tipo ST5B. [19] Figura 51. Modelo del sistema tipo ST6B. [19] Figura 52. Modelo del sistema tipo ST7B. [19] Figura 53. Diagrama de bloques del excitador de dc. [20] Figura 54. Diagrama de bloques del excitador de ac. [20] Figura 55. Modos de operación del circuito de rectificación. [20] Figura 56. Modelo de bloques del rectificador. [20] Figura 56. Modelo de bloques del amplificador. [20] Figura 57. Transformador de estabilización en un sistema de excitación. [20] Figura 58. Integrador límites windup. [20] Figura 59. Integrador límites non-windup. [20] xviii

19 Figura 60. Bloque de 1 cte. de tiempo con límites windup. [20] Figura 61. Bloque de 1 cte. de tiempo con límites non-windup. [20] Figura 62. Función de adelanto atraso con límites non-windup. [20] Figura 63. Compuertas de LV y HV. [20] Figura 64. Sistema de excitación con su respectivo lazo de control. [20] Figura 65. Diagrama de bloques realizado en Simulink del sistema de excitación sin lazo de estabilización Figura 66. LGR de la función de lazo abierto del sistema de excitación con la ganancia de Figura 67. Respuesta al escalón y a un impulso a la entrada del sistema de excitación con una ganancia de amplificación de Figura 69. Modelo del sistema de excitación realizada con Simulink, aplicando las constantes de tiempo y ganancias Figura 70. Respuesta al escalón a la entrada del sistema de excitación con una ganancia de amplificación de. Simulación realizada con Simulink Figura 71. Modelo en Simulink para el sistema de excitación DC1A con estabilización Figura 72. Modelo en Simulink para el sistema de excitación DC1A con estabilización y sus respectivos valores de ganancia y constantes de tiempo Figura 73. Respuesta a un escalón del sistema de excitación DC1A con estabilización xix

20 Figura 75. Respuesta a un escalón del sistema de excitación DC1A con estabilización con un controlador PI en serie con la excitación xx

21 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Puntos por los cuales pasa la curva de la figura 20. [20] Tabla 2.2. Tabla V / Hz, limitaciones para los generadores (GEN) y transformadores elevadores (XFMR). [20] Tabla 3.1. Valores aceptados de los índices de rendimiento que caracterizan a un buen control de retroalimentación sobre el desempeño del sistema. [15] Tabla 3.2: Rango para los índices dinámicos de rendimiento de pequeña señal para los Sistemas de Control de Excitación. [15] xxi

22 NOMENCLATURA AVR: Regulador automático de voltaje. : Tensión de salida del excitador. : Frecuencia Terminal del Generador. : Corriente de salida del excitador. IEEE: The Institute of Electric and Electronic Engineers (Instituto de ingenieros eléctricos y electrónicos) MATLAB: MaTrixLaboratory. Lenguaje de alto nivel para la computación técnica de la empresa Mathworks Inc. PSS: Estabilizador de sistemas de potencia. SIMULINK: Paquete para modelación, simulación y análisis de sistemas dinámicos de la empresa Mathworks Inc. : Señal proporcional a la corriente de campo del excitador. : Limitadores y elementos del lazo de protección. : Salida del Regulador. xxii

23 : Salida del estabilizador del sistema de potencia. : Entradas del estabilizador del sistema de potencia. : Tensión y corriente terminal respectivamente. : Tensión de referencia del regulador. xxiii

24 RESUMEN Este trabajo es una investigación teórica sobre los diferentes tipos de sistemas de excitación. El mismo busca ser un referencia bibliográfica muy completa sobre el tema basándose en literatura confiable y documentos oficiales de la IEEE. El segundo capitulo abarca las generalidades de los sistemas de excitación y los elementos que lo componen, además de estudiar los diferentes tipos de excitación de sistemas de generación que hay, las medidas de rendimiento y los elementos de control y protección mínimos con los que debe contar un sistema de excitación. El capítulo tres muestra un resumen y traducción de las normas IEEE que son aplicadas a los sistemas de excitación. Además se estudian las diferentes pruebas que se deben realizar a los mismos y el procedimiento para preparar las especificaciones del sistema. Por último se muestra en forma detallada cada uno de los modelos existentes y su respectivo diagrama de bloques. El capitulo cuatro muestra la parte práctica del proyecto, mediante simulaciones con las cuales se comprueba el rendimiento del sistema de excitación DC1A, el cual en su forma más completa nos muestra una deficiencia al poseer un error permanente de aproximadamente 9%, el cual, siguiendo las mejoras que presenta el modelo DC4B, al incluir un controlador PID, se elimina este error permanente y mantiene las medidas de rendimiento entre los ámbitos aceptables que indican las normas IEEE. También mediante la ausencia del lazo de estabilización se observo la importancia del mismo. xxiv

25 1. CAPÍTULO 1: Introducción 1.1. Justificación. El presente proyecto tiene el objetivo principal de estudiar los sistemas de excitación utilizados generalmente en unidades de generación sincrónica, iniciando con un repaso de la teoría del funcionamiento de un generador sincrónico y la función principal de los sistemas de excitación, luego conocer la importancia que tiene el hecho de mantener la corriente de campo del generador sincrónico estable, para lograr una excelente calidad en la tensión suministrada por este. También se busca conocer y analizar los diferentes tipos de sistemas de control y de protección que existen en la teoría, modelarlos, y simularlos mediante algún software. Luego realizada la investigación y con los conceptos claros, estudiar los sistemas de excitación más utilizados en Costa Rica y las normas que rigen y que los ingenieros electricistas deben cumplir, y conociendo estas normas realizar un análisis de los equipos que utiliza el Instituto Costarricense de Electricidad en sus plantas de generación, ver las características de estos y así verificar que estos cumplan con las normas, además hacer un análisis del tipo de equipo y la forma como se especifican estos equipos cuando se necesita adquirir uno para alguna planta de generación. 1

26 1.2. Objetivos Objetivo general Estudiar los principios de operación de los sistemas de excitación Objetivos específicos Describir las funciones de control y protección de los sistemas de excitación Modelar funciones de transferencia de algunos sistemas de excitación Estudiar las normas IEEE relativas a este tema Desarrollar las especificaciones para la adquisición de equipos de excitación 2

27 1.3. Metodología La metodología a utilizar para el desarrollo satisfactorio de este proyecto será inductiva, debido a que se estudiará toda la teoría que se encuentre al alcance de sistemas de excitación. La primera parte de la investigación va a ser puramente teórica, basándose en el libro Power System Stability and Control del autor Prabha Kundur y realizando una traducción del capítulo 8 del mencionado libro, así se comenzará con las generalidades de funcionamiento del generador sincrónico, ya conociendo la importancia del sistema de excitación, se procede a realizar una investigación detallada de estos, comenzando con las generalidades, la clasificación de estos, los diferentes tipos de sistemas de control y de protección utilizados para lograr el ajuste automático de la corriente de campo, así como sus diagramas de bloques y sus funciones de transferencia. La segunda parte, tomando en cuenta que ya se conoce la teoría básica y funciones de transferencia de los sistemas de excitación y de protección se procederá a modelar estas funciones de transferencia utilizando un software de simulación, en nuestro caso el software a utilizar es MATLAB y SIMULINK. La tercera parte del proyecto consiste en que, debido a que para realizar la instalación de equipos y garantizar al cliente o usuario que esta instalación cumple con un producto de calidad certificada, se debe realizar mediante el uso de normas, para sistemas de generación se utilizan las normas de la IEEE, así que luego de realizar la investigación 3

28 teórica del tema que se esta desarrollando, el trabajo se centra en como realizar la escogencia de un sistema y de equipos de excitación, por esta razón se realizará un estudio a fondo de las normas IEEE relativas a este tema y como aplicarlas a la hora de escoger o desarrollar un sistemas de excitación para unidades de generación eléctrica. 4

29 2. CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico de los Sistemas de Excitación Generalidades del Generador Sincrónico y la Importancia del Sistema de Excitación. Un generador sincrónico es una maquina que tiene la función principal de convertir potencia mecánica suministrada en su parte rotativa, en potencia eléctrica. Para que esta función se lleve a cabo, al generador síncrono, se le debe aplicar una corriente de cd al devanado del rotor para que produzca un campo magnético en este. Luego el rotor debe girar mediante un motor primario u otra fuerza rotativa, de esta forma se produce un campo magnético dentro de la máquina, este campo magnético giratorio induce un conjunto de voltajes trifásicos dentro de los devanados del estator. Este generador consta de dos tipos de devanados, los devanados de campo, encargados de producir el campo magnético principal en la máquina y los devanados del inducido, en los cuales se induce la tensión principal. En las máquinas síncronas, los devanados de campo están en el rotor, y los devanados del inducido en el estator. El rotor de un generador síncrono se puede ver como un electroimán grande, el cual puede tener polos salientes o no salientes. Por lo general los rotores de polos no salientes se utilizar para rotores de dos o cuatro polos, y los de polos salientes normalmente se usan para rotores con cuatro o más polos. Como el rotor se encuentra girando, se requiere un arreglo especial para que la potencia cd llegue a los devanados de campo, estos generalmente se realiza de dos formas. La primera consiste en entregarle al 5

30 rotor esta potencia por medio de una fuente externa cd por medio de anillos rozantes, esta requiere la utilización de escobillas para conducir la corriente. La segunda consiste en suministrar esta potencia por medio de una fuente cd montada directamente en el eje del generador síncrono. En los generadores y motores más grandes se utilizan excitadores o excitatrices sin escobillas para suministrar a la máquina corriente de campo cd. Un excitador sin escobilla es un generador de ca pequeño con un circuito de campo montado en el estator y un circuito de armadura montado en el eje del rotor. La salida trifásica del generador excitador se rectifica a corriente directa por medio de un circuito rectificador trifásico (montado en el eje del generador) y luego se alimenta al circuito de campo cd principal. Por medio del control de la pequeña corriente de campo cd del generador excitador (localizado en el estator) es posible ajustar la corriente de campo en la maquina principal sin anillos rozantes ni escobillas [25]. Como se muestra esquemáticamente en la figura 1: 6

31 Figura 1. Circuito de Excitador sin escobillas [25] Para que la excitación de un generador sea completamente independiente de cualquier fuente de potencia externa, a menudo se incluye un pequeño excitador piloto en el sistema. Un excitador piloto es un pequeño generador de CA con imanes permanentes montados en el eje del rotor y un devanado trifásico en el estator. Produce la potencia para el circuito de campo del excitador, que a su vez controla el circuito de campo de la máquina principal. Si se incluye un excitador piloto en el eje del generador, entonces no se requiere de la potencia eléctrica externa para accionar el generador.[25]. 7

32 Esta configuración se muestra en la figura 2. Figura 2. Esquema de Excitación sin escobillas que incluye excitador piloto. [25] Requerimientos del Sistema de Excitación Consideraciones del Generador. Los requerimientos de desempeño de un sistema de excitación, son determinadas por las consideraciones del generador síncrono así como del sistema de energía. La función principal de este sistema es lograr suministrar y ajustar automáticamente la corriente de campo al generador síncrono y así mantener en las terminales de tensión de salida, una capacidad continua con la mínima variación. 8

33 Los requerimientos puede observarse en curvas conocidas como V-curvas del generador, un ejemplo de estas se muestran en la figura 3. Figura 3. V-Curvas y curvas compuestas para un Generador [20]. Se debe tomar en cuenta que hay muchos factores que se ven involucrados que afectan el desempeño del generador, los cuales el sistema de control del excitador debe velar para no afecten de forma grave la calidad de la tensión en los bornes del generador. El sistema de excitación debe ser capaz de responder a perturbaciones transitorias, logrando mantener en lapsos cortos de tiempo y de forma casi instantánea, constante la capacidad del generador. Estas perturbaciones se pueden dar por: falla en el aislamiento del rotor por una alta tensión de campo, calentamiento en los devanados del estator debido a una alta 9

34 corriente de armadura, calentamiento durante el periodo de excitación, y calentamiento debido al exceso de flujo (V/Hz). Los límites térmicos tienen características que dependen directamente del tiempo, y la capacidad de sobrecarga a corto plazo de los generadores puede extender de 15 s a 60 s. Por lo tanto el sistema de excitación debe ser capaz de satisfacer las necesidades del sistema, aprovechando al máximo las capacidades del generador sin sobrepasar sus límites en un lapso corto de tiempo Consideraciones en los Sistemas de Potencia. [20] Desde el punto de vista del sistema eléctrico, el sistema de excitación debe contribuir a un control eficaz de la tensión y la mejora de la estabilidad del sistema. Debe ser capaz de responder rápidamente a una perturbación a fin de mejorar la estabilidad transitoria, y de modular el campo del generador con el fin de mejorar la estabilidad en pequeña señal. En una primera etapa de los sistemas de excitación, estos eran controlados de una forma manual para mantener la tensión deseada en el generador y la carga de potencia reactiva necesaria, un tiempo después se logro automatizar el control de la tensión, pero este sistema era muy lento. Fue hasta 1920 las posibilidades de mejorar en pequeña señal y de tener una estabilidad en régimen transitorio, mediante el uso de reguladores continuos y de acción rápida, fue que se desarrollo el interés en el diseño de sistemas de excitación, excitadores y reguladores de tensión con una respuesta más rápida, y a partir de ahí la industria de sistemas de excitación a logrado una evolución continua. A principios de los 10

35 años de 1960, el papel de los sistemas de excitación tomó mucho más importancia al utilizar señales auxiliares de estabilización, la cuales al ser sumadas con las señales de error, logra reducir las oscilaciones en la tensión de campo buscando una mayor estabilización. Por esta razón, a esta parte del control de excitación se le conoce como estabilizador del sistema de potencia. Los modernos sistemas de excitación logran obtener una respuesta prácticamente instantánea a tensiones máximas límites. Para cumplir de manera satisfactoria todas las funciones mencionadas anteriormente, se necesita cumplir los siguientes requisitos: Cumplir con los criterios especificados de respuesta. Proporcionar la limitación y las funciones de protección según sea necesario para evitar daños a sí mismo, el generador y otros equipos Cumplir con los requisitos especificados para un funcionamiento flexible. Cumplir con la fiabilidad y la disponibilidad deseada, incorporando el nivel necesario de redundancia y detección de fallas internas y la capacidad de aislamiento Elementos de un Sistema de Excitación. [20] Para observar los elementos que conforman un sistema de excitación, se procederá a estudiar la figura 4. 11

36 Figura 4. Diagrama de bloques funcional de un sistema de control de excitación para un generador síncrono. [20]. Ahora observando este diagrama de bloques, se procederá a explicar brevemente en que consiste cada una de las partes Excitador. Proporciona energía al devanado de campo de la máquina síncrona, constituyen la etapa de potencia del sistema de excitación. 12

37 Regulador. Procesa y amplifica las señales de entrada de control a un nivel y a una forma adecuada para el control de la excitación. Esto incluye tanto el sistema de regulación de la excitación como la estabilización de cada una de las funciones Transductor de tensión y compensador de la carga. Sensa la tensión en bornes del generador, rectifica y filtra a un valor de corriente continua, y lo compara con una referencia que representa el voltaje deseado en la terminal. Además, la compensación de la carga se puede obtener, si se desea de una tensión constante en algún punto eléctricamente remoto en el generador Estabilizador del sistema de energía. Proporciona una señal de entrada adicional para el regulador para la reducción de oscilaciones en el sistema de potencia. Algunas señales de entrada de uso general son, desviación de la velocidad del rotor, la aceleración de la energía, y la desviación de frecuencia Limitadores y circuitos de protección. Estos incluyen una amplia gama de funciones de control y de protección que garanticen que los límites de capacidad del excitador y el generador síncrono no se superen. Algunas de las funciones más utilizadas son el limitador de la corriente de campo, limitador 13

38 de excitación máxima, limitador de la tensión en bornes, protección y regulación de los V- por-hertz y el limitador de subexcitación Tipos de Sistema de Excitación. [20]. Los sistemas de excitación han tomado muchas formas a través de los años de su evolución. En términos generales, dependiendo de la fuente de poder usada en la excitación se pueden clasificar en tres categorías: Corriente continua (SCE DC) Corriente Alterna (SCE AC) Estática Cada una de estas categorías se explicará a continuación Sistemas de Excitación DC Los sistemas de excitación de esta categoría utilizan generadores de corriente continua como fuente de energía para la excitación y proporcionar la corriente necesaria al rotor de la máquina síncrona a través de anillos rozantes. El excitador puede ser accionado por un motor o mediante el eje del generador. Y puede ser auto excitado o de excitación independiente. Cuando es por excitación independiente, el campo de excitación se suministra mediante un excitador piloto que consiste de un generador formado de imanes permanentes. 14

39 Los sistemas de corriente directa están desapareciendo gradualmente desde los años sesentas ya que han sido reemplazados por excitadores de corriente alterna o estáticos. En algunos casos, los reguladores de voltaje solo han sido sustituidos por modernos reguladores electrónicos de estado sólido. Como muchos de los sistemas de excitación DC existentes todavía se encuentran brindando servicio, todavía requieren de modelos para los estudios de estabilidad. La figura 5 muestra una representación esquemática simplificada de un sistema de excitación típica de corriente continua con un regulador de voltaje amplidina. Se trata de un excitador de colector de CD que suministra la corriente de campo al generador principal a través de los anillos colectores. El excitador de campo es controlado por una amplidina. Figura 5. Sistema de Excitación DC con regulador de tensión Amplidina. [20]. 15

40 Una amplidina es un tipo especial, de la clase general de amplificadores de rotación, mejor conocidos como metadinos. Es una máquina de corriente continua, de construcción especial que tiene dos juegos de escobillas separados 90 grados eléctricos, un juego se encuentra directo, eje (d) y el otro se encuentra en cuadratura, eje (q). Las bobinas de control de campo se encuentran en el eje-d. Un devanado de compensación en serie con la carga del eje-d produce un flujo de carga igual y opuesta a la corriente de la armadura del d-eje, con lo que se cancela la retroalimentación negativa de la reacción de armadura. Las escobillas en el eje-q se ponen en cortocircuito, y poca energía en el sistema de control de campo es lo que se requiere para producir una gran corriente en la armadura. El eje q se encarga de la producción del campo magnético principal, y la potencia necesaria para sostener la corriente en el eje q, la cual se provee mecánicamente por el motor que impulsa la amplidina. El resultado es un dispositivo con una amplificación de potencia del orden de a y una constante de tiempo en el rango de 0,02 s a 0,25 s. En el sistema de excitación de la figura 5, la amplidina proporciona cambios incrementales en el campo de excitación mediante una configuración "buck-boost". La salida del excitador proporciona el resto de su propio campo mediante la auto-excitación. Si el regulador amplidina está fuera de servicio, el campo de excitación de debe colocar en "control manual" y este se cambia a través del reóstato de ajuste de campo. 16

41 Sistemas de Excitación de Corriente Alterna La excitación de esta categoría utiliza alternadores como fuentes para la excitación del generador principal. Generalmente, la excitatriz está montada sobre el mismo eje de la turbina del generador. La salida de CA de la excitatriz es rectificada por rectificadores controlados o no controlados, la que produce la corriente continua necesaria para el campo del generador. Los rectificadores pueden ser estacionarios o rotacionales. Los primeros sistemas de excitación de CA usaron una combinación de amplificadores magnéticos y rotacionales como reguladores. Hoy en día se usan dispositivos electrónicos. La mayoría de los nuevos sistemas utilizan reguladores y amplificadores electrónicos. Los sistemas de excitación de corriente alterna pueden tomar muchas formas dependiendo de la disposición del rectificador, el método de control de excitación de salida, y la fuente de excitación para el excitador. A continuación una descripción de las diferentes formas de sistemas de excitación CA Sistemas de Rectificación Estacionarios Usando rectificadores estacionarios, la salida de CD alimenta al devanado de campo del generador principal a través de anillos rozantes. Cuando se usan rectificadores no controlados, el regulador controla el campo de la excitatriz de CA, que a su vez controla el voltaje de salida de la excitatriz. En la Figura 6 se muestra el diagrama unifilar de un sistema de excitación con rectificador de alternador de campo controlado. 17

42 Figura 6: Diagrama unifilar de un sistema de excitación con rectificador de alternador de campo controlado. [20]. En el sistema mostrado que es representativo del sistema de excitación ALTERREX de la General Electric. El alternador excitador es impulsado por el rotor del generador principal. La excitatriz es auto excitada, con su campo alimentado a través de un rectificador con tiristores que toma la energía en bornes del propio excitador. Una forma alternativa de alternador de campo controlado con sistema rectificador usa una excitatriz piloto como fuente para el campo de la excitatriz. Cuando se usa rectificadores controlados (tiristores), el regulador controla directamente el voltaje de salida DC de la excitatriz. La figura 7 muestra el esquema de un alternador alimentado con un sistema rectificador controlado, representativo del sistema ALTHYREX de la General Electric. El regulador de voltaje controla el disparo de los tiristores. El alternador de excitación es auto excitado y utiliza un regulador independiente de tensión estática para mantener su tensión de salida. 18

43 Dado que los tiristores controlan directamente la salida del excitador, este sistema proporciona una respuesta inicial alta (tiempo de respuesta pequeño). Figura 7. Alternador alimentado con un sistema rectificador controlado. [20]. Como se mostró anteriormente en las figuras 6 y 7, hay dos modos independientes de regulación: uno de CA que regula automáticamente y mantiene el voltaje en bornes del estator del generador principal a un correspondiente al voltaje de referencia de CA, y otro un regulador DC que mantiene constante el voltaje del campo del generador de acuerdo a una determinada referencia de CD. El regulador de DC o modo de control manual actúa cuando el regulador AC falló o necesita ser deshabilitado. La entrada de las señales al regulador AC incluyen entradas auxiliares las cuales permiten un control adicional y funciones de protección. 19

44 Sistemas de Rectificación Rotacional (Sin Escobillas) Con este tipo de rectificación los anillos rozantes y escobillas se eliminan, y la salida de CD alimenta directamente al campo del generador, como se muestra en la figura 8. Aquí, la armadura de la excitatriz de CA y el rectificador de diodos rotan con el campo del generador. Una pequeña excitatriz piloto de CA, con un rotor de imán permanente (mostrado como NS en la figura), rota con la excitatriz de la armadura y el rectificador de diodos. La salida del rectificador del estator de la excitatriz piloto energiza el campo estacionario de la excitatriz de CA. El regulador de voltaje controla el campo de la excitatriz de CA, el cual controla el campo del campo del generador principal. Este sistema se conoce como sistema de excitación sin escobillas. Fue desarrollado para evitar problemas con el uso de escobillas que se presentan cuando se suministran corrientes de campo elevadas para generadores de potencias grandes. Por ejemplo, la potencia a suministrarse a un generador de 600 MW está en el orden de 1 MW. La operación de alta respuesta inicial de la excitación sin escobillas se puede lograr por un diseño especial de la excitatriz de CA y voltaje de forzamiento alto del campo estacionario de la excitatriz. Los sistemas de excitación sin escobillas no permiten medir directamente la corriente de campo o voltaje del generador. El control manual de voltaje del generador principal se efectúa por una entrada ajustable de CD en el circuito de disparo de los tiristores. 20

45 Figura 8. Sistema de excitación sin escobillas. [20] Sistemas de Excitación Estática. Todos los componentes en este sistema son estáticos o estacionarias, los rectificadores estáticos, son controlados o no controlados, suministran la corriente de excitación al campo del generador principal a través de anillos rozantes. La fuente de alimentación para los rectificadores se obtiene del generador principal a través de un transformador que baja el voltaje a un nivel apropiado, o en algunos casos, de devanados auxiliares en el generador. A continuación se explicaran los tres tipos mas utilizados para estos sistemas de excitación Sistemas de Rectificador Controlado con Fuente de Potencial. En este sistema, la excitación del generador se suministra de un transformador de los terminales del generador o de la barra auxiliar de la instalación, y está regulada por un 21

46 rectificador controlado. Este tipo de sistema de excitación es también comúnmente conocido como sistema estático alimentado de bus o de transformador (bus-fed o transformer-fed). Este sistema tiene una constante de tiempo muy pequeña. La máxima salida de voltaje que puede entregar este excitador es dependiente de la entrada de voltaje de CA. De aquí que durante condiciones de falla en el sistema, la caída de voltaje en los terminales del generador hace que el voltaje en el excitatriz se reduzca. Esta limitación del sistema de excitación, es en gran medida compensada por su respuesta virtualmente instantánea y alta capacidad de forzamiento del campo en condición post falla. Además, es barato y de fácil mantenimiento Sistemas con Rectificador de Fuente Compuesta La potencia para el sistema de excitación en este caso se obtiene utilizando de la corriente y el voltaje del generador principal. Esta puede ser ejecutada por medio de un transformador de potencial (PPT) y un transformador de corriente con núcleo saturable (SCT) como se muestra en la figura 9. Alternativamente, la fuente de voltaje y de corriente se puede combinar por la utilización de un transformador monofásico, llamado transformador de potencial de corriente saturable (SCPT). 22

47 Figura 9. Sistema de Excitación Estático con Rectificador de Fuente Compuesta [20]. El regulador controla la salida de la excitatriz a través de una saturación controlada del transformador en la excitación. Cuando el generador esta en vacío, la corriente en la armadura es cero y la fuente de potencial suministra toda la potencia de excitación. En carga, parte de la excitación del generador es derivada de la corriente del generador. Durante condiciones de falla, con una gran disminución del voltaje terminal del generador, la entrada de corriente permite a la excitatriz suministrar una alta capacidad de forzamiento. Ejemplos de este tipo de excitación son General Electric SCT-PPT y el sistema de excitación estático SCPT. 23

48 Sistema de Excitación con Rectificador Controlado de Fuente Compuesta Este sistema utiliza un rectificador controlado en la salida del circuito del excitador y la fuente compuesta de voltaje y corriente dentro del estator del generador para proveer potencia de excitación. El resultado es un sistema de excitación estático de respuesta inicial alta, con capacidad de forzamiento completa con fallas. La figura 10 muestra este sistema. Figura 10. GENERREX Sistema de Excitación con Rectificador Controlado de Fuente Compuesta [20]. 24

49 El voltaje de la fuente esta formado por un conjunto de tres devanados colocados en tres ranuras del estator del generador y un reactor lineal serie. La fuente de corriente es obtenida desde un transformador de corriente en el neutro del estator. Estas fuentes están combinadas a través de un transformador y la salida resultante de CA se rectifica por semiconductores de potencia estacionarios. El control se efectúa por una combinación de diodos y tiristores que forman un puente paralelo. Un regulador de voltaje estático de CA controla los circuito de encendido de los tiristores y de este modo regula la excitación del campo del generador. El transformador de excitación consiste de tres unidades monofásicas con tres arrollamientos: devanados primarios de corriente (C) y potencial (P), y un devanado secundario (F) de salida. En condición de falla, la corriente que fluye del enrollamiento de excitación C provee la capacidad de forzamiento del campo cuando el voltaje del generador se degrada. El reactor cumple dos funciones: contribuye obtener las características deseadas del sistema de excitación y reduce la corriente de falla en el sistema de excitación o el generador Desarrollos recientes y tendencias futuras Los avances en los sistemas de control de excitación en los últimos 20 años han sido influenciados por la evolución de la electrónica de estado sólido. La evolución de circuitos analógicos integrados ha hecho posible, implementar fácilmente estrategias complejas de control. 25

50 El último avance en sistemas de excitación ha sido la introducción de la tecnología digital. Pero los tiristores se deben seguir utilizando para la etapa de potencia. El control, protección, y las funciones lógicas se han aplicado de forma digital, fundamentalmente duplicando las funciones anteriormente realizadas por circuitos analógicos. Los controles digitales son sumamente utilizados actualmente, ya que proporcionan una alternativa más barata y, posiblemente, más confiable a los circuitos analógicos. Tienen la ventaja adicional de ser más flexibles, lo que permite una fácil implementación de estrategias de control más complejo, y la interconexión con otros controles del generador y las funciones de protección Dinámica de las Medidas de Rendimiento. [20]. La eficacia de un sistema de excitación en la mejora de la estabilidad del sistema de energía está determinada por algunas de sus principales características. A continuación en este capitulo se va a identificar y definir las medidas de rendimiento que determinan estas características y servir de base para evaluar y especificar el rendimiento del sistema de control de excitación. En la figura 11 se muestra la representación del sistema de control de excitación general en su forma clásica utilizada para describir los sistemas de control realimentados. 26

51 Figura 11. Sistema de Control de Excitación General. [20]. El desempeño del sistema de control de excitación depende de las características del sistema de excitación, el generador y el sistema de energía. Dado que el sistema no es lineal, es conveniente clasificar a su comportamiento dinámico en, rendimiento de gran señal y rendimiento de pequeña señal. Para obtener el rendimiento de gran señal, las no linealidades son importantes, para el rendimiento de pequeña señal, la respuesta es efectivamente lineal Medidas de desempeño en gran señal. Las medidas de desempeño en gran señal, proporcionan un medio de evaluar el rendimiento del sistema de excitación en los transitorios graves, como las consideraciones a tomar en cuenta de trascientes, y la estabilidad a mediano y largo plazo del sistema eléctrico. Estas medidas se basan en las cantidades que se definen a continuación. Para permitir la máxima flexibilidad en el diseño, fabricación y aplicación de equipos de excitación, algunas de las medidas de rendimiento son definidas "bajo condiciones 27

52 especiales", estas condiciones pueden ser especificadas como apropiadas para ciertas situaciones específicas. a) Tensión límite máxima (tensión de techo) del sistema de excitación: La tensión máxima directa que el sistema de excitación es capaz de suministrar desde sus terminales bajo condiciones específicas. El límite máximo de tensión es indicativo de la capacidad de forzar el campo en el sistema de excitación; voltajes más altos del techo tienden a mejorar la estabilidad transitoria. Para la fuente potencial y la fuente compuesta de los sistemas de excitación estática, cuyo suministro depende de la tensión del generador y la corriente, la tensión límite se define en la tensión de alimentación especificada y actual. Para los sistemas de excitación con excitadores rotación, la tensión límite se determina a la velocidad nominal. b) Corriente límite máxima (corriente de techo) del sistema de excitación : Es la máxima corriente que el sistema de excitación es capaz de suministrar a sus terminales por un tiempo determinado. Cuando las perturbaciones prolongadas son una preocupación, el actual límite máximo puede estar basada en el trabajo térmico del sistema de excitación. c) El tiempo de respuesta de la tensión del sistema de excitación: El sistema de excitación de voltaje de salida, expresado en función del tiempo, bajo condiciones especiales. 28

53 d) La respuesta en el tiempo de la tensión del sistema de excitación: El tiempo en segundos que dura la tensión de excitación para alcanzar el 95% de la diferencia entre el voltaje máximo y la tensión nominal de carga de campo, en condiciones especiales. La tensión de carga de campo nominal es el voltaje de campo del generador bajo condiciones nominales de carga continua con el devanado de campo en (i) 75 C para las bobinas diseñadas para funcionar con un aumento de la temperatura de 60 C o menos, o (ii) 100 C para las bobinas diseñadas para funcionar con un aumento de temperatura superior a 60 C. e) Alta respuesta inicial del sistema de excitación: un sistema de excitación que tiene un tiempo de respuesta de tensión de 0,1 segundos o menos. Representa una respuesta alta y el sistema de acción rápida. f) La respuesta de excitación nominal del sistema: La tasa de aumento de la tensión de excitación de salida del sistema se determina a partir de la curva de respuesta del sistema de excitación de tensión, dividida por la tensión de campo nominal. Esta tasa, si se mantiene constante, se desarrollaría en la misma zona de tensión-tiempo obtenida a partir de la curva real sobre el primer intervalo de medio segundo (a menos que un intervalo de tiempo sea especificado). La respuesta nominal es determinado por el funcionamiento inicial del sistema de excitación a la tensión de carga nominal de campo (y la corriente de campo) y de la 29

54 creación repentina de las condiciones de la señal de la terminal trifásica del voltaje de entrada necesaria para conducir el voltaje del sistema de excitación hasta el techo. Se debe incluir cualquier tiempo de retardo que puede estar presente antes de que el sistema de excitación responda a la alteración de apertura. Figura 12. Respuesta nominal de un sistema de excitación. [20]. Refiriéndose a la figura 12, la respuesta de excitación se ilustra con la línea de CA. Esta línea está determinada por la zona, se establece que acd es igual a la zona abd: (2 Donde: oe = 0.5 s y ao = tensión nominal de carga de campo. La base para considerar que un intervalo de tiempo nominal sea de 0,5 s, en la definición anterior es tal que, después de una perturbación severa, el ángulo de giro del 30

55 rotor del generador oscile entre picos normales de 0,4 s y 0,75 s. El sistema de excitación debe actuar dentro de este período de tiempo para ser eficaz en la mejora de la estabilidad transitoria. Por lo tanto, 0,5 s fueron elegidos como el período de tiempo de la respuesta nominal. En el pasado, la respuesta nominal ha sido un criterio bien establecido y útil para evaluar el desempeño de gran señal de los sistemas de excitación. Con los sistemas de excitación más antiguos y lentos, se tomaba como una medida de rendimiento aceptable, pero esta no es suficiente para cubrir muchos de los sistemas modernos de excitación. En particular, no es una buena referencia para los sistemas de excitación del generador o el sistema de energía, debido a la reducida capacidad de estos sistemas durante una falla del sistema. Para respuestas iniciales altas en sistemas de excitación, la respuesta nominal se limita a establecer la tensión límite requerida. La tensión de techo y el tiempo de respuesta de la tensión son los parámetros más significativos de estos sistemas Medidas de rendimiento de pequeña señal. Medidas de rendimiento en pequeña señal, proporcionan un medio para evaluar la respuesta de los sistemas de control de excitación de lazo cerrado, a los cambios incrementales en las condiciones del sistema. Además, las características de rendimiento de pequeña señal proporcionan un medio conveniente para determinar o verificar los parámetros del modelo del sistema de excitación, para el estudio de sistemas. 31

56 El rendimiento de pequeña señal puede ser expresado en términos de índices de rendimiento, utilizados en la teoría de sistemas de control retroalimentados: Índices relacionados con el tiempo de respuesta, y Los índices asociados con la respuesta en frecuencia El tiempo de respuesta típica de un sistema de control a un cambio escalón en la entrada se muestra en la figura 13. Los índices asociados son el tiempo de subida, el sobrepaso, y tiempo de establecimiento. Figura 13. Tiempo de respuesta típico ante un escalón en la entrada. IEEE [20]. 32

57 Figura 14. Respuesta en frecuencia a lazo abierto de un sistema de control de excitación para un generador en circuito abierto. [20]. Una respuesta en frecuencia a lazo abierto, característico de un sistema de control de excitación con el generador en circuito abierto se muestra en la figura 14. El rendimiento de los índices asociados a la respuesta de frecuencia de lazo abierto son la ganancia de baja frecuencia G, frecuencia de corte ωc, margen de fase Φm, y margen de ganancia Gm. Los valores más altos de G proporcionar una mejor regulación de voltaje en estado estable, y la mayor frecuencia de cruce me indica una respuesta más rápida. Los valores más altos de Φm margen de fase y de margen de ganancia Gm proporcionan un 33

58 lazo de control de excitación más estable. En el ajuste del regulador de tensión, la mejora de un índice muy probablemente vaya en detrimento de los otros índices. Por ejemplo, un aumento en la ganancia del regulador, desplazará la curva de ganancia de la Figura 14 hacia arriba. Esto tiene el la ventaja del aumento de la ganancia en baja frecuencia y la frecuencia de cruce, pero tiene la desventaja de disminuir la ganancia y los márgenes de fase. En general, un margen de fase de 40 o más y un margen de ganancia de 6 db o más se considera una buena práctica de diseño para la obtención de un sistema estable y un regulador de voltaje no oscilatorio. La figura 15 muestra la respuesta en frecuencia correspondiente a un circuito en lazo cerrado con el generador en circuito abierto. Figura 15. Respuesta en frecuencia típica de lazo cerrado de un generador con circuito abierto. [20]. 34

59 Los índices de interés asociados con la respuesta de frecuencia de lazo cerrado son el ancho de banda y el valor pico Mp. Un alto valor de Mp (> 1.6) es indicativo de un sistema oscilatorio exhibiendo sobrepaso grande en su respuesta transitoria. En general, un valor de Mp entre 1,1 y 1,5 se considera una buena práctica de diseño. El ancho de banda es una frecuencia importante del índice de respuesta de lazo cerrado. Los valores más altos indican una respuesta más rápida. Estos describen aproximadamente las características de filtrado o el rechazo al ruido del sistema. Los valores generalmente aceptados de los índices de rendimiento que caracterizan a un buen control de retroalimentación, sobre el desempeño del sistema son: Margen de ganancia 6 db Margen de fase > 40 Rebasamiento = 5-15% Mp = No es posible definir tales rangos de aceptación general de los valores de otros índices de desempeño en pequeña señal: tiempo de subida, tiempo de establecimiento, y ancho de banda. Estos índices son una medida de la velocidad relativa de la acción de control. Son principalmente determinadas por las características dinámicas de la máquina sincrónica. 35

60 Los índices de rendimiento dado son aplicables a cualquier sistema de control realimentado que tiene un solo lazo de retroalimentación importante, es decir, una sola variable controlada de salida. Por lo tanto, son aplicables a un sistema de control de excitación de una máquina sincrónica, en circuito abierto o la alimentación de una carga aislada. La operación estable del sistema de excitación, con el generador fuera de línea, se garantiza sobre la base de estos índices de rendimiento y las técnicas analíticas asociadas. Por otro lado, máquinas síncronas conectadas a un sistema de energía, forma un complejo multilazo, sistema multivariable y un control de orden superior. Para este sistema, el rendimiento de los índices anteriormente mencionados no son aplicables Control y Funciones de Protección. [20]. Un sistema moderno de control de la excitación es mucho más que un simple regulador de tensión. Incluye un número de control, limitación y funciones de protección que ayudan en el cumplimiento de los requisitos de desempeño identificados en la Sección 2.2. La naturaleza amplia de estas funciones y la manera en que se relacionan entre si mediante una interfaz se muestran en la Figura 16. Cualquier sistema de excitación dado puede incluir algunas o todas estas funciones, dependiendo de los requerimientos específicos de la aplicación y el tipo de excitación. La filosofía es tener las funciones de control, regular las cantidades específicas en el nivel deseado, y las funciones limitadoras que eviten exceder los límites establecidos. Si alguno de los limitadores falla, entonces las 36

61 funciones de protección remueven los componentes apropiados o toda la unidad de servicio. La siguiente es una breve descripción de todos los controles y las funciones de protección y los elementos asociados identificados en la Figura 16. Figura 16. Sistema de control de la excitación y circuitos de protección. [20]. 37

62 Los reguladores de CA y CC La función básica del regulador de corriente alterna es mantener el voltaje del estator del generador. Además, otras funciones auxiliares del control y de la protección es que a través del regulador de corriente alterna se puede controlar la tensión de campo del generador como se muestra en la Figura 16. El regulador dc mantiene constante el voltaje de campo del generador y se conoce comúnmente como el control manual. Se utiliza principalmente para pruebas y puesta en marcha, y para atender a situaciones en las que el regulador de corriente alterna se encuentra defectuoso. En este modo de operación, es la tensión de campo la que se regula; sólo la intervención de un operador, puede ajustar el punto de operación que modificará la tensión de campo. En algunos sistemas de excitación, se proporcionan facilidades para el seguimiento automático del punto de ajuste. Esto causara que el punto de ajuste manual, le de un seguimiento a la variación de la excitación del generador debido al regulador de corriente alterna y así minimizar la tensión y la potencia reactiva en el caso de que el regulador de corriente alterna se quede fuera de servicio de una forma abrupta. Se debe tener cuidado para asegurarse que un disparo en el funcionamiento de la unidad, controlada manualmente, no deje al generador en un estado excitación. 38

63 Circuitos estabilizadores de los sistemas de excitación. Los sistemas de excitación están compuestos de elementos con retrasos significativos ante un inherente pobre desempeño dinámico. Esto es particularmente cierto en los sistemas de excitación de corriente continua y de corriente alterna. A menos que se utilice una ganancia muy baja de estado estacionario regulador, el control de excitación es inestable cuando el generador está en circuito abierto. Por lo tanto, el control encargado de la estabilización del sistema de excitación, que comprende tanto la compensación serie o la realimentada, se utiliza para mejorar el rendimiento dinámico del sistema de control. La forma más utilizada para una compensación, es una retroalimentación derivada como se muestra en la figura 17. El efecto de la compensación es reducir al mínimo el desplazamiento de fase, introducida por los retrasos en un rango de frecuencia seleccionada. Los resultados son un rendimiento estable, cuando el generador está fuera de línea, por ejemplo justo antes de la sincronización o tras un rechazo de carga. Los parámetros de retroalimentación también se pueden ajustar para mejorar el rendimiento en línea de la unidad generadora. Dependiendo del tipo de sistema de excitación, puede haber muchos niveles de estabilización del sistema de control de la excitación que examine tanto el lazo principal exterior y como el lazo interior. Los sistemas de excitación estáticos, poseen retrasos inherentes insignificantes y no requieren estabilización del sistema de control de la excitación para asegurar un funcionamiento estable con el generador fuera de línea. 39

64 Figura 17. Estabilización del sistema de control de la excitación mediante retroalimentación derivativa. [20] Estabilizador del sistema (PSS) El estabilizador del sistema de energía auxiliar utiliza señales de estabilización para controlar el sistema de excitación con el fin de mejorar el rendimiento dinámico del sistema de potencia. Señales de entrada al estabilizador del sistema de energía de uso común son la velocidad del eje, la frecuencia de terminal y la potencia. El rendimiento de la dinámica del sistema de energía, mejora la amortiguación de las oscilaciones del sistema. Este es un método muy eficaz para mejorar el rendimiento de estabilidad en pequeña señal Compensación de carga. El regulador automático de voltaje (AVR) normalmente controla la tensión terminal del estator del generador. A veces, la compensación de carga se utiliza para controlar un voltaje que es representativo de la tensión en un punto, ya sea dentro o fuera del generador. Esto 40

65 se logra mediante la construcción de circuitería adicional en el circuito del AVR como se muestra en la figura 18. Figura 18. Diagrama esquemático de un compensador de carga. [20]. El compensador tiene una resistencia ajustable (Rc) y la reactancia inductiva (Xa) que simulan la impedancia entre los terminales del generador y el punto donde la tensión es controlada de forma más efectiva. El uso de esta impedancia y la corriente de armadura medida, se calculan una caída de tensión y se resta o se suma a la tensión en los terminales. La magnitud de la tensión compensada que alimenta al AVR, está dada por: (2.6-1) Con Rc y Xc positivos en la ecuación 2.6-1, la caída de tensión en el compensador se agrega a la tensión en los terminales. El compensador regula el voltaje en un punto 41

66 dentro del generador y por lo tanto proporciona esta caída de tensión. Esto se utiliza para asegurar la distribución apropiada de la potencia reactiva entre generadores. Tal acuerdo es comúnmente utilizado cuando se acoplan unidades de generación hidroeléctrica y térmica. Las funciones del compensador como compensador de corriente reactiva es la creación de un acople artificial entre los generadores. Sin esta disposición, uno de los generadores trataría de controlar el voltaje terminal ligeramente más alto que el otro, por lo que un generador tendería a suministrar toda la potencia reactiva necesaria, mientras que el otro absorbería la potencia reactiva en la, medida permitida, bajos los límites de excitación. Con Rc y XC negativos, el compensador regula el voltaje en un punto más allá de los terminales de la máquina. Esta forma de compensación se utiliza para compensar la caída de tensión en el transformador elevador, cuando dos o más unidades se conectan a través de transformadores individuales. Por lo general, el 50% a 80% de la impedancia del transformador es compensado, garantizando la caída de tensión en el punto en paralelo para que los generadores puedan funcionar en paralelo de forma satisfactoria. Este dispositivo se conoce comúnmente como compensador de caída en la línea a pesar de que prácticamente solo se utiliza para compensar la caída del el transformador. En la mayoría de los casos, el componente de resistencia de la impedancia a ser compensado es insignificante y Rc se puede establecer en cero. 42

67 Limitador Subexcitación. El limitador de subexcitación (UEL) se destina a prevenir la reducción de la excitación del generador a un nivel donde el límite de estabilidad de pequeña señal (estado estacionario) y el límite de temperatura del estator sea excedido. Este limitador también se conoce por otros nombres tales como limitador subexcitación reactiva-amperios (URAL) y limitador de excitación mínima (MEL). La señal de control de la UEL se deriva de una combinación ya sea de tensión y corriente, o potencia activa y reactiva del generador. Los límites son determinados por la señal superior a un nivel de referencia. Hay una gran variedad de implementaciones de la función UEL. Algunas aplicaciones UEL es actuar sobre la señal de error de la tensión del AVR, cuando el límite establecido UEL se alcanza, un elemento no lineal (como un diodo) comienza a conducir y la señal de salida del limitador se combina con otras señales de control del sistema de excitación. La configuración debe estar basada en la protección necesaria, es decir, la inestabilidad del sistema, o la calefacción central del estator. Además, el rendimiento limitador debe ser coordinado con la protección de pérdida de excitación del generador. La figura 19 indica la forma en que suele ser la característica UEL (representados en un plano PQ) en coordinación con el límite de estabilidad de pequeña señal calculada y la característica del relé de pérdida de excitación (LOE). Si la UEL se utiliza para proteger contra el calor extremo de la región del estator, la coordinación se realiza de una manera similar, excepto que se sustituye el límite de estabilidad por el límite 43

68 de calefacción. Si las señales de entrada a la UEL son el voltaje y la corriente del estator del, las características limites aparecen circulares en un plano PQ, como se muestra en la figura 19. Con la potencia activa y reactiva como señales de entrada, la característica de limitación sería una línea recta. Se debe tener cuidado para asegurar que el rendimiento UEL durante una perturbación transitoria no vaya en perjuicio del rendimiento del sistema de alimentación Limitador de Sobreexcitación. El objetivo del limitador de sobreexcitación (OXL) es proteger el generador contra el sobrecalentamiento debido a sobrecorriente de campo prolongado. Esta limitación también se refiere comúnmente como el limitador de excitación máxima (MXL). Figura 19. Coordinación entre el relé UEL y LOE, y el límite de estabilidad. [20]. 44

69 El devanado de campo del generador está diseñado para funcionar de forma continua en un valor correspondiente a determinadas condiciones de carga nominal. La sobrecarga admisible térmica del devanado de campo del rotor del generador, según lo especificado por la norma ANSI C50.l3 del año 1977, viene dada por la curva continua de la figura 20. La curva pasa por los puntos siguientes: Tabla 2.1. Puntos por los cuales pasa la curva de la figura 20. [20]. Tiempo (s) Campo de tensión / corriente (Porcentaje del nominal) La aplicación efectiva de la función de limitación de sobreexcitación varía dependiendo del fabricante y la antigüedad de la unidad. La función de limitación de sobreexcitación normalmente detecta una condición actual de alta corriente de campo y, después de un tiempo, actúa a través del regulador de corriente alterna a esta rampa, estableciendo la excitación a un valor preestablecido (típicamente de 100% al 110% de la corriente nominal de campo). Si esto tiene éxito, se dispara el regulador de corriente alterna, transfiere el control al regulador de corriente continua, y coloca el punto de ajuste a un valor correspondiente al valor nominal. Si esto no reduce la excitación a un valor seguro, el limitador dará marcha a un interruptor de disparo para la excitación del campo y el disparo de la protección de la unidad. 45

70 Se utilizan dos tipos de retardos de tiempo: (a) el tiempo fijo y (b) de tiempo inverso. Los limitadores de tiempo fijo funcionan, cuando la corriente de campo excede el valor de respuesta para un tiempo fijo determinado, independientemente del grado de sobreexcitación. Los limitadores de tiempo inverso funcionan con el tiempo de retardo correspondiente a la capacidad de campo térmico, como se muestra en la figura 20. Excitadores con tensiones límite muy altas pueden estar equipados con un limitador de corriente de campo extra, que actúa de forma instantánea a través del regulador de corriente alterna y limita el campo actual en un breve lapso de tiempo (típicamente 160% de valor nominal). Figura 20. Coordinación del límite de sobreexcitación con la capacidad térmica de campo. [20]. 46

71 Limitador y protección Volts/Hertz. Estos se utilizan para proteger el generador y el transformador elevador de daños causados por el flujo magnético excesivo resultante de baja frecuencia y / o sobretensión. Exceso de flujo magnético, si se mantiene, puede causar un sobrecalentamiento grave y puede provocar daños en el transformador de la unidad y el núcleo del generador. La relación entre la tensión y la frecuencia, conocida como Volts por Hertz (V / Hz), es una cantidad fácil de medir la cual es proporcional al flujo magnético. Tabla 2.2. Tabla V / Hz, limitaciones para los generadores (GEN) y transformadores elevadores (XFMR). [20]. V/Hz (pu) 1,25 1,2 1,15 1,1 1,05 Daños en el tiempo (min) GEN 0, XFMR La unidad de baja tensión del transformador elevador tiene con frecuencia un índice de 5% por debajo de la tensión nominal del generador; por lo tanto, las V / Hz limitantes y requisitos de protección son por lo general determinadas por la limitación del transformador. Sin embargo, si el índice de tensión del generador y el transformador de son las mismas, la limitación del generador sería más restrictivo. 47

72 El limitador V / Hz controla la tensión de campo a fin de limitar la tensión del generador cuando el valor V / Hz excede un valor preestablecido. El disparo de la protección V / Hz del generador, se da cuando el valor V / Hz excede un valor preestablecido durante un tiempo determinado. Por lo general, se proporciona una protección de doble nivel, uno con un mayor ajuste de V / Hz y un ajuste de tiempo más corto, y el otro con un menor ajuste de V / Hz y un ajuste de tiempo más largo. Cuando se utiliza junto con un limitador V / Hz, sirve como un respaldo. Para muchas unidades, la protección V / Hz se convierte en la protección contra sobretensión por encima de 60 Hz Circuito de campo reducido. Dado que los rectificadores no pueden conducir en sentido inverso, la corriente de excitación no puede ser negativa en el caso de los excitadores de CA y los excitadores estáticos. En condiciones de deslizamiento del polo y cortocircuito del sistema, la corriente inducida en el campo del generador puede ser negativa. Si una ruta no está prevista para que esta corriente negativa fluya, voltajes muy altos pueden aparecer en el circuito de campo. Por lo tanto, un circuito especial normalmente proporciona una derivación en el excitador de campo para permitir que la corriente negativa fluya. Esto toma la forma ya sea un corto circuito de campo, comúnmente conocida como protección crowbar, o un varistor. 48

73 Una protección crowbar se compone de un tiristor y una resistencia de descarga de campo (FDR), conectado a través del campo del generador como se muestra en la figura 21. El tiristor se bloquea en respuesta a una condición de sobretensión que se crea por la corriente inducida, debido a que no tiene inicialmente un camino por el cual pueda fluir. Los conductos del tiristor están tan bloqueados que la corriente de campo inducida se descarga a través de la resistencia de campo. Figura 21. Derivación del circuito de campo, utilizando una protección crowbar. [20]. Un varistor es un resistor no lineal. Cuando se conecta a través del devanado de campo del generador, tal como se muestra en la figura 22, proporciona un medio eficaz de evitar el excitador en condiciones de alta tensión inducida. Con la tensión de excitación normal a través del varistor, este tiene una resistencia muy alta y por lo tanto lleva una corriente insignificante. A medida que el voltaje a través del varistor aumenta más allá de su valor de umbral, se reduce su resistencia y la corriente a través de ella aumenta muy rápidamente. Así, el varistor proporciona una trayectoria de baja resistencia la corriente de campo inducida negativa y limita el voltaje a través del campo y de excitación. 49

74 Figura 22. Derivación del circuito de campo, utilizando un varistor. [20]. 50

75 3. CAPÍTULO 3: Resumen y Estudio de las Normas IEEE Utilizadas Para Sistemas de Excitación. Todo ingeniero eléctrico o electricista, que se desenvuelva en el campo de los sistemas de excitación de unidades de generación, debe seguir un conjunto de normas, las cuales para nuestro país son impuestas por el Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Las normas correspondientes que se dedican a los sistemas de excitación son las siguientes: IEEE Standard Definitions for Excitation Systems for Synchronous Machines IEEE Guide for Identification, Testing, and Evaluation of the Dynamic Performance of Excitation IEEE Standard for High-Potential Test Requirements for Excitation Systems for Synchronous Machines IEEE Guide for the Preparation of Excitation System Specifications IEEE Std Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies A continuación se presentará un resumen de la traducción de estas normas, y los puntos principales, que hay que tomar en cuenta en lo que a sistemas de excitación se refiere. 51

76 3.1. Norma ANSI/IEEE Std : IEEE Definiciones Estándar Para los Sistemas de Excitación de Máquinas Síncronas. [14]. A esta norma no se le realizó un análisis ni una traducción puntual, debido a que es una norma que sirve de referencia y posee solo definiciones, que al usuario le pueden servir a la hora de leer o estudiar estos documentos, este trabajo de investigación, posee un glosario el cual sustituye el contenido de esta norma. Tablas o esquemas contenidos en esta norma, se presentarán en las secciones siguientes si estas fueran necesarias Norma ANSI/IEEE Std : IEEE Guía de Identificación, Pruebas y Evaluación del Comportamiento Dinámico de los Sistemas de Control de la Excitación. [15]. Tradicionalmente, el desempeño en gran señal se ha asociado más estrechamente con la especificación de equipos y pruebas de aceptación, mientras que el rendimiento en pequeña señal se ha asociado más estrechamente con los estudios de estabilidad y modelo. Coincidencias entre los datos reales de perturbación con simulaciones realizadas al modelo, requiere que tanto los criterios de pequeña y gran señal sean analizados y tomados en cuenta para especificaciones de diseño y pruebas de aceptación. Como se menciono hay dos tipos de estudios que se realizan al modelo, estos estudios son de pequeña señal y de gran señal. 52

77 Criterios de Rendimiento en Gran Señal Límite máximo de corriente. La máxima corriente directa que el sistema de excitación es capaz de suministrar desde sus terminales durante un tiempo determinado. Cuando hay sobrecargas sostenidas o perturbaciones prolongadas, estas son motivo de preocupación, por lo tanto el actual límite máximo podrá basarse en el factor térmico que identifica la corriente máxima de salida del sistema de excitación y el tiempo requerido de duración. Para algunas aplicaciones, el actual límite máximo será determinado por el factor de que la máquina síncrona producirá un valor específico de estado de equilibrio, trifásicos, de corriente de cortocircuito, durante un tiempo determinado Límite máximo de tensión. La tensión máxima que el sistema de excitación es capaz de suministrar desde sus terminales bajo condiciones definidas. Tensión del techo se puede utilizar para evaluar la capacidad de forzar al sistema de excitación a conducir la corriente de campo hacia el valor límite máximo actual. La tensión limite máxima proporciona una indicación de la tensión de alimentación para forzar la corriente de campo a llegar a valores de corriente de campo nominal o corriente de campo limite máxima. Cuanto mayor sea la diferencia entre el voltaje máximo y el voltaje nominal de campo, mayor será la capacidad de forzar. Voltajes máximos más altos tienden a mejorar la estabilidad transitoria. El sistema de excitación de 53

78 tensión máxima bajo carga puede ser determinado por un estado de equilibrio o medida transitoria Respuesta en el tiempo de la tensión del sistema de excitación. La tensión de salida del sistema de excitación expresado en función del tiempo, en condiciones especiales Tiempo de respuesta de la tensión del Sistema de Excitación. El tiempo en segundos para que la tensión de excitación alcance el 95% de diferencia entre el voltaje máximo y el voltaje nominal de campo, bajo condiciones especiales Alta Respuesta Inicial. Para sistemas con tiempo de respuesta muy corto relativo a la constante de tiempo de campo del generador y a cambios en las características sistema de energía, la forma de la respuesta inicial no es motivo de preocupación. Estos sistemas cuyo tiempo de respuesta en la tensión es de 0,1 segundos o menos se denominan "sistemas de excitación de alta respuesta inicial" Respuesta Nominal del sistema de excitación. La tasa de incremento del voltaje de salida del sistema de excitación, esta determinada a partir de la curva de respuesta del voltaje del sistema de excitación, dividida 54

79 por la tensión de campo nominal. Esta tasa, si se mantiene constante, se desarrollaría la misma tensión-tiempo obtenidos a partir de la curva real sobre el primer intervalo de medio segundo (a menos que se especifique otro intervalo de tiempo).el intervalo de medio segundo fue seleccionado para asociar la respuesta nominal con el aporte a la estabilidad del sistema de excitación. El punto de partida para determinar la respuesta nominal es el momento de iniciarse la perturbación, es decir, la respuesta del sistema de excitación nominal debe incluir cualquier tiempo de retardo que puede estar presente Las respuestas transitorias. Aunque la respuesta transitoria es más frecuentemente asociada con el análisis de pequeña señal, es un criterio útil para la evaluación de la señal de gran rendimiento, especialmente para aplicaciones que impliquen el perfeccionamiento o la validación de los modelos mediante algún software. Cualquier parte del sistema de control de excitación que comúnmente es representada mediante los estudios del modelo (por ejemplo, el regulador de la máquina sincrónica, excitador, máquina síncrona, sistema de excitación, y el sistema de control de excitación) pueden ser evaluados utilizando los criterios de respuesta transitoria. Una respuesta transitoria de grande señal es un tiempo de respuesta con las variables de entrada y salida del componente a prueba, registradas en función del tiempo. Aunque la respuesta transitoria se asocia generalmente con un cambio en la variable de entrada, sólo es necesario que el cambio en la variable de entrada sea lo suficientemente grande y lo suficientemente rápida que la respuesta en la salida sea clasificada como una 55

80 respuesta de gran señal para la respuesta resultante sea útil. El cambio de la variable de entrada debe ser especificada. Un tiempo de respuesta de varias variables registradas simultáneamente tiene un valor considerable en el perfeccionamiento o la validación de los grandes modelos de señal mediante computadoras. Figura 23. Respuesta Nominal de un Sistema de Excitación. [15]. 56

81 Criterios de Desempeño en Pequeña Señal. Aunque los criterios de rendimiento de gran señal se pueden aplicar al sistema de control de excitación, los componentes individuales del sistema, o al sistema de excitación, los criterios rendimiento de pequeña señal utilizan normalmente para evaluar el desempeño de los sistemas de lazo cerrado del control de la excitación Respuesta transitoria. Una típica respuesta transitoria de un sistema de control retroalimentado se muestra a continuación. Las características principales de interés son el tiempo de subida (rise time), el sobrepaso (overshoot), y tiempo de establecimiento (settling time), como se indica. 57

82 Figura 24. Respuesta Transitoria Típica de un Sistema con un Lazo de Control y un Escalón a la Entrada. [15] Característica Respuesta en Frecuencia (Sistema Lineal). En un sistema linear, la relación frecuencia-dependencia, tanto en ganancia como en diferencia de fase, entre entradas sinusoidales de estado estacionario y salidas sinusoidales resultantes de estado estacionario. 58

83 Las características típicas de lazo abierto en la respuesta en frecuencia de un sistema de control de excitación, de la máquina sincrónica en circuito abierto se muestran en la siguiente figura. Figura 25. Respuesta en Frecuencia Típica de lazo abierto de un Sistema de Control de Excitación de una Máquina Sincrónica en Circuito Abierto. [15]. Las características principales de interés son la ganancia de baja frecuencia G, la frecuencia de cruce ωc, el margen de fase margen Фm, y el margen de ganancia Gm. La respuesta correspondiente de lazo cerrado en frecuencia se muestra en la siguiente figura. 59

84 Figura 26. Respuesta en Frecuencia Típica de lazo cerrado de un Sistema de Control de Excitación de una Máquina Sincrónica en Circuito Abierto. [15]. Aquí los parámetros de interés son el ancho de banda WB, el valor pico de la característica de ganancia Mp, y la WM frecuencia donde se produce el valor máximo ωm. Las características de lazo abierto y su respuesta en frecuencia son útiles para determinar los márgenes de ganancia y fase, las cuales son las medidas de estabilidad relativa. La estabilidad relativa de un sistema de control de lazo cerrado se puede determinar a partir de las propiedades del diagrama de Bode de la función de transferencia a lazo abierto. Sin embargo, este método se puede utilizar sólo si la función de transferencia 60

85 a lazo abierto no tiene polos y ceros en la mitad derecha del plano S (características mínimas de fase). La estabilidad relativa de un sistema de control retroalimentado se mide en función de la ganancia y los márgenes de fase. Para un sistema de fase mínima, que es estable con el lazo de retroalimentación abierto, los márgenes de ganancia y fase deben ser positivos para que el sistema sea estable con el lazo de realimentación cerrado. Y los márgenes de ganancia de fase negativos fase significa que el sistema será inestable con el lazo de realimentación cerrado. En general, un margen de ganancia de 6 db o más y un margen de fase de 40 o más se recomiendan para la mayoría de los sistemas de control realimentados. Un sistema con condiciones estables se dice que es estable para un determinado rango de valores de la ganancia, pero se vuelve inestable si la ganancia es reducido o aumentado lo suficiente. Un alto valor de Mp (> 1.6 db) es indicativo de un sistema oscilatorio exhibiendo sobrepaso grande en su respuesta transitoria. En general, 1,1 db Mp 1.6 db se considera buena práctica de diseño para la mayoría de los sistemas de control de la regeneración. En los sistemas de control realimentados con una respuesta al escalón que exhiben menos del 10% de sobrepaso, Tr (en segundos) el tiempo de subida se relaciona con WB ancho de banda en hertz por la siguiente relación aproximada: 61

86 TrωB=0.30 s a 0.45 s En general, el producto TrωB como el sobrepaso incrementa, con los aumentos de la respuesta del sistema en régimen transitorio, los valores en el rango de 0,3 a 0,35 corresponden a un sobrepaso insignificante, los valores en la región de 0,45 corresponden a sistemas con un 10% de sobrepaso Dominio de la frecuencia en el plano complejo (S-plano). Las características dinámicas de un sistema de control se pueden representar mediante la asignación de raíces características de su función de transferencia de Laplace en el dominio de la frecuencia compleja o plano-s. Las ubicaciones típicas de las raíces de un sistema de control de excitación de tensión de realimentación de lazo abierto y la máquina sincrónica en circuito abierto se muestran en la figura

87 Figura 27. Grafico de Polos / Ceros Típico de lazo abierto de un Sistema de Control de Excitación de una Máquina Sincrónica en Circuito Abierto. [15]. Raíces reales (s = δ) se asignan en el eje horizontal del plano S. Pares de raíces complejas (s = δ ± jw) son normalmente asignados mostrando sólo la raíz positiva de frecuencia (δ + jw), con la raíz negativa de frecuencia (δ - jw) implícita. Las raíces en el denominador de la función de transferencia son polos (cada uno se indica con una "X"). Las raíces en el numerador son ceros (cada uno indicado por "0"). 63

88 Los polos que están más a la izquierda del eje jω (vertical), representan otros modos que se amortiguan más rápidamente que los que están más cerca del eje jω. Polos que están a la derecha del eje jω representan modos inestables y, por tanto, indican un sistema que es inestable. La ubicación de los polos de lazo abierto y ceros en la figura 27 dependen de las características dinámicas de las funciones de transferencia de G1 y G2. Aunque el aumento de la ganancia K no tiene ningún efecto sobre la polos de lazo abierto y ceros, tiene un gran efecto en los polos de lazo cerrado. La figura Y muestra el lugar de las raíces del sistema de control de excitación con las características de circuito abierto de la figura X. Los polos del sistema de lazo cerrado se asignan en el plano S, el valor de la ganancia K es variada. Con un valor de ganancia K = 0, los polos de lazo cerrado son los mismos que los polos del sistema de lazo abierto. Con un valor de ganancia K = Kco, los polos complejos cruzan el eje jω en el plano de la derecha, lo que indica inestabilidad. Si la ganancia K es ajustable, de la ganancia de operación K = Kop puede ser seleccionada para que tenga un margen de ganancia (Gm) y un coeficiente de amortiguamiento (ζ) aceptable. La siguiente tabla proporciona los valores aceptados de los índices de rendimiento descritos anteriormente que caracterizan a un buen control de retroalimentación sobre el desempeño del sistema. 64

89 Tabla 3.1. Valores aceptados de los índices de rendimiento que caracterizan a un buen control de retroalimentación sobre el desempeño del sistema. [15]. Margen de Ganancia 6 db Margen de Fase 40 Sobrepaso 0 a 15% Mp 1.1 a 1.6 (0.8 db a 4 db) Coeficiente de amortiguamiento 0.6 Los índices de rendimiento de pequeña señal no poseen un criterio establecido, debido a que dependen de cada aplicación específica, sin embargo se puede proporcionar una tabla con los rangos para pequeña señal de un sistema de excitación. Tabla 3.2: Rango para los índices dinámicos de rendimiento de pequeña señal para los Sistemas de Control de Excitación. [15]. Índices de Rendimiento Rango de Valores Esperados Ganancia del Sistema de Excitación 30 pu a 800 pu Margen de Ganancia 2 db a 20 db Margen de Fase 20 a 80 Mp 1 a 4 (0 a 12 db) Ancho de Banda 0.3Hz a 12Hz Sobrepaso 0 a 80% Tiempo de subida 0.1 s a 2.5 s Tiempo de establecimiento 0.2 s a 10 s coeficiente de amortiguamiento 0 a 1 Una máquina síncrona cargada, conectada a un sistema de energía es un complejo multilazo, el sistema de control realimentado multivariable. Para una máquina síncrona cargada, conectada a un sistema de energía interconectado multimáquina, los índices de rendimiento, tales como los de la tabla

90 pierde mucho de su significado. Se deben utilizar técnicas de análisis y síntesis que son aplicables a este tipo de sistemas. Un enfoque para evaluar el desempeño de este complejo sistema es modelar el sistema utilizando técnicas de estado-espacio y calcular los valores propios (raíces características de la ecuación) para la gama de sistemas de excitación, la máquina síncrona, y los parámetros del sistema de interés. El modelo de estado-espacio puede ser derivado de la planta conocida y de los parámetros del sistema, las condiciones de funcionamiento, los datos experimentales y la respuesta en frecuencia, si ésta se encuentra disponible. El cálculo de valores propios da una indicación directa de la estabilidad del sistema para el sistema linealizado y sirve como un paso inicial antes de la prueba eficiente de los parámetros seleccionados en un estudio más amplio, como un estudio de estabilidad transitoria. El índice de rendimiento de segundo grado y otros índices que utilizan el espacio estado-modelo son medidas de la capacidad de un sistema de control multilazo para cumplir con los criterios especificados. 66

91 Figura 28 (a). Sin carga a un ángulo de torsión de 0. [15]. La figura 28 muestra que las características dinámicas de una máquina sincrónica, cambian drásticamente cuando aumenta el ángulo de torsión. Figura 28(a) muestra que una máquina de sincrónica descargada (δ = 0 ) se comporta como un circuito inductivo simple con una sola constante de tiempo, correspondiente a la constante de tiempo del circuito de campo. El desfase máximo es de 90, que ocurre cuando la frecuencia ω alcanza el infinito. En el plano S, la unidad muestra un par de polos complejos y ceros que se cancelan entre sí en la función de transferencia ΔVT/ΔEFD. 67

92 Figura 28 (b). Sin carga a un ángulo de torsión de 72. [15]. Figura 28 (c). Sin carga a un ángulo de torsión de 102. [15]. Figuras 28 (b) y 28 (c) muestran respuestas en frecuencia con picos de resonancia característica que aparece en la función de ganancia acompañada de una caída repentina en el ángulo de fase. Estas características son atribuibles a polos complejos poco amortiguados 68

93 introducidos en la función de transferencia de la máquina síncrona, aumentando así el ángulo de torsión. En las graficas del plano-s de la figura 28 (b) y 28 (c), el par de ceros complejos ya no coinciden con el par de polos complejos. En la figura 28 (c) (δ = 102 ), el grafico polo/cero en el plano S muestra un polo en el eje real positivo. Esto indica la inestabilidad monótona, como era de esperar con una operación de la máquina sincrónica sin control con un ángulo de torsión de más de 90. Las características altamente oscilatorias de una máquina sincrónica operando a un ángulo de torsión alto, pueden conducir fácilmente a la inestabilidad si la máquina se utiliza en un sistema de control realimentado de circuito cerrado con un regulador de tensión. Con frecuencia es necesario aplicar un control adicional, como un estabilizador del sistema de energía, para compensar estas características y para garantizar un funcionamiento estable y mejorar la amortiguación de las oscilaciones derivadas de las perturbaciones del sistema Control de estabilidad del sistema de excitación. El aumento del ángulo de torsión o el aumento de la ganancia del regulador de la máquina síncrona reduce la estabilidad del sistema de control de excitación. Las oscilaciones se pueden asociar con la estabilidad transitoria y el rendimiento en gran señal o la estabilidad dinámica y en el rendimiento de pequeña señal. 69

94 Tipos de oscilaciones de la máquina síncrona. Si un sistema de excitación en su aplicación particular tiene la capacidad de desestabilizar algún particular modo de oscilación, entonces se necesitarán los controles suplementarios que sean necesarias para prevenir o minimizar los efectos desestabilizadores. Un sistema de excitación también puede ser llamado para que proporcione amortiguación a los modos de oscilación que ya pueden existir en un sistema de energía. A menudo, la frecuencia de la oscilación será la mejor indicación de qué tipo de oscilación se está produciendo. categorías. Las oscilaciones de la máquina síncrona a menudo se pueden caracterizar en cuatro a) Oscilaciones del sistema-maquinas local. Estas oscilaciones implican generalmente una o más máquinas sincrónicas en un central eléctrico oscilante junto contra un sistema de energía relativamente grande o centro de carga a una frecuencia en el rango de 0,7 Hz a 2 Hz. Estas oscilaciones ser particularmente problemáticas cuando la planta posee una gran carga con un sistema de transmisión de alta reactancia. El uso de modernos sistemas de excitación con los controles de estado sólido permite la regulación del voltaje de terminales de forma más rápida. Aunque el coeficiente de torsión de sincronización es mejorado como la ganancia de del 70

95 regulador de la máquina síncrona se aumenta en el rango de la frecuencia de oscilación, una amortiguamiento negativo se introduce en el lazo de la máquina de torsión-velocidad. Dependiendo de la ganancia deseada y el sistema en el que se emplea, las oscilaciones del sistema local de la máquina puede llegar a ser negativa amortiguado. Con el fin de preservar un alto coeficiente de torque de sincronización y restaurar el par de amortiguación, se pueden utilizar estabilizadores de sistema. b) Oscilaciones entre zonas. Estas oscilaciones suelen implicar una combinación de muchas máquinas síncronas en una parte de un sistema eléctrico oscilante contra las máquinas en otra parte del sistema. Oscilaciones entre zonas, normalmente son de una frecuencia mucho más baja ( 0,5 Hz) que las oscilaciones locales. Por lo tanto, mayores sistemas de excitación, incluso con una respuesta muy lenta, así como los sistemas de excitación más modernos, pueden tener la capacidad de contribuir positiva o negativa a la amortiguación de las oscilaciones entre zonas, dependiendo de si o no un estabilizador del sistema de alimentación eléctrica es aplicado. c) Oscilaciones Interunidades. Estas oscilaciones suelen incluir dos o más máquinas síncronas en una planta de energía o plantas de energía cercanas poder en el que las máquinas oscilan una contra el otro, generalmente con una frecuencia de entre 1,5 Hz a 3 Hz. 71

96 d) Oscilaciones torsionales. Estas oscilaciones involucran movimiento angular relativo entre los elementos rotatorios (máquina sincrónica, turbinas, y la excitación) de una unidad, con frecuencias que van de 4 Hz o más. Este sistema mecánico tiene una amortiguación muy poco natural. La fuente de torque para inducir oscilaciones de torsión con el sistema de excitación proviene de una combinación de modulación de la potencia de salida del sistema de excitación, y la modulación de la potencia de la máquina síncrona debido a los cambios en el voltaje de campo del generador. Además de los sistemas de excitación, hay otros mecanismos que pueden excitar oscilaciones torsionales como las líneas de corriente continua, condensadores en serie, convertidores estáticos, y otros dispositivos. Si el sistema de excitación es lo suficientemente potente como la frecuencia de torsión de interés, las oscilaciones pueden desarrollar rápidamente a un nivel que resulta en daños en los ejes debido a la tensión mecánica Aplicación de estabilizadores a sistemas de potencia. Un estabilizador del sistema de energía es un elemento o grupo de elementos que proporcionan una entrada adicional al regulador para mejorar el rendimiento dinámico del sistema de potencia. Un número de diferentes variables se puede utilizar como entrada para el estabilizador del sistema de energía tales como son, la velocidad del eje, frecuencia, potencia de la máquina eléctrica síncrona, y el poder de aceleración. 72

97 La función de transferencia de un estabilizador típico de un sistema de energía del se muestra en la figura 29. Los valores de los parámetros dependen de la naturaleza de la señal de entrada y la aplicación específica del estabilizador. Rangos de los parámetros de diseño típico de los estabilizadores del sistema de energía que se han aplicado en los Estados Unidos figuran tabla 3.3. Tabla 3.3: Rangos de los parámetros de diseño típico de los estabilizadores del sistema de energía que se han aplicado en los Estados Unidos. [15]. Símbolo Rango Típico Parámetros T6 0 s a 0.04 s Constante de tiempo del transductor T5 0.5 s a 50 s Constante de tiempo del fracaso T1,T3 0.1 s a 2 s Constante de tiempo principal T2,T s a 0.20 s Constante de tiempo de retraso K pu a 50 pu Ganancia estabilizadora VSTMIN, VSTMAX ±0.02 pu a ± 0.10 pu Límites de la señal de salida estabilizadora. Sin importar la fuente de la señal de control del sistema de potencia del estabilizador, el transductor de la señal de control no debe introducir señales extrañas, tales como rizado o el ruido aleatorio. Sin la señal de control conectada a la entrada del transductor, la salida del estabilizador del sistema de energía tras el acondicionamiento de señales y las etapas de reinicialización debe ser relativamente libre de ruido generado por el transductor o etapas de acondicionamiento de señales 73

98 Figura 29. Diagrama de Bloques Usado para Representar un Típico PSS. [15]. Con el circuito de acondicionamiento de señal ajustado como en la operación real, la influencia total del ruido de rizado o aleatorio no debe superar el 10% del el rango dinámico de la salida del estabilizador del sistema de energía, a menos que se especifique lo contrario. El transductor de la señal de control deben incluir una señal de salida proporcional a la desviación del la señal de control con una constante de tiempo T6 menos de 0,04 segundos. La función fundamental de la red de acondicionamiento de señales del estabilizador del sistema de energía es para compensar los desfases del sistema que está siendo controlado. Compensación de fase se realiza generalmente mediante el uso de las redes de 74

99 adelanto-atraso que proporcionan el adelanto de fase en el rango de frecuencias de interés. Con combinaciones prácticas de las redes adelanto-atraso, la compensación de fase sólo puede proporcionar hasta cerca de 140 con dos redes de adelanto-retraso. En muchas aplicaciones, la cantidad total de correcciones de fase que puede se pueden emplear está limitada por consideraciones de vulnerabilidad al ruido. La mayoría de las aplicaciones de los estabilizadores del sistema de energía utilizan dos etapas de compensación de fase como se muestra en la figura 29, sin embargo, en algunas se han empleado aplicaciones con tres etapas de compensación. En algunas aplicaciones que emplean sistemas de excitación de alta respuesta inicial que tienen bajas constantes de tiempo, se utiliza solo una etapa de compensación. Para la mejor contribución al sistema de amortiguación, la KS ganancia del estabilizador del sistema de alimentación debe ser maximizado dentro de las limitaciones impuestas por la estabilidad del sistema de circuito de control de estabilizador o cualquier otros modos de oscilación de la máquina sincrónica. Para una mejor contribución al sistema de amortiguamiento, la ganancia KS del estabilizador del sistema de energía debe ser maximizada dentro de las limitaciones impuestas por el lazo de control estabilizador del sistema de energía la o cualquier otro modo de oscilación de la máquina sincrónica. Generalmente los cambios de velocidad Δω se dan, debido a que una terminal estabilizadora es la que mide este cambio con respecto a una frecuencia fija, que generalmente es la del sistema, pero esta frecuencia fija es variante con el tiempo, aunque 75

100 varia muy poco y son variaciones lentas, estas producen variaciones en la tensión, ante esto se ve la necesidad de colocar un filtro washout, para lograr minimizar el efecto. La selección de la constante de tiempo del filtro washout no es crítica, salvo que: Debe ser lo suficientemente largo para que su cambio de fase no interfiera significativamente con la señal de acondicionamiento de la red en las frecuencias deseadas de estabilización. Debe ser lo suficientemente corto para que la tensión en las terminales no se vean afectadas por las variaciones de velocidad. Cuando la potencia de una máquina eléctrica síncrona se utiliza como entrada de la estabilización, el filtro washout reduce las variaciones de tensión causadas por los cambios de potencia de la turbina. El estabilizador del sistema de energía varía la tensión base sobre los cambios en la corriente eléctrica causada por las oscilaciones del sistema de energía Prueba de Rendimiento para Gran Señal Pruebas de fábrica. La mayoría de las pruebas para gran señal se desarrollaron para determinar que el fabricante ha cumplido con los requisitos de las especificaciones del cliente. Las especificaciones más comunes que se deber analizar en estas pruebas son, tensión máxima, corriente máxima, la respuesta en tensión, y la respuesta en condiciones nominales. 76

101 Pruebas de Campo. Los procedimientos para cualquier prueba de campo para determinar el rendimiento de gran señal deben ser determinados teniendo en consideración el impacto de la prueba sobre el sistema de alimentación. Las pruebas de campo recaen principalmente en cuatro categorías: 1. Prueba inmediatamente después de la instalación de nuevos equipos o de la reparación del equipo defectuoso 2. Para determinar si el equipo cumple con las especificaciones del usuario 3. Pruebas para determinar los parámetros para su uso en modelos o para validar los resultados del modelo de estudio 4. Pruebas para diagnosticar problemas existentes o inminentes. Pruebas de aceptación se realizan para demostrar que el fabricante ha cumplido con las especificaciones del usuario. Estas se realizan en el campo en el lugar de instalación y en la fábrica. Estas pruebas se realizan generalmente en una sola unidad cuando varias unidades se instalan en un contrato. Están estrechamente asociados con las pruebas de modelos. Algunas pruebas son poco prácticas para llevar a cabo en determinadas condiciones, y los resultados del modelo de estudio deben ser utilizados para obtener la información requerida. Algunas pruebas de señal de gran rendimiento se deben realizar en condiciones 77

102 normales a carga completa. Cuando sea posible, se prefiere que las pruebas se realicen con la máquina sincrónica en circuito abierto, eliminando así cualquier impacto sobre el sistema de alimentación. Las pruebas asociadas con el modelado de gran señal tienen diferentes requisitos en función del tipo de sistema de excitación que se esté probando. Como la mayoría de los modelos se utilizan para estudios de estabilidad, es importante que las pruebas a efectos de modelado se realicen lo más cercano posible a las condiciones de falla. Las pruebas para fines de aceptación y de modelado deben estar estrechamente coordinadas. Pruebas de campo para validar los modelos aumenta la fiabilidad de los resultados del modelo. Los resultados del modelo se pueden utilizar cuando las pruebas de campo no sean prácticas para predecir el funcionamiento real. Respuestas en el tiempo. La tensión máxima, tiempo de respuesta de la tensión, y la respuesta nominal de todo los parámetros puede ser determinado por el tiempo de respuesta del sistema de excitación de tensión. Por lo tanto es indispensable obtener registros de estas variables en el sistema de control de la excitación para cambios cortos en la tensión terminal y el error en comparación con la tensión especificada en los terminales. Se utilizan transductores para convertir la tensión terminal de generación síncrono, y la tensión de campo, en señales pequeñas de tensión DC que sean compatibles con registradores. Registradores con cuatro o más canales se puede utilizar para grabar las señales de los transductores que representan el 78

103 voltaje de error de la máquina sincrónica, la corriente de campo de la máquina sincrónica, y la tensión de campo y entre terminales de la máquina sincrónica. Un tiempo de respuesta típica se obtiene con la tensión de excitación inicial, y la tensión nominal de campo de la máquina síncrona a la que se aplica la excitación. Algunos medios son usados para hacer que el regulador de la tensión de error de la máquina sincrónica sea cambiado por un corto período correspondiente a una disminución en la tensión terminal especificada. La duración del cambio debe ser lo suficientemente corto para que las cantidades del sistema de control de la excitación permanezcan dentro de los rangos aceptables. Para sistemas de excitación con alta respuesta inicial, la señal de error se debe aplicar sólo por un tiempo muy corto debido a la alta velocidad de estos sistemas. Todo el sistema de control de excitación estabilizador de circuitos (que no sean los circuitos de alimentación del sistema estabilizador) u otros circuitos de control de retroalimentación que son parte del regulador de la máquina síncrona se debe ajustar al igual que en operación real, cuando sea posible y práctico. El estabilizador del sistema de alimentación no debe estar en funcionamiento. La figura 30 muestra los resultados de una prueba de campo realizados en un sistema de excitación de alta respuesta inicial para determinar la tensión máxima y el tiempo de respuesta de tensión del sistema de excitación. Estos registros de tiempo de respuesta por lo general se pueden obtener cerca de la operación nominal sin poner en peligro el funcionamiento de la máquina síncrona o el sistema de de energía. Es esencial que la duración del cambio en el regulador de voltaje de 79

104 error de la máquina sincrónica se limite a un breve periodo de tiempo. El tiempo debe ser lo suficientemente corto para que los cambios en las variables del sistema de excitación sean aceptables. Las respuestas en tiempo suelen ser obtenida por uno de los dos métodos, ya sea una señal que se inyecta en el punto de suma donde la señal de error se produce o la señal de tensión en los terminales en el circuito de sensado es obligado a reflejar el cambio deseado en la tensión terminal. El método de la inyección de una señal en el punto de suma a veces es más fácil de implementar, pero tiene un inconveniente. La inyección en el punto de suma no pasa por la constante de tiempo transductor, que puede ser una constante de tiempo mayor en un sistema rápido. Limitador y preocupaciones relativas a la protección. Pruebas en gran señal con la máquina síncrona conectada al sistema eléctrico requiere la consideración y los ajustes del limitador y la protección. Pruebas en gran señal pueden ser utilizadas para comprobar el funcionamiento y los ajustes de estos dispositivos. Tensión límite. La medición de la tensión límite de la máquina sincrónica en circuito abierto resultará sencillo, excepto en el caso de un sistema de excitación que utiliza tanto el voltaje como la corriente de la máquina sincrónica como fuente para el sistema de excitación. Sistemas de excitación sin escobillas que no utilizan los anillos colectores puede ser más difícil de probar, a menos que se implemente un sistema especial que utilice puntas de prueba de tensión. 80

105 La medición de una tensión límite de carga en cualquier máquina sincrónica sólo es posible cuando la tensión del sistema de excitación puede alcanzar el valor límite y volver al valor inicial en un tiempo suficientemente corto y que los parámetros en el otro sistema de control de excitación permanezcan dentro de límites aceptables. Cuando la tensión límite no se puede alcanzar debido a limitaciones operacionales, los datos pueden ser extraídos de las respuestas de tiempo para condiciones que produzcan condiciones lo más cercano posible al límite. Estos datos generalmente se puede utilizar para comprobar los parámetros del modelo y el modelo se puede utilizar para determinar el valor de la tensión límite. La definición de la tensión límite se utiliza para evaluar la capacidad de forzar el sistema de excitación hacia la corriente límite. Figura 30. Prueba de Campo a Gran Señal (10% error en Tensión) para Respuesta Inicial Alta en un Sistema de Excitación. [15]. 81

106 Tiempo de respuesta de la tensión. El tiempo de respuesta de la tensión en el sistema de excitación en la dirección positiva puede determinarse a partir de la respuesta en el tiempo de la tensión del sistema de excitación. La medición del tiempo comienza en el momento donde la perturbación se inicia y termina cuando el tiempo de respuesta alcanza el 95% de la diferencia entre el voltaje límite y el voltaje nominal de campo. Respuesta nominal. La respuesta nominal se basa en una aproximación lineal del tiempo de respuesta de la tensión del sistema de excitación para los primeros 0.5 segundos. Una línea recta se determina de tal manera que el área debajo de la línea y el área bajo el tiempo de respuesta son los mismos durante el intervalo de interés de 0,5 segundos. En la figura 23, la línea de CA es elegida para hacer las áreas sombreadas iguales. La tensión del sistema de excitación a 0.5 segundos en esta línea (punto c en la figura 23) se utiliza para calcular la respuesta nominal. El aumento de la tensión de excitación del sistema (ce-ao en la figura 23) se divide por el voltaje nominal de campo (ao, en la figura 23) y por el intervalo de tiempo (oe = 0,5 segundos en la figura 23) para obtener la respuesta nominal por unidad y la tensión nominal de campo por segundo. La determinación de la respuesta nominal requiere que la tensión del sistema de excitación sea inicialmente igual a la tensión de campo nominal de la máquina síncrona. 82

107 Figura 23 (Repetida). Respuesta Nominal de un Sistema de Excitación. [15]. Corriente Límite. Las pruebas de campo para la corriente límite rara vez resultarán prácticas debido a la corriente excesivamente alta que se requiere. El impacto en el sistema de alimentación debido a esta perturbación rara vez es aceptable. Cuando la corriente de campo se limita a un valor predeterminado por el uso de un limitador de corriente instantánea, las pruebas 83

108 pueden llevarse a cabo para determinar que el limitador funciona correctamente. Puede que sea necesario para probar el funcionamiento del limitador un valor corriente muy por debajo del valor deseado con el fin de limitar el impacto en el sistema de energía. Medios analíticos pueden utilizarse para determinar la configuración del limitador deseado de los resultados de la prueba a un valor más bajo de corriente Prueba de fallas. Las pruebas de fallas donde tres fases, línea a línea, o fallas de línea a tierra son utilizadas para comprobar el funcionamiento de la línea de transmisión o protección de la máquina sincrónica también proporcionan una buena oportunidad para evaluar el desempeño del sistema de control de excitación en condiciones de falla. Los registros de estas pruebas proporcionan un método para la obtención de los valores para los criterios de desempeño bajo condiciones de gran señal con aproximaciones más cercanas a condiciones típicas de falla Las perturbaciones de Sistemas de Potencia. Para la verificación de los parámetros del modelo, los registros son necesarios durante las perturbaciones del sistema. Cuando los equipos de vigilancia de las perturbaciones están siendo instalados, se debe prestar atención a las cantidades de interés del sistema de control de la excitación. Tensión en las terminales y la tensión de campo de la máquina síncrona deben ser monitoreados siempre que sea posible. Se debe considerar 84

109 tener mayor atención al seguimiento de las señales proporcionadas por los transductores en lugar de la forma de onda de corriente alterna. Si el equipo del sistema de excitación proporciona señales convertidas por el transductor para la corriente de campo y las señales de salida o de error del regulador de la maquina sincrónica, puede ser beneficioso para su monitoreo. Cuando el equipo está disponible, el control del estabilizador del sistema de excitación y la máxima y mínima excitación del limitador de debe ser considerada. Para obtener el máximo beneficio, el ancho de banda del aparato de control deberá ser adecuado para que la señal sea monitoreada Prueba de Rendimiento de Pequeña Señal Componentes del sistema de control de excitación. Las funciones de transferencia que describe el funcionamiento dinámico de los componentes del sistema de control de la excitación se pueden derivar de pequeños datos de rendimiento de cada componente de la señal. Estos datos pueden ser obtenidos por la prueba de tiempo de respuesta en régimen transitorio o pruebas de respuesta en frecuencia. La prueba de respuesta transitoria consiste en aplicar un transitorio (escalón o rampa) en la entrada del elemento o elementos bajo prueba y registrar la respuesta de salida. Si el sistema que está siendo probada contiene un polo dominante real o un par de polos dominantes complejos (cerca del eje jω en el plano-s), una prueba de respuesta transitoria a menudo es útil en la medición de la posición de estos polos en el plano-s. 85

110 Las pruebas de respuesta en frecuencia consisten en aplicar una señal conocida a la entrada del elemento bajo prueba y medir la de salida con respecto a la entrada. Estas pruebas tienen la ventaja de que la función de transferencia del elemento bajo prueba a menudo es inmediatamente evidente. Por esta razón, el método de respuesta en frecuencia se recomienda para la determinación de las funciones de transferencia de los componentes del sistema de excitación. frecuencia: Las siguientes precauciones deben ser observadas en las pruebas de respuesta en 1. Se debe tener cuidado para asegurar que la señal conocida no provoque la saturación de los elementos de prueba. Se recomienda que la magnitud de la señal cause variaciones de la salida que son lineales alrededor de un punto quieto de operación. 2. La gama de frecuencias de la prueba debe ser lo suficientemente amplia para describir totalmente las características dinámicas del elemento (s) bajo prueba. La resolución de frecuencia debe describir con precisión los cambios abruptos en la curva de respuesta, sobre todo en las cercanías de los picos de resonancia. 3. Al medir la respuesta de la rotación de excitadores en la fábrica, puede ser necesario insertar un amplificador de potencia entre la fuente de señal que 86

111 conduce y el campo de excitación. La función de transferencia del amplificador de potencia debe ser registrada. 4. Al medir la respuesta de los componentes de potencia, tales como amplificadores de potencia y excitadores, puede ser conveniente insertar transductores de aislamiento entre la salida del componente de alimentación y el equipo de control. Además, puede ser necesario para filtrar la de salida del componente de alimentación. La función de transferencia de los transductores y filtros deben ser registrados. 5. La prueba debe realizarse en la rango de operación esperado del elemento bajo prueba Pruebas de Campo. Las características de respuesta transitoria y la frecuencia puede describir completamente el comportamiento dinámico de pequeña señal del sistema de control de excitación. Estas características se pueden determinar mediante pruebas de campo. La mayoría de los sistemas de control de excitación, incluye algún tipo de estabilización interna, tales del tipo retroalimentado. La función de esta compensación interna es garantizar la estabilidad del sistema de control de excitación desconectado y proporcionar un medio para ajustar la respuesta transitoria del sistema. Durante el inicio de la instalación de nueva máquina síncrona, es un procedimiento normal, comprobar la respuesta transitoria de la unidad desconectada, con el fin de ajustar la configuración de los 87

112 estabilizadores del sistema de excitación. Esto se logra mejor mediante la inserción de un pequeño cambio escalón en cualquiera de los circuitos de sensado o de referencia del regulador de la máquina sincrónica y de la máquina de registro de la respuesta del voltaje terminal. Para un sistema de excitación que tienen constantes de tiempo pequeñas, una respuesta transitoria aceptable podría ser considerada como una que tenga no más de dos sobrepasos con un sobrepaso máximo del 5% al 15%. En algunas aplicaciones, puede ser deseable para aumentar el ancho de banda del sistema de excitación para respuestas más rápidas. En tales aplicaciones, el aumento de sobrepaso puede ser esperado. Pruebas de campo para obtener las características de respuesta en frecuencia del sistema de control de excitación produce datos que son útiles para la identificación del sistema y para la verificación de modelos matemáticos para su uso en estudios de estabilidad en sistemas de energía. Los datos obtenidos de las pruebas de respuesta en frecuencia son también útiles para determinar la configuración adecuada para los estabilizadores del sistema de energía. En la medición de la respuesta de frecuencia de un sistema de control de la excitación, una pequeña señal, limitada para causar menos del 2% de excursión en la tensión en bornes, es insertada en la referencia del regulador y en los sensores del punto de suma. El sistema de control de excitación para una respuesta en frecuencia a lazo cerrado, se debe medir con un ancho de banda mínimo de 0,1 Hz a 3 Hz. Esta frecuencia es conveniente para registrar las desviaciones en las variables de interés durante estas pruebas. Para obtener una variación de 0,25% a 2% en la tensión terminal se requerirá de una señal de entrada que aumente 88

113 progresivamente. Del mismo modo, en la medición de la respuesta en frecuencia utilizando analizadores de espectro, el nivel de de potencia y el ancho de banda de la señal de ruido deben ser cuidadosamente seleccionados para proporcionar una potencia adecuada para las mediciones sin permitir transitorios excesivos. Se debe tener cuidado de garantizar que variables de control del sistema de excitación no se encuentren limitadas. Estas deben ser controladas durante la prueba. Preferiblemente, las mediciones de respuesta de frecuencia se deben hacer con la unidad desconectada y con la unidad conectada, que se encuentre operando cerca de plena carga, en condiciones externas del sistema como en funcionamiento normal Pruebas de campo con estabilizadores del sistema de energía. Prueba de respuesta en frecuencia es un medio conveniente para comprobar experimentalmente rangos de parámetros, la determinación de parámetros y la verificación del rendimiento del estabilizador del sistema de energía. La señal de control de estabilizador debe ser determinada al calibrar el transductor. El transductor debe ser calibrado en Volts / pu donde 1 pu es basado sobre la velocidad nominal, frecuencia, o MVA dependiendo de la señal de entrada del estabilizador. Dependiendo del diseño y la configuración, el tiempo de respuesta del transductor puede, en algunos casos, ser determinada experimentalmente mediante técnicas de respuesta en frecuencia similares a las descritas anteriormente para las pruebas de los componentes del sistema de excitación. La configuración de las constantes de tiempo de la red de adelanto-atraso del estabilizador 89

114 se puede determinar mediante varias técnicas una vez que la respuesta de frecuencia del sistema de control de excitación ha sido medida. Independientemente de la técnica utilizada para determinar estos valores, el objetivo final es para compensar la fase de retrasos en el sistema de control de excitación para que el estabilizador, a través del sistema de excitación, agregue un componente de torsión que se encuentre en fase con la desviación de la velocidad. El estabilizador ideal debe incrementar el componente de amortiguamiento o el par sin afectar el componente de sincronización. La ganancia del estabilizador debe ser maximizada dentro de las restricciones impuestas por el margen de estabilidad recomendada del lazo de control. El aumento máximo permitido depende de muchos factores y puede ser determinado por la prueba. La figura 31 muestra típica respuesta de frecuencia de datos de pruebas de campo de un sistema de control de excitación sin y con un estabilizador del sistema de potencia. Tenga en cuenta que las características de la respuesta en frecuencia ΔVT / ΔVR y ΔVT / ΔVS mostrado en la figura 31 son convenientes para medir y proporcionar información adecuada para determinar y verificar la configuración adecuada del estabilizador para mejorar la atenuación las oscilaciones de baja frecuencia entre zonas. Para la determinación y verificación de los parámetros adecuados del estabilizador para mejorar la atenuación de oscilaciones de alta frecuencia, la función de transferencia para que se deba compensar es ΔT / ΔVR, que es el cambio del par (o energía) con respecto al cambio en el voltaje de referencia. Si los ajustes han sido suficientes, el desfase será de casi cero en todo el rango 90

115 útil, como se muestra de figura 31. La curva de ganancia será también bastante plana sobre este rango. Figura 31. Típica respuesta de frecuencia de datos de pruebas de campo de un sistema de control de excitación sin y con un estabilizador del sistema de potencia. [15]. 91

116 3.3. Norma IEEE Std (Revisión de IEEE Std 421B-1979): IEEE Estándar de Requisitos de Prueba de Alto Potencial para los Sistemas de Excitación de Máquinas Síncronas. [16]. Esta norma se aplica a las pruebas de alto potencial de los sistemas de excitación completos y sus componentes para máquinas síncronas Las pruebas de alto potencial. Las pruebas de alto potencial, son pruebas requeridas para establecer la adecuación de los diferentes aislamientos de los componentes del sistema de excitación para soportar los esfuerzos de tensión impuestos durante condiciones normales o transitorias. Condiciones transitorias incluyen fallas, operación asincrónica, o funcionamiento inusual Tipos de pruebas. de servicio. Las pruebas de alto potencial caen en dos categorías: Las pruebas de aceptación y Aceptación. Las pruebas de aceptación se realizarán en la fábrica a tensión estándar de prueba en todos los circuitos después de su montaje final. Equipos rotativos deberán ser probados después de que todas las pruebas funcionales se han completado. Controles y otros equipos deberán ser probados antes de la prueba funcional. Las pruebas de aceptación, en caso de 92

117 repetirse en el campo durante la instalación, se llevarán a cabo el 75% de la tensión de prueba estándar. Servicio. Las pruebas de servicio se pueden hacer en cualquier momento después de la instalación para verificar la integridad del aislamiento. El voltaje aplicado durante Las pruebas servicio no podrá exceder de 65% de la tensión de prueba estándar La frecuencia y la forma de onda de tensión de prueba. La tensión de ensayo deberá estar en la frecuencia del sistema de excitación nominal (25 Hz - 60 Hz), y la forma de la onda será una onda sinusoidal con un factor de desviación no superior al 10% con el equipo bajo prueba conectado al aparato de prueba. Como alternativa al método de anterior, se puede utilizar tensión de corriente directa (CC), en cuyo caso la tensión de prueba máxima será 1,7 veces el valor eficaz de la tensión alterna correspondiente Consideraciones de prueba de alto potencial. Las pruebas de alto potencial son una prueba de la integridad del sistema de aislamiento donde poca corriente fluye a menos que haya una falla del sistema de aislamiento. Los sistemas de excitación pueden incorporar productos en los que podrían circular corrientes significativas sin fallas del sistema de aislamiento, cuando se aplica una tensión del circuito a tierra. Durante las pruebas de alto potencial, la conexión a tierra 93

118 deberá ser retirada y el aislamiento de tierra para que la prueba de alto potencial sea aplicada a igualdad de esfuerzo en el dispositivo y el cableado asociado, y la corriente de tierra que fluye sea una indicación de falla del dieléctrico Duración y aplicación de la tensión de de prueba. La tensión de prueba se aplicará de forma continua durante un período de 60 s. La tensión de de prueba se aplica sucesivamente a cada circuito eléctrico con todos los otros circuitos eléctricos y piezas de metal conectada a tierra. Devanados polifásicos interconectados se puede considerar como un circuito Medición de la tensión de prueba. La tensión de de prueba deberá medirse mediante un voltímetro con el equipo bajo prueba conectado al equipo de prueba. El voltímetro deberá derivar su tensión directamente de la tensión de prueba, mediante un divisor de tensión, a través de un transformador auxiliare o mediante la bobina de un voltímetro colocada en el transformador de prueba. El voltímetro deberá indicar la tensión eficaz o, en caso de tensión continua si esta es utilizada, el voltímetro deberá indicar la tensión máxima Temperatura de Prueba. Pruebas de alto potencial se deberá llevará a cabo a temperatura ambiente Tensiones estándar de prueba. 94

119 Circuito de potencia del excitador. El circuito de potencia del excitador incluye todos los componentes no aislados eléctricamente de la salida del excitador. Para excitadores estáticos, esto incluye los circuitos rectificadores y tiristores, devanados de transformadores, filtros de línea, supresores de corriente, y cualquier otro componente auxiliar conectado a la entrada o salida del rectificador / puente de tiristores. Para excitadores de rotación, que incluye devanados de armadura, conmutadores y escobillas. Para excitadores de rotación de tensión nominal de salida de 350 V CC o menos, la tensión rms en CA de prueba será de 10 veces la de tensión nominal de salida de el excitador, pero con un mínimo de 1500 V. Para excitadores estáticos de tensión de salida nominal de 350 V CC o menos, la tensión rms de CA de prueba será 10 veces mayor a la tensión de nominal de salida de el excitador, pero con un mínimo de 1500 V, o el doble de la tensión nominal de entrada rms en CA del excitador más 1000 V. Para excitadores de rotación con tensión nominal de salida superior a 350 V CC, el tensión de CA rms de ensayo será 2800 V más dos veces la tensión de nominal de salida del excitador. Para excitadores estáticos con tensión nominal de salida de 350 V CC la tensión rms de CA de ensayo será mayor de 2800 V más dos veces la tensión nominal de salida nominal del excitador, o dos veces la tensión nominal de entrada rms de CA del excitadores más 1000 V. La tensión nominal de salida de los excitadores (para la determinación de la tensión de prueba) no será inferior a la tensión necesaria en los terminales de campo asociado al 95

120 generador cuando el generador funciona a la intensidad nominal kilovolts-ampers, a un factor de potencia nominal y a una tensión nominal con el devanado de campo del generador en: 75 C para devanados de campo diseñados para funcionar con un indice de incremento de la temperatura de 60 C o menos, o 100 C para devanados de campo diseñados para funcionar con un indice de aumento de temperatura superior a 60 C. La tensión nominal de entrada del excitador no podrá ser inferior a los tensión en los terminales de entrada del excitador cuando el generador funciona a la intensidad nominal kilovolt-ampers, factor de potencia nominal y tensión nominal con el devanado de campo del generador en: 75 C para devanados de campo diseñados para funcionar con un indice de incremento de la temperatura de 60 C o menos, o 100 C para devanados de campo diseñados para funcionar con un indice de incremento de la temperatura superior a 60 C. excitador) Todos los demás circuitos (eléctricamente aislado del circuito de la energía del Para los circuitos de potencia superior a 60 V o superior al 60 VA y no mayor a 600V, la tensión rms AC de prueba será de 1000 V más dos veces la tensión nominal. Para 96

121 los circuitos de potencia superior a 600 V, la tensión rms AC de prueba será de 2000 V, más 2,25 veces la tensión nominal. Circuitos de potencia de 60 V o menos y 60 VA o menos, no será necesario una de prueba de alto potencial Norma IEEE Std IEEE: Guía para la Preparación de las Especificaciones del Sistema de Excitación. [17]. El propósito de esta guía es ayudar en la preparación de las especificaciones de adquisición de sistemas de excitación para máquinas síncronas. Esta guía se aplica a los sistemas de excitación para máquinas síncronas de 5000 kva nominales o más. La función principal de un sistema de excitación es proporcionar la corriente de campo que requiere una máquina sincrónica para cumplir con un determinado rango de condiciones de potencia del sistema operativo. Además de cumplir con estos requisitos, hay una serie de otros factores que deben ser considerados por un cliente al describir las especificaciones para un sistema de excitación. Los modernos sistemas de excitación pueden incluir varios elementos de control auxiliares y dispositivos de protección, además de un regulador de voltaje básico. La especificación funcional debe identificar todos los equipos auxiliares de control de excitación (compensadores, limitadores, estabilizador del sistema de energía del sistema, entre otros), y equipo de protección (protección V / Hz, la protección de sobreexcitación, entre otros) que van a ser incluidos en el sistema de excitación. La especificación debe incluir los aspectos más relevantes para el diseño del 97

122 sistema de excitación a pesar de que no afectan directamente el desempeño de la tarea de regulación de voltaje. Para ayudar a los fabricantes a identificar las normas aplicables y las posibles limitaciones de diseño, una descripción del tipo de instalación debe ser incluida, es decir, la energía nuclear, combustible fósil, hidroeléctrica, entre otros Generalidades Modos de funcionamiento. Una consideración importante en el diseño de un sistema de excitación es la identificación del modo de funcionamiento o los modos de la planta. La especificación debe indicar claramente todos los posibles modos de operación, es decir, la generación, acumulación por bombeo, condensador síncrono, entre otros. Los ciclos de trabajo esperados más graves para cada modo posible deben ser proporcionados. Además, la especificación debe indicar la magnitud de la operación desatendida, es decir, inicio automático, operación remota, entre otros Instalación. La especificación de un sistema de excitación debe indicar claramente si el equipo de control de excitación es para ser utilizado como un montaje al aire libre o en interiores. Requisitos especiales de almacenamiento para el sistema antes de la instalación deben ser incluidos en las especificaciones, así como de manejo especial y las instrucciones de envío. 98

123 Además, las especificaciones deben decir la capacidad y la disponibilidad de grúas en el lugar de instalación Convenciones. Las especificaciones de un sistema de excitación deben referenciar las convenciones deseadas y las normas aplicables para el sistema. Se debe incluir copias de todas las leyes locales y códigos que se aplican al diseño, construcción e instalación. Cualquier unidad de medida deseada debería indicarse, y las indicaciones de montaje, la operación, mantenimiento y manuales de reparación deben indicar el idioma en el que viene escrito Sistemas de Aislamiento. La especificación de un sistema de excitación giratorio debe especificar un sistema de aislamiento que cumpla con la Clase B o sistemas de clase F, estos vienen incluidos en las normas norma ANSI C Diodos y Tiristores. Para los diodos y tiristores, una tensión nominal igual a un múltiplo (no necesariamente entero) del máximo servicio previsto debe ser especificada. Se debe especificar la potencia máxima que cada dispositivo debe soportar. 99

124 Disponibilidad. La fiabilidad y facilidad de mantenimiento del sistema de excitación debe ser compatible con la seguridad necesaria y el servicio de la planta. Algunas plantas requieren tiempo mínimo de inactividad. En estas aplicaciones, el uso de elementos redundantes debe ser considerado. En aplicaciones extremadamente críticas las especificaciones podría establecer los requisitos del sistema de excitación asociados, tales como el MTTR (tiempo mínimo de reparación), el MTBF (tiempo mínimo entre fallos), y MTTF (tiempo medio entre fallos). Si la planta tiene más flexibilidad en la programación, las consecuencias de un fallo y su coste asociado no puede justificar el establecimiento y la especificación de MTTR, MTBF, y MTTF La redundancia de los equipos. Redundancia suficiente debe permitirse para fallas en el dispositivo y la sustitución, sin comprometer la disponibilidad del generador requerida Piezas de repuesto. La selección de piezas de repuesto debe ser considerada cuidadosamente para garantizar que un número suficiente de los elementos necesarios estén disponibles para apoyar la fiabilidad requerida y la disponibilidad. 100

125 Consideraciones en la Clasificación de los Excitadores. Todos los parámetros que afectan a la clasificación del sistema de excitación deben ser coordinados y se especifica de forma inequívoca, ya que la clasificación determina el costo de los componentes principales. Algunos parámetros se refieren a la operación en estado estacionario y otros para la operación transitoria. Cuando el sistema de excitación y la máquina sincrónica están ordenados a la vez del mismo fabricante, muchos de los parámetros de diseño se coordinan automáticamente y no necesitan ser especificados en mayor detalle Clasificaciones. Corriente Nominal. La calificación en corriente continua deben especificarse para ser igual o mayor que el máximo requerido por el campo de la máquina sincrónica bajo cualquier condición de funcionamiento continuo permitido. Tenga en cuenta que algunas máquinas tienen un grado de sobrecarga continuo. Además las normas, ANSI C , ANSI C , y ANSI C permitirá que todos los equipos puedan operar a la intensidad nominal MVA y una tolerancia de ± 5% del voltaje nominal de terminales. Algunos equipos pueden requerir un rango de operación más amplia. La necesidad de una operación fuera de frecuencia también se debe considerar para establecer la clasificación. Algunas máquinas, tales como unidades de combustión-turbina-, tienen una calificación variable dependiendo 101

126 de la temperatura ambiente del aire. El sistema de excitación de estas máquinas puede requerir una calificación variable en función de la temperatura ambiente del aire. Voltaje. La tensión nominal continua de un sistema debe ser tal que la tensión sea suficiente para abastecer la corriente continua necesaria para el campo de la máquina síncrona, con el campo a su temperatura máxima bajo condiciones de carga nominal. Asimismo, la capacidad de tensión continua debe permitir el funcionamiento de la máquina síncrona a la potencia nominal MVA y una tolerancia de ± 5% del voltaje nominal en terminales a menos que se especifique lo contrario Requerimientos transitorios. Límite Máximo de Corriente. Excitadores de baja tensión límite, normalmente menos del 150% del valor nominal, por lo general se puede permitir que alcancen su límite máximo de corriente. Donde alta tensión límite se emplean para mejorar el rendimiento transitoria, el valor límite de corriente, si se limitada, puede alcanzar valores muy elevados y requieren una capacidad de excitación excesiva. La inclusión de un limitador de corriente de campo debe ser considerado para limitar el máximo de corriente a un valor especificado. La Tensión limite máxima entonces todavía estará disponible para forzar el cambio rápido de la corriente. El límite máximo de corriente del sistema de excitación debe tener un capacidad de tiempo 102

127 transitorio igual o mayor que la capacidad de sobrecarga de corta duración de la máquina síncrona a la que está conectada. Las normas ANSI C y ANSI C dan los requisitos térmicos de sobrecarga de corta duración del devanado de campo. Tenga en cuenta que estas sobrecargas se basan en la tensión (en lugar de corriente) que se aplica a las bobinas de campo. Límite máximo de tensión. El voltaje máximo de un sistema de excitación normalmente no se especifica directamente, sino que es una función de las necesidades de la respuesta nominal del sistema de excitación. Esta es una zona en la que es fácil de especificar los requisitos más conflictivos, y el usuario es advertido estar seguro de que alguna otra referencia de la tensión límite no entre en conflicto con el requisito de respuesta. La respuesta debe ser especificada por el usuario y la selección de la tensión de límite se deja en manos del fabricante. Para los sistemas que obtienen su energía de una fuente de corriente alterna, la tensión por unidad y (si procede) los valores de corriente de esta fuente se deben cumplir los requerimientos especificados de respuesta nominal. Para determinados casos especiales, un voltaje máximo negativo puede ser necesario para controlar las condiciones de la máquina de sobretensión. Debido a los requisitos de margen de ángulo de disparo del tiristor de los excitadores, el límite máximo negativo es normalmente especificado para no ser más del 70% de la tensión límite máximo positiva, de otro modo, probablemente sea necesario un equipo de mayor tamaño. 103

128 Deberes ante fallas por deslizamiento de polos. El sistema de excitación debe soportar, sin daños y averías ante cualquier funcionamiento anormal de la máquina síncrona. Los fallos en los terminales de máquinas de corriente alterna síncronos inducen grandes corrientes positivas en el campo (agregando a la corriente de campo normal). Además, la corriente inducida tendrá una componente alterna en la frecuencia de alimentación. Esto es importante cuando excitadores rectificadores que suministran la frecuencia de alimentación son involucrados desde que se produce el pico de corriente y en el mismo punto cada ciclo, esto tiende a sobrecargar una fase del rectificador. La magnitud y el tiempo de duración de esta corriente inducida es una función de la maquinas y del sistema de reactancias. Además para la corriente inducida de campo positiva, bajo fallas, no puede haber corrientes inducidas negativas (restándose a la corriente normal de campo normal). Estas corrientes negativas pueden ser inducidas en el circuito de campo durante una falla por deslizamiento de polos. Cuando la corriente inducida negativa es muy grande la corriente total llega a ser negativa, y si esta corriente es negativa, no se permite fluir, entonces el voltaje resultante llega a ser excesivo. Los sistemas de excitación que emplean rectificadores de estado sólido normalmente conducen corriente sólo en la dirección positiva. 104

129 Consideraciones de la Fuente de Alimentación del Excitador Excitadores Rotativos DC con Conmutador. La mayoría de excitadores de rotación de corriente continua son generadores en derivación (shunt), a veces con bobinas de serie. La salida del excitador alimenta los anillos deslizantes del generador principal. Los excitadores suelen tener bobinas multicampo para la operación del regulador buck-boost y de un de reóstato campo de control, algunos tienen bobinas para garantizar una inclinación constante del campo magnético. Algunos excitadores pueden ser excitados separadamente desde un excitador piloto a través de un reóstato. Algunos excitadores son impulsados por un motor más que por el eje del generador principal. La sustitución de estos excitadores se ve facilitada por la presencia de los anillos colectores. La colocación de un nuevo generador de imán permanente o un alternador excitador en el eje, puede significar una amplia remodelación del generador principal para permitir la conexión del eje nuevo y proporcionar el soporte adecuado. Los nuevos excitadores estáticos se puede encontrar de forma remota desde el generador y conectados por cables a los anillos colectores. Los viejos excitadores se pueden quitar del generador, si así se desea. Una reevaluación de la dinámica eje turbina - generador puede ser necesario en este caso. Un transformador de alimentación para la excitación debe ser proporcionado si la fuente de alimentación de excitación está desde la máquina síncrona o desde estaciones de servicio. Los transformadores proporcionan aislamiento eléctrico, la supresión de armónicos, y limita las fallas. Cuando el suministro 105

130 de sistema de excitación está desde las terminales de la máquina sincrónica, el sistema de excitación debe estar equipado con algún tipo de alimentación de arranque desde las estaciones de servicio o una estación de baterías. Por último, la ubicación física de un excitador nuevo en una antigua planta debe ser cuidadosamente escogida Excitadores CA de Rotación. Los excitadores de CA de Rotación pueden utilizar rectificadores rotativos o rectificadores estacionario en un sistema anillos colectores / escobillas. El convertidor de potencia puede constar de rectificadores controlados. En la mayoría de los sistemas, sin embargo, la tensión en bornes del excitador está regulada mediante el control de la corriente de excitación de campo. La alimentación para operar el excitador de campo puede provenir de un generador de imanes permanentes del mismo excitador o de una fuente auxiliar Excitadores estáticos. Excitador Fuente de potencial rectificador. El excitador fuente potencial deriva su energía de una fuente potencial (que pueden ser los terminales de la máquina síncrona) y utiliza rectificadores controlados estacionarios. Debe prestarse especial atención a la selección de la fuente de alimentación del excitador. El conducto de barras necesarios o cables y equipo de transformadores pueden ser parte de la especificación. Si la estación de servicio es utilizada, las cargas transitorias del excitador 106

131 y los efectos transitorios de los regímenes de transferencia de la estación de servicios deben ser considerados. El equipo de campo intermitente también es importante y una capacidad adecuada de auto-enfriamiento puede ser especificada para poner en marcha sin necesidad de alimentación auxiliar de refrigeración. La respuesta nominal debe ser determinada en un porcentaje especificado de la tensión de alimentación nominal. Este valor es mejor determinarlo mediante estudios de simulaciones del sistema de potencia. En los casos en que tales estudios no son factibles, este valor se puede basar en la tensión durante los primeros 0,5 segundos después de un fallo seleccionado. Un rango de 70% -80% del voltaje nominal de alimentación no es inusual. El sistema de excitación debe operar en condiciones de falla hasta un porcentaje especificado de la tensión nominal en bornes (se sugiere un 25% del voltaje nominal de la máquina síncrona). Tras la restauración de la tensión de alimentación, el sistema de excitación debe ser capaz de una recuperación inmediata y debe ser capaz de proporcionar el voltaje máximo disponible para restaurar la tensión del sistema Excitador Fuente Compuesta - Rectificador. La fuente compuesta del excitador toma su energía de ambas fuentes de corriente y potencial (dependiendo de las magnitudes las terminales de la maquina síncrona). La respuesta nominal debe ser determinada a una reducción especificada en el voltaje de las terminales y el aumento de la corriente de la terminal. Este sistema se utiliza con frecuencia 107

132 cuando la corriente de cortocircuito sostenido es requerida por la máquina síncrona. En este caso, el valor de la corriente de cortocircuito sostenido debe ser especificado Rendimiento del sistema de excitación y del regulador de la máquina síncrona. Esta sección identifica los criterios utilizados para especificar el rendimiento del sistema de excitación. La mayoría de los parámetros ajustables que influyen en el rendimiento del sistema de control de excitación son contenidos en los elementos de control de excitación, incluyendo el detector de error del regulador de voltaje, compensadores, y estabilizadores del sistema de excitación y limitadores. Cabe señalar que la especificación de los parámetros del regulador de voltaje no es suficiente para obtener el rendimiento deseado. Parámetros como la tensión límite, ganancias del estabilizador del sistema de excitación y las constantes de tiempo, además de los parámetros de la máquina síncrona, y la impedancia del sistema de potencia afectan en gran medida el rendimiento del sistema de control de excitación. El control de la tensión en bornes de estado estacionario es la función principal del regulador de máquina síncrona. El regulador puede influir en la estabilidad de la máquina síncrona a modo local o en frecuencias de interconexión dependiendo de el ancho de banda, ganancia, y del campo obligando a las capacidades del sistema de control de excitación, que incluye el regulador de la máquina síncrona, el del excitador, la máquina síncrona, y la alimentación del sistema. Estabilizadores tales como el estabilizador del sistema de energía 108

133 puede ser incluido como funciones de control adicionales en el regulador de la máquina sincrónica Control Manual de Rendimiento. El control manual normalmente regula la tensión de campo de la máquina síncrona en un rango de 30% de la tensión de campo al vacío a la tensión de campo máxima requerida por la máquina síncrona bajo carga. El control manual normalmente proporciona la excitación durante el arranque hasta que el voltaje en las terminales alcanza un valor preestablecido. También sirve como un controlador de respaldo si el control automático falla. Los requisitos de rendimiento para el control manual son tradicionalmente bastante mínimos. El control suele ser bastante simple con el fin de proporcionar un sistema de respaldo de control de alta fiabilidad. El fabricante normalmente define los parámetros y la respuesta del sistema de control asociado Rendimiento de control Automático (incluyendo la máquina síncrona). El regulador de la máquina síncrona, incluyendo sus funciones limitar y estabilizar, regula la tensión de la máquina síncrona en las terminales mediante la aplicación de una señal de control al excitador. El regulador, el excitador, la máquina, y el sistema de potencia influyen en la respuesta de tensión en los terminales. El sistema de control que incluye todas estas influencias se conoce como el "sistema de control de la excitación." 109

134 Sólo el rendimiento de las partes de este sistema que están siendo adquiridas puede ser especificado. Rendimiento en estado estacionario. La respuesta del sistema de excitación para disminuir las variaciones en la en la carga, la frecuencia y la temperatura ambiente constituye el rendimiento de estado estacionario. El término "regulación de en la carga" es la magnitud del cambio de voltaje debido a un cambio en la carga, el cambio en la carga asumido por la máquina síncrona es al vacio y en plena carga, a menos que se especifique lo contrario. Una regulación de la carga de ± 0,5% de tensión en bornes nominal es típica. Rendimiento en pequeña señal. Características de pequeña señal se refieren a las respuestas donde las no linealidades en la operación del sistema de control de excitación pueden ser descuidadas. Los transitorios y las respuestas en frecuencias asociadas a sistemas de control retroalimentado son la base para la especificación de rendimiento pequeña señal. El tiempo de subida, el sobrepaso máximo, y el tiempo de establecimiento son las principales características de interés en la especificación de la respuesta transitoria. Las características de la respuesta de la frecuencia a lazo abierto proporcionan una indicación de los márgenes de estabilidad y de las características principales de interés como son la ganancia de baja frecuencia, frecuencia de cruce, el margen de fase y el margen de ganancia. Por otro lado, las características de respuesta de frecuencia de lazo cerrado se relacionan con las características de respuesta 110

135 transitoria y proporciona una indicación de la respuesta en pequeña señal. Las características de interés son el ancho de banda, el valor máximo de la respuesta de amplitud y la frecuencia con la que este máximo se produce. Si la máquina síncrona, el excitador, y el regulador se compran juntos con el mismo fabricante, el rendimiento dinámico fuera de línea del sistema de control de excitación puede ser especificado usando parámetros de respuesta transitoria y de frecuencia. Sin embargo, si sólo una parte de sistema de control de excitación es adquirida, entonces el comportamiento dinámico de la porción que se compre debe ser especificadas de una manera que permita al fabricante demostrar el cumplimiento con la especificación de fábrica donde la parte restante del control de excitación sistema no está disponible. Los sistemas con alta respuesta inicial. Un sistema de alta respuesta inicial de excitación es capaz de alcanzar el 95% de la diferencia entre la tensión de límite máxima disponible y la tensión de campo nominal en la carga en 0.1 s o menos. Cuando estos sistemas son requeridos, su rendimiento puede ser especificado en términos de las características de respuesta en frecuencia medida de la terminal de la tensión de referencia a la salida el excitador. Ellos inherentemente tienen una respuesta esencialmente plana desde DC a cierta frecuencia especificada a la cual la ganancia es de 3 decibelios por debajo del valor de corriente continua. La respuesta de fase está un ángulo pequeño hasta una frecuencia 111

136 determinada donde se identifica un ángulo de fase máxima. Con frecuencia, el uso de características de alta respuesta inicial puede ser deseable para la estabilidad de un generador o un sistema en aplicaciones críticas del sistema de potencia. Esta característica se puede incluir en excitadores de CA y de excitadores de fuente compuesta y es una característica del excitador estático de fuente potencial. Sistemas sin alta respuesta inicial. Aunque algunos sistemas de excitación que emplean excitadores de rotación pueden tener una respuesta más lenta que un sistema de excitación de alta respuesta inicial, la principal diferencia está en el rendimiento en gran señal en lugar del rendimiento en pequeña señal. Una reducción de la ganancia nominal o transitoria de retroalimentación se utiliza para aumentar la ganancia del lazo y el margen de fase. Las especificaciones están normalmente en términos similares a las unidades de la respuesta en frecuencia de alta respuesta inicial. Estabilizador de la excitación (realimentación nominal). Para muchos sistemas de control de excitación diseñados e instalados en la actualidad, la respuesta en pequeña señal esta determinada por la configuración de la ganancia del regulador de la máquina sincrónica además de la ganancia y la constante de tiempo del estabilizador de la excitación. 112

137 Tradicionalmente, los sistemas han utilizado algún tipo de retroalimentación nominal para proporcionar la acción estabilizadora, especialmente cuando se utilizan excitadores de rotación. Estabilizador de la excitación (reducción de la ganancia transitoria). En algunos sistemas de excitación, la función del estabilizador de la excitación se logra mediante la reducción de la ganancia transitoria. No es común que ambas, retroalimentación nominal y la reducción de ganancia transitoria, sean ser empleados al mismo tiempo. La reducción de la ganancia transitoria se utiliza para reducir la ganancia en la banda específica de frecuencias donde nos preocupa la inestabilidad de nuestro sistema de potencia. Rendimiento de gran señal. Las características de rendimiento de gran señal se refieren a las respuestas de la tensión en los terminales ante los cambios repentinos en la carga de los grandes sistemas que se caracterizan por la operación no lineal del control del sistema de excitación. La medida en que el sistema de excitación pueden contribuir positivamente a la primera oscilación o la estabilidad transitoria depende de la diferencia de la capacidad de forzar un voltaje positivo en el sistema de excitación de la maquina, la lucha contra el efecto de la corriente de campo de la máquina sincrónica, y el efecto de retrasar la constante de tiempo del campo de la máquina. Normalmente, los parámetros que se especifican para los 113

138 sistemas de alta respuesta inicial son la respuesta nominal del sistema de excitación y el nivel de voltaje de la fuente para excitadores de fuente de potencial y, además, el nivel de la fuente de corriente para excitadores de fuente compuesta. En la determinación de los parámetros especificados, el efecto de limitadores de corriente debe ser considerado. Estos parámetros, si se especifican, debe ser en las condiciones más adversas. Para los sistemas de no alta respuesta inicial, sólo la especificación de la respuesta del sistema de excitación nominal es necesaria. En ciertas aplicaciones específicas, la respuesta del sistema de control de excitación bajo determinadas operaciones probables debe ser considerada. El rechazo de carga y el exceso de velocidad resultante es una de esas operaciones, especialmente para máquinas hidráulicas. El sistema de control de excitación debe mantener la tensión en los terminales dentro de límites aceptables, a pesar de que la operación esté fuera de la frecuencia como resultado de exceso de velocidad. La puesta en marcha y parada se consideran las operaciones de rutina. Requisitos específicos relacionados con estas operaciones deben ser especificados. Condiciones de falla del sistema de potencia, operación baja frecuencia, y su impacto en los requisitos de la fuente del sistema de excitación deben ser consideradas Funciones de control Auxiliares. Hay una serie de funciones de control auxiliares que afectan el desempeño del sistema de control de excitación. Son auxiliares por que no pueden ser incluidos en todas las aplicaciones o por que pueden estar activas sólo en condiciones específicas. Por lo 114

139 general son incluidos como componentes en el sistema de excitación de la máquina síncrona y no son funciones de protección, a pesar de que puede realizar funciones estrechamente asociadas a ciertas funciones de protección. Los modernos sistemas de excitación suelen incluir tanto el control auxiliar y las funciones de protección de la máquina sincrónica. En algunos casos, ambas funciones se pueden integrar en la misma caja. Con frecuencia las funciones incorporadas son sobreexcitación, sobrexcitación y limitadores V / Hz. Compensadores. Existen varios tipos de compensación disponibles en la mayoría de sistemas de excitación. Compensación de la corriente activa y reactiva de la máquina sincrónica son las más comunes. Ya sea conexiones de compensación por caída de reactivo o compensación por caída de línea las puede utilizarse, simulando una caída de la impedancia y una regulación efectiva en algún otro punto de los terminales de la máquina. La impedancia o el rango de ajuste y el tipo de compensación deben ser especificados. Estabilizadores del sistema. Existen varios tipos de estabilizadores en uso con los sistemas de excitación. El estabilizador del sistema de excitación se refiere a un elemento de control que se utiliza para estabilizar el sistema de control de excitación. El estabilizador de potencia (PSS) se utiliza para proporcionar amortiguación a las frecuencias del sistema de energía asociadas con los modos de oscilación locales y de Interconexión. La persona encargada de la 115

140 especificación debe tener conocimiento de la posible indeseable interacción de la PSS con las frecuencias naturales de torsión del sistema del eje mecánico de la máquina. Para evitar que esto ocurra, los filtros y dispositivos de protección pueden ser necesarios para atenuar las señales de torsión y disparar el PSS por fallo del circuito de control. Los estabilizadores de torsión. El uso de condensadores en serie en líneas de transmisión eléctrica crea circuitos sintonizados cuyas frecuencias naturales pueden coincidir con las frecuencias naturales de resonancia del eje de torsión mecánica de la máquina síncrona. Sistemas de excitación con la respuesta de frecuencia suficientemente amplia puede ser equipado con sistemas control para lograr torques de amortiguación positivos en estas frecuencias. Estos controles suelen ser bastante complejos. Se debe incorporar el control, vigilancia, y los circuitos de protección debido al peligro de graves daños a la máquina caso de que el control opere incorrectamente. Limitador de Subexcitación. El limitador de subexcitación se incluye en la mayoría de las aplicaciones para evitar la operación que podría causar un sobrecalentamiento en la región del extremo del estator de la máquina síncrona o inestabilidad y la pérdida de sincronismo. Su desempeño es usualmente especificado mediante la identificación de la región de acción del limitador en la curva de capacidad de la máquina sincrónica. Su desempeño debe ser coordinado con la pérdida de protección de excitación prevista para la máquina síncrona. 116

141 Limitador de sobreexcitación. El limitador de sobreexcitación se utiliza principalmente para evitar el sobrecalentamiento del devanado de campo de la máquina síncrona. La sobrecarga admisible térmica de esta bobina es inversamente proporcional al tiempo y, por tanto, la acción del limitador se puede retrasar. Sin embargo, ciertos excitadores pueden estar equipados con un limitador adicional de acción instantánea. Este limitador se incorpora a menudo en un control de múltiples pasos y el conjunto de protección para el devanado de campo. Limitador Volts / Hertz. El limitador V / Hz se emplea para prevenir el sobrecalentamiento que puedan derivarse de un flujo excesivo magnético debido a la operación en baja frecuencia u operación de sobretensión, u ambos. Es comúnmente usado donde una máquina síncrona está conectado a un sistema de potencia a través de un transformador y un circuito interruptor automático de tal manera que el transformador es energizado durante el arranque y apagado de la máquina síncrona, sometiendo así al transformador a bajas frecuencias operación. También se utiliza para proteger la máquina sincrónica de los niveles de flujo, ya que pueden ocurrir cuando la máquina no está cargada. Por otra parte, también se utiliza cuando dos máquinas síncronas son utilizadas o empezaron juntas, una como un motor y la otra como un generador. En este tipo del operación, el limitador volts / Hz actúa para elevar la tensión en los terminales a medida que aumenta la frecuencia. 117

142 Consideraciones sobre el control. Muchos dispositivos asociados con el control del sistema de excitación deben ser consideradas. En general, el objetivo es obtener del fabricante un paquete completo que requiera solo la instalación y el cableado en la estación. Es esencial la coordinación del diseño de los equipos de control con el fabricante, con el hardware de control de supervisión y con las especificaciones de rendimiento del sistema de excitación Desexcitación. Es necesario un instrumento eficaz y confiable de desenergización de la máquina síncrona. Un disyuntor principal de campo con una resistencia de descarga puede ser utilizado para las máquinas sincrónicas equipadas con anillos deslizantes. Para excitadores de rotación de CA y CC, un disyuntor de excitación de campo con una resistencia de descarga se puede utilizar. Un disyuntor de alimentación de CA puede ser apropiado para algunos diseños de excitadores estáticos de fuente potencial. Algunas configuraciones de los excitadores estáticos de fuente compuesta permiten el uso de un disyuntor de cortocircuito Unidad de Control Manual. El control manual puede ser implementado mediante un reóstato de campo en el caso de excitadores de rotación de corriente continua. Un sistema de ajuste de base se utiliza con frecuencia en excitadores rectificadores de rotación. En la mayoría de otros tipos 118

143 de excitadores, algún tipo de regulador de corriente continua es incluido para proporcionar el control del la tensión de excitador. La transferencia automática a control manual puede ser consecuencia de la protección de sobrevelocidad, por sobreexcitación (sobretensión, sobrecorriente). La transferencia manual por parte del operador es útil para realizar el respectivo mantenimiento Unidad de Control Automático. Si el control automático es especificado, la interfaz entre los equipos suministrado por el usuario y los suministrados por el fabricante debe ser definido. Un requisito típico de los fabricantes consistiría en proporcionar un cambio específico en la tensión terminal o la potencia reactiva en cada cierre de un contacto. La duración de cada cierre de contacto también se debe especificar. Se debe considerar la necesidad de control y supervisión de la operación del sistema de excitación desde un sitio remoto. Incluso en sistemas totalmente automatizados, puede ser prudente para tener algún tipo de capacidad de operación manual remota. La disposición de verificar la integridad del enlace de comunicación puede ser de importancia. También es importante incluir las luces indicadoras y aparatos de medición. Las pruebas en línea del sistema de excitación en operación, de cualquiera de los sitios locales o remotos, pueden ser deseables. En tal caso el usuario debe designar a los parámetros que se van a medir, y el fabricante debe proporcionar puntos de acceso cómodo en el circuito de control. 119

144 Unidad automática Arranque / Paro. Si el arranque automático y / o paro se ha especificado, las interfaces entre los equipos suministrados por el usuario y equipos suministrado por el fabricante debe estar especificados. Una especificación típica obligar al fabricante a proporcionar todo el equipo necesario para colocar el sistema de excitación en operación (o para sacarlo de operación) al cierre de un contacto. El posicionamiento automático de todos los puntos de ajuste de los controles ajustables debe ser abordado. Esto es generalmente necesario para los controles de pre-establecido, ya sea antes del inicio automático o después del apagado automático Unidad de acople automático de tensión. Es común que se incluya la capacidad de ajuste automático de voltaje en relación con equipos de sincronización automática. Deben tenerse en cuenta los requisitos de interfaz entre el sincronizador automático y los equipos de excitación Ajustadores del Punto de Ajuste (Set-Point). La operación de los equipos de excitación para aumentar o bajar la tensión o el reactivo se puede lograr de varias maneras. El método más comúnmente utilizado son ajustadores de punto de ajuste (set-point) accionadas por motor eléctrico. Señales analógicas o digitales de los equipos de control automático puede ser necesario en algunas aplicaciones. La asignación de la interfaz entre equipos suministrado por el usuario y suministrados por el fabricante deben ser especificados. Es importante especificar el rango 120

145 de operación del set-point en términos de la tensión en bornes. La operación de subir y bajar un contacto, esto podría tomar la forma de un tiempo de cierres especificados o número de cierres que permitan un cambio especificados en la tensión terminal o la potencia reactiva. La necesidad de la operación remota de set point deben ser considerada junto con la necesidad de la operación local en el lugar de los equipos de excitación. En los sistemas automatizados, la necesidad de operación manual, así como el funcionamiento automático debe ser considerada Seguimiento de Punto de Ajuste. En muchas aplicaciones, es importante tener en cuenta la necesidad de un equipo de seguimiento del punto de ajuste. Este equipo hace un punto de ajuste manual para realizar un seguimiento de los requisitos de excitación para el punto de funcionamiento de la máquina síncrona, por lo que, en caso de un fallo del control automático, el sistema de excitación tendría un punto de ajuste manual apropiado Interfaz del Circuito de Control de los Circuitos de la Planta de Energía. La de interfaz entre los circuitos control de excitación y circuitos de la central eléctrica pueden estar en una variedad de tensiones y corrientes. La coordinación entre el usuario y el fabricante es necesaria para facilitar el diseño. Una amplia gama de tensiones de corriente continua se utilizan en los circuitos de control, incluyendo los circuitos de la 121

146 batería estándar de 48, 125 o 250 voltios de corriente continua. El alcance nominal de la tensión corriente continua debe ser especificado. Un rango típico es de 80% a 115% debido a la carga y a las condiciones de carga de la batería. Una amplia gama de tensiones corriente alterna también son utilizados en los circuitos de control, incluidas las tensiones estándar de 120, 240, 480 o 600 volts. Tensiones monofásicas y trifásicas son utilizadas. Una vez más, el rango deben estar especificados y un rango típico es de 110% a 90%. Deben tenerse en cuenta el tipo y número de transformadores de instrumentación necesarios para proporcionar el voltaje de corriente alterna y las señales de de corriente para el sistema de excitación. También debe tenerse en cuenta el tipo y el número de transductores necesarios para monitorizar los parámetros de excitación del sistema. Si los disyuntores son requeridos en la alimentación del circuito de control, deben estar especificados, incluyendo la ubicación si procede Consideraciones de protección. La protección se dividen generalmente en dos categorías: la protección del sistema de de excitación en sí y la protección de equipo externos al sistema de excitación Acción de Protección. La especificación del sistema de excitación debe ser coordinada con los dispositivos capaces de detectar las condiciones externas al equipo que puede causar daños en el equipo de excitación y a la máquina síncrona. Tales condiciones pueden incluir sobretensión del 122

147 generador, la pérdida de campo del generador, sobreexcitación del campo del generador, corriente inversa por deslizamiento de polos, y excesivos volts / Hz en la máquina sincrónica y en el transformador elevador. Condiciones internas dentro del sistema de excitación que requiere los dispositivos de protección incluyen la pérdida de enfriamiento de los rectificadores y el desequilibrio de la fase del excitador. Los circuitos de protección en el sistema de excitación pueden ser considerados, que regresen el nivel de excitación un punto predeterminado después de un período de sobreexcitación. Esto puede incluir la transferencia de la excitación al modo de control manual Acción de Anunciación. La Anunciación dentro el sistema la excitación sirve para alertar a los operadores de los problemas potenciales que deben ser considerados, para ayudar en la determinación de las condiciones que pueden haber causado un disparo en el sistema de la excitación, y para minimizar el tiempo de reparación equipo. La anunciación a veces es proporcionada por la pérdida de fuentes de alimentación de control, pérdida de sensores del regulador, y en el fallo de tiristores, diodos, fusibles, y altas temperaturas dentro la cabina del la excitador. 123

148 Consideraciones ambientales y del recinto Medio Ambiente. El medio ambiente en que el sistema de excitación deberá ser colocado está claramente definido y además están especificados los requisitos pertinentes. Entornos en los que exponen los sistemas de excitación a: transitorios eléctricos, interferencias de radio, las temperaturas extremas, humedad, altitud, vibraciones, ambientes corrosivos, o cualquier condición inusual deben ser especificados. También se debe tener en cuenta la interferencia generada por los sistemas de excitación. Cualquier requisito especial, como tropicalización (encapsulación, protección de la humedad, roedores, insectos) o requisitos sísmicos también deberá indicarse. La información detallada de refrigeración debe especificarse al fabricante Recinto. Cuando la ubicación final en el planta ha sido determinada, un recinto adecuado deben ser especificados por el usuario. Su conveniencia depende de varios factores. Las eespecificaciones deberían mencionar aspectos como la facilidad de acceso y remoción de artículos o de algún equipo en particular dentro del recinto. Si el recinto tiene acceso a todas las partes, puede ser conveniente especificar las puertas en todos los lados para facilitar el mantenimiento. En función de las limitaciones de temperatura, las rejillas de ventilación adecuada o persianas deben ser incluidas para la refrigeración o ventilación 124

149 necesaria o ambas cosas, sobre todo si son utilizados ventiladores de refrigeración. Otras consideraciones deben incluir filtros de polvo y rejillas de ventilación proyectada a prueba de roedores. Algunas consideraciones adicionales, según la planta de energía especificada, pueden ser las siguientes: 1. Montado de instrumentos de control para la operación, pruebas, y ajuste 2. Montado de pulsadores e interruptores para controles manual / automático 3. Pintura / acabado 4. Construcción a) Terminales y conectores b) Cableado / marcado del cable i. Inflamabilidad de aislamiento ii. materiales peligrosos c) Placas de identificación d) La protección contra incendios e) Exterior / interior i. Hermeticidad, prueba de goteo, a prueba de polvo, salpicaduras. ii. Intercambiadores de calor, aire acondicionado f) Restricciones dimensionales g) Sísmica h) Calentadores / termostatos i) Las puertas / paneles / accesibilidad j) Manijas / cerraduras / cierres k) La ubicación del cable de entrada, los métodos de sellado l) Montaje y anclaje m) Interruptor de enclavamiento n) Puesta a tierra o) Protección personal p) Circuito de aislamiento / barreras q) La iluminación interior /receptáculos /comunicación r) Nivel de ruido audible, EMI (interferencias electromagnéticas), RFI (interferencia de radio frecuencia), TIF (factor de influencia telefónica) 125

150 Instrumentos y controles para montaje remoto. Instrumentos, interruptores y pulsadores o controles, son necesarios para el montaje remoto de un panel de control que ha sido proporcionada por los demás. Si el equipo excitación del sistema debe ser diseñado para el control remoto, se pueden incluir las siguientes funciones: 1. Control del regulador del punto de ajuste de tensión del generador. 2. Control del regulador de ajuste manual. 3. La colocación del sistema de excitación dentro o fuera de servicio. 4. Prueba de operación del sistema de excitación. 5. Indicación de la de tensión de excitación sistema, la corriente de campo, y todos los otros parámetros que el fabricante considere pertinentes para la operación del sistema de excitación. 6. Todas las luces indicadoras, según sea necesario, para el usuario y recomendado por el fabricante Información que debe facilitarse por el fabricante. La información del sistema de excitación que es necesario para llevar a cabo eficientemente los proyectos de ingeniería, montaje, pruebas, reparación y operación de todos los componentes de de excitación es requerida. 126

151 Información que pueden ser suministrados en el momento de la presentación de propuestas. Si así lo solicita, el fabricante deberá proporcionar los datos de desempeño del sistema de excitación con una descripción escrita de los principios de funcionamiento. Por lo general, estas solicitudes pueden incluir planos de esquema típicos de los componentes de excitación que muestra las dimensiones aproximadas Información proporcionada antes de la entrega del equipo. El fabricante deberá presentar planos y material descriptivo al comprador para su revisión de la siguiente manera: 1. Después de la adjudicación del contrato y la aprobación de ingeniería, debe proporcionarse dibujos que muestren dimensiones reales y pesos de los componentes principales del sistema excitación dentro de un tiempo designado. 2. Después de la adjudicación del contrato y la aprobación de ingeniería, se deben incluir planos que muestran los detalles de los requisitos con fundamento, planos de cableado, los modelos matemáticos para su uso en simulaciones y diagramas esquemáticos de todas las partes del sistema excitación, incluyendo todos los componentes necesarios para la 127

152 interconexión y los dispositivos auxiliares necesarios para hacer el sistema completo, esto se debe entregar dentro de un tiempo designado Información que deben tener los equipos cuando son entregados. El fabricante debe proporcionar las instrucciones y / o manuales de operación y mantenimiento del aparato en detalle y los procedimientos recomendados para el montaje, las disposiciones de montaje, desmontaje, mantenimiento, diagnóstico de problemas, y el funcionamiento del sistema de excitación y de sus componentes. En general, los manuales deben incluir como mínimo lo siguiente: 1. Datos técnicos incluidos los pesos de todos los componentes principales. 2. Todas las correspondientes hojas de fabricante, manuales de instrucciones, y dibujos, o ambos, preparado para los distintos componentes de los subproveedores. 3. Procedimientos para el montaje, desmontaje, ajuste, operación, reparación y mantenimiento del sistema excitación, incluyendo recomendaciones para las partes de repuesto. 4. Requisitos de lubricación, incluyendo una lista de lubricantes recomendados para todos los componentes que requieren la lubricación. 5. Un conjunto de planos de montaje o boletines impresos que muestran todos los componentes de los equipos individuales y que indican el número que 128

153 identifica cada elemento componente, con la denominación comercial común Fotografías. Fotografías del equipo completo o parcial puede ser parte de la instrucción o el manual de mantenimiento, o ambos, siempre que sea posible o práctico Procedimiento de revisión del plano durante la etapa del proyecto. El fabricante debe presentar el plano y material descriptivo para el comprador de una manera oportuna y de conformidad con el cronograma estipulado Revisión del plano después de que el montaje es completado. El fabricante debe poner en práctica todos los cambios de campo en los planos correspondientes, o bien ofrecer un addendum o una revisión de los planos correspondientes, previamente designado como planos "de fábrica". Estos planos a continuación, deben recibir la condición de "como instalado." 129

154 3.5. Norma IEEE Std IEEE: Prácticas Recomendadas para los Modelos de los Sistemas de Excitación y Estudios de Estabilidad de Sistemas de Potencia. [19] Representación de los sistemas de la máquina sincrónica de excitación en los estudios del sistema de energía. El diagrama general de bloques funcionales se muestra en la figura P, esta indica diversos subsistemas de excitación de la máquina síncrona. Estos subsistemas pueden incluir un transductor de tensión en los terminales y el compensador de carga, los elementos de control de excitación, un excitador y en muchos casos, un estabilizador de potencia (PSS). Figura 32: Diagrama general de bloques funcionales para diversos subsistemas de excitación de la máquina síncrona. [19]. 130

155 Los elementos de control de excitación incluyen la regulación de la excitación y las funciones de estabilización. Las condiciones del estabilizador del sistema de excitación y la reducción de ganancia transitoria se utilizan para describir los circuitos en varios de los modelos comprendidos en los elementos de control de la excitación mostrado en la figura P que afectan a la estabilidad y la respuesta de dichos sistemas. Las salida de la UEL (limitador de subexcitación) puede ser recibido como una entrada al sistema de excitación ( ) en varios lugares, ya sea como una entrada de suma o como una entrada cerrada, pero para cualquier aplicación del modelo, sólo una de estas entradas será utilizada. Para el OEL (limitador de sobreexcitación) algunos modelos ofrecen una puerta a través del cual la salida del limitador de sobreexcitación o limitador de tensión en los terminales ( ) podría entrar en el lazo del regulador. Hay tres tipos distintos de sistemas de la excitación que son identificados dependiendo de la fuente de alimentación de la excitación como se verá a continuación: a) Sistemas de excitación tipo CC, que utilizan un generador de corriente continua con un conmutador como la fuente de excitación del sistema de potencia. 131

156 b) Sistemas de excitación tipo AC, que utilizan un alternador y, o bien rectificadores fijos o rotativos para producir la corriente necesaria para el campo de la máquina síncrona. c) Sistemas de excitación tipo ST, en los que se suministra potencia de excitación a través de transformadores o devanados auxiliares del generador y rectificadores. Las siguientes funciones son comunes a la mayoría de sistemas de excitación y se identifican y describen como sigue: 1. El sensor de tensión y compensación de carga 2. Estabilizador del sistema de energía 3. Limitador de sobreexcitación 4. Limitador Subexcitación 5. Factor de potencia y de control de potencia reactiva 6. Los controles de excitación discontinua Máquina Síncrona, terminales del transductor de tensión y modelos del compensador de corriente. La compensación de corriente activa y reactiva en la maquina síncrona son los mas comunes. Cualquier compensación de caída de reactivo, y/o caída de línea debe ser utilizada, simulando una caída en la impedancia y la regulación efectiva en algún otro 132

157 punto de los terminales de la máquina. Se llama compensación de caída debido al efecto de disminución que tiene la tensión en terminales ante un aumento de la potencia reactiva de la unidad. La compensación de caída de línea, también es conocida como compensación de caída de transformador, y se refiere al acto de la regulación de tensión en un punto hasta cierto punto dentro del transformador elevador de un generador o, menos frecuentemente, en algún punto a lo largo de la red de transmisión. Esta compensación produce un aumento de la tensión terminal como respuesta al aumento de la potencia reactiva. Un diagrama de bloques del transductor en las terminales de tensión y del compensador de carga se muestra en la figura 33. Cuando la compensación de carga no se emplea (, el diagrama de bloques se reduce a un simple circuito de detección. La tensión en bornes de la máquina síncrona se detecta y se suele reducir a una cantidad de corriente continua. Mientras que el filtrado asociado con el transductor de tensión puede ser complejo, por lo general se puede reducir, para fines de modelación, a solo la constante mostrada. Para muchos sistemas, esta constante de tiempo es muy pequeña y es conveniente asumirla como cero. RT 133

158 Figura 33. Transductor de tensión en los terminales y elementos opcionales de compensación de carga. [19]. V La tensión en los terminales de salida del transductor, C, se compara con una referencia que representa el valor de tensión deseada en las terminales, como se muestra en cada uno de los modelos de excitación del sistema. El equivalente de la señal de voltaje de la referencia del regulador, VREF, se calcula para satisfacer las condiciones iniciales de operación. Así se obtendrá un valor único a la condición de carga de la maquina sincrónica en estudio. El error resultante se amplifica como se indica en cada modelo de los diferentes sistemas de excitación. Sin esta compensación, para el sistema de excitación le será mas difícil lograr establecer la tensión de la maquina en los niveles correspondientes. Este tipo de compensador se utiliza normalmente en alguna de los siguientes casos: a) Cuando dos maquinas síncronas trabajan juntas y no poseen una impedancia entre ellos, este compensador se utiliza para crear una impedancia de acople artificial entre ellas para que estas compartan la potencia reactiva adecuadamente. b) Cuando dos o más maquinas síncronas están conectadas a través de transformadores individuales, puede ser conveniente para lograr regular la tensión en bornes que se encuentren mucho mas allá de la maquina. 134

159 Tipo DC: Excitador Conmutador de Corriente Directa. En la actualidad estos tipos de sistemas de excitación se producen en menor cantidad, debido a que han sido remplazados y superados por los sistemas de excitación estáticos y de corriente alterna Modelo del sistema tipo DC1A. [19] [26]. Este modelo, el cual se representa en la figura 34, se utiliza para representar excitadores de corriente directa conmutables, controlados por el devanado de campo con reguladores de tensión de acción continua, especialmente los amplificadores rotativos, amplificadores magnéticos o amplidinas. Este tipo de sistema muchas veces se utiliza para representar sistemas cuando no se tiene información detallada de esos sistemas que se requieren, o para lograr un modelo mas simplificado de análisis. Figura 34. Modelo del sistema tipo DC1A. [19]. 135

160 La entrada principal para el modelo en estudio es la salida del transductor de tensión y compensador de carga. En el punto de suma, se realiza la diferencia de con. La retroalimentación de de estabilización es restada y la señal del PSS,, es sumada para producir la señal de error del voltaje. Durante el estado permanente, éstas ultimas dos señales son cero, y actúa solamente el error de voltaje en las terminales. La señal resultante es amplificada en el regulador. La mayor constante de tiempo,, y la ganancia, están asociadas con el regulador de voltaje e incorporan los límites de non-windup típicos de la saturación o limitaciones del amplificador de potencia. Estos reguladores de voltaje utilizan fuentes que esencialmente no están afectadas por transitorios de corta duración en la máquina sincrónica o buses auxiliares. Las constantes de tiempo,, pueden ser utilizadas para modelar las constantes de tiempo inherentes del regulador de tensión, pero usualmente son tan pequeñas que se desprecian. La salida del regulador de voltaje,, es utilizada para controlar el excitador, que puede ser autoexcitado, o excitado independiente. Cuando se utiliza un excitador autoexcitado, el valor de se refleja en el ajuste del reóstato de campo. La mayoría de estos excitadores, utilizan el devanado de campo autoexcitado con el regulador de tensión operando en un modo denominado como back-boost. La mayoría de los operadores de 136

161 planta ajustan el AVR manualmente cambiado la posición del reóstato para obtener un valor de, tal que las condiciones iniciales se satisfagan con. Para sistemas con excitación independiente el valor de debe ser igual a 1 para que puedan ser simulados apropiadamente. El término es una función no lineal con un valor definido para cada valor escogido de. La salida de este bloque de saturación, es el producto de la entrada,, y el valor de la función no lineal,, bajo la tensión del excitador. Finalmente, una señal derivada de la tensión de campo,, es utilizada para proveer estabilización al sistema de control de excitación a través de la ganancia de razón de retroalimentación,, y la constante de tiempo, Modelo del sistema tipo DC2A. [19][26]. Este modelo difiere del modelo DC1A solamente, en los límites de la salida del regulador de tensión, los cuales ahora son proporcionales a la tensión terminal. Este modelo se representa en la figura

162 Figura 35. Modelo del sistema tipo DC2A. [19] Modelo del sistema tipo DC3A. [19][26]. Los modelos DC1A y DC2A son representativos de los sistemas de control de excitación de la primera generación de alta ganancia y de excitatrices de acción rápida. El modelo DC3A es utilizado para representar sistemas antiguos, en particular aquellos con excitadores conmutables de corriente directa con reguladores de acción continua. Estos sistemas básicamente responden a dos diferentes razones de cambio, dependiendo de la magnitud del voltaje de error. Para errores pequeños, el ajuste se realiza periódicamente con una señal que opera un reóstato operado por un servomotor. Errores mucho mayores causan que un conjunto de resistores sean cortocircuitados o insertados y se aplica una fuerte señal al excitador. La acción continua del reóstato operando por servomotor también se presenta durante grandes errores, pero está es desviada por medio de un contador. 138

163 La representación de este excitador es similar a la del sistema DC1A, con la diferencia de que no existe un lazo de estabilización. El regulador utiliza diferentes modos de operación dependiendo de la magnitud de error del voltaje: (3.5-1) Si el error de tensión es mayor que el ajuste de aumento rápido,, o es aplicado al excitador, dependiendo de la polaridad del error de tensión. Para un valor absoluto de error de tensión menor que, la entrada del excitador es equivalente al ajuste del reóstato,. El ajuste del reóstato se varia dependiendo del signo de error. El tiempo de manipulación que presenta la acción continua del servomotor del reóstato es. Un límite non-windup se muestra a través de este bloque para representar el hecho que, cuando el reóstato alcanza cualquiera de los límites, está listo para abandonar el límite inmediatamente después de que la señal cambia de signo. El modelo no toma en cuenta los cambios en las constantes de tiempo en el campo de excitación como resultado del cambio de la resistencia de campo. 139

164 Figura 36. Modelo del sistema tipo DC3A. [19] Modelo del sistema tipo DC4B. [19]. Estos sistemas de excitación utilizan un excitador de campo controlado por un colector DC con un regulador de tensión que actúa continuamente cuando obtiene la señal de las terminales del generador o del bus auxiliar. La sustitución de los controles es como una actualización para dar lugar a nuevos modelos. Este sistema de excitación por lo general incluye un controlador PID junto con el regulador de tensión del Generador AVR. Este modelo se muestra en la figura

165 Figura 37. Modelo del sistema tipo DC4B [19]. 141

166 Tipo AC: Sistemas de Control de Excitación de Corriente Alterna. Estos sistemas de excitación utilizan un alternador de corriente alterna o rectificadores estacionarios o rotativos para producir la corriente directa requerida por el devanado de campo del generador. Los efectos de la carga sobre estos excitadores son significativos, y el uso de la corriente de campo como entrada a los modelos permite que estos efectos sean representados con precisión. Estos sistemas no permiten el suministro de una corriente negativa en el devanado de campo (a excepción del modelo AC4A) Modelo del sistema tipo AC1A. [19][26]. En la figura 38 se presenta los sistemas de control de campo, controlado por rectificadores no-controlados y alternador. El excitador no emplea autoexcitación, y la potencia del regulador del voltaje proviene de una fuente que no es afectada por transitorios externos. Las características del puente de diodos en la salida del excitador imponen un límite inferior de cero en el voltaje de salida del excitador, como se presenta en la figura 38. El efecto desmagnetizado de la corriente de carga, en el voltaje de salida del excitador,, es considerada en el lazo de retroalimentación que incluye una constante. Esta constante es una función de las reactancias síncrona y la transitoria del alternador que función como excitador. 142

167 La caída de tensión en la salida del excitador debido a la regulación de los rectificadores de simula a través de la constante, ésta es función de la reactancia de conmutación, y por medio de la curva de regulación (se mostrará en el siguiente capitulo). En el modelo, la señal, proporcional a la corriente de campo del excitador, se deriva de la suma algebraica se la señal de tensión de salida del excitador multiplicada por que representa la saturación, y la señal multiplicada por el término de desmagnetización. La señal del devanado de campo del excitador, se utiliza como la entrada al bloque de estabilización del sistema de excitación con salida. Figura 38. Modelo del sistema tipo AC1A. [19]. 143

168 Modelo del sistema tipo AC2A. [19]. El modelo mostrado en la figura 39, representa un respuesta inicial alta de control de campo, controlada por un sistema de excitación rectificador alternador. La excitación del alternador principal se realiza mediante rectificadores no controlados. Este modelo es similar al modelo AC1A a excepción de la inclusión de un excitador de compensación de tiempo constante y un excitador de corriente de campo con elementos limitadores. La constante de tiempo de compensación del excitador consiste esencialmente de una retroalimentación negativa directa,, alrededor de la constante de tiempo del excitador de campo, lo que reduce su valor efectivo y aumenta el ancho de banda de la respuesta de pequeña señal del sistema de excitación. La constante de tiempo se reduce por un factor proporcional al producto de la ganancia,, y, del lazo de compensación, y normalmente su orden es menor que la constante de tiempo son compensación. Para obtener una respuesta inicial alta con este sistema, se fuerza un voltaje muy alto,, y se aplica al excitador de campo. Un limitador de corriente de excitación de campo, sirve para permitir forzar a un punto alto, pero limitando la corriente. Al limitar la corriente de excitación de campo, la tensión de salida del excitador,, es limitada a un valor seleccionado, la cual generalmente es determinada por la respuesta nominal especificada del sistema de excitación. 144

169 Figura 39. Modelo del sistema tipo AC2A. [19] Modelo del sistema tipo AC3A. [19]. El modelo mostrado en la figura 40, representa un controlador de campo y un sistema alternador rectificador denominado AC3A. Este sistema de excitación incluye un alternador excitador principal con rectificadores no controlados. El excitador emplea la auto excitación, y la tensión de alimentación del regulador se deriva de la tensión de salida del excitador. Por lo tanto, este sistema tiene una no linealidad adicional, simulada por el uso de un multiplicador cuyas entradas son la señal de mando del regulador de tensión,, y la tensión de salida del excitador, y los tiempo. Este modelo es aplicable a los sistemas de excitación estáticos que emplean reguladores de tensión. Para estudios de estabilidad del sistema de potencia, el modelo de sistema de excitación maquina síncrona se simplifica. 145

170 Figura 40. Modelo del sistema tipo AC3A. [19] Modelo del sistema tipo AC4A. [19]. El modelo mostrado en la figura 41, es un sistema de excitación con un alternador suplidor, rectificador controlado, el cual es bastante diferente de los otros tipos de sistemas de corriente alterna. La respuesta inicial alta del sistema de excitación utiliza un puente de tiristores completo en la salida del circuito excitador. El regulador de tensión controla el disparo de los puentes de tiristores, el alternador del excitador utiliza un regulador de tensión independiente para el control de su tensión a un valor de tensión constante. Estos efectos no son modelados, sin embargo los efectos transitorios de carga en el excitador del alternador si están incluidos. La estabilización del sistema de excitación, frecuentemente se realiza en los sistemas de tiristores por una red de compensación en lugar de hacerlo mediante un índice de retroalimentación. Las constantes 146

171 de tiempo y permiten la simulación de esta función de control. La ganancia total equivalente y la constante de tiempo asociada con el regulador y/o disparo de los tiristores son simuladas mediante y respectivamente. Figura 41. Modelo del sistema tipo AC4A. [19] Modelo del sistema tipo AC5A. [19]. El modelo mostrado en la figura 42, es un modelo simplificado para sistemas de excitación sin escobillas. El regulador es alimentado mediante una fuente, como un generador de imanes permanentes, el cual no se ve afectado por perturbaciones del sistema. Como este modelo ha sido ampliamente aplicado por la industria, a veces se utiliza para representar otros tipos de sistemas cuando las informaciones detalladas de estos no están disponibles o por que se requieren modelos simplificados. 147

172 Figura 42. Modelo del sistema tipo AC5A. [19] Modelo del sistema tipo AC6A. [19]. El modelo mostrado en la figura 43, es usado para representar un sistema de excitación con control de campo y alternador rectificado, con un sistema proporcionado por reguladores de tensión electrónicos. La potencia máxima del regulador,, es una función de la tensión terminal. Figura 43. Modelo del sistema tipo AC6A. [19]. 148

173 Modelo del sistema tipo AC7B. [19]. Estos sistemas de excitación consisten en un alternador con rectificadores estacionarios o rectificadores rotatorios, para producir la corriente directa de campo requerida. Algunas de las características de estos sistemas de excitación incluyen un gran ancho de banda, un lazo interno de regulación de la tensión de campo del generador y corriente de excitación (, ), un límite rápido de corriente de excitación, para proteger el campo del alternador, y el PID del regulador de tensión (AVR) del generador. Un alternativo lazo de retroalimentación (, ) se proporciona para la estabilización por si acaso el AVR no posee un termino derivativo. Este sistema se muestra en la figura

174 Figura 44. Modelo del sistema tipo AC7B. [19]. 150

175 Modelo del sistema tipo AC8B. [19]. Esta basado en un regulador Basler DECS y se utiliza para sistemas de excitación sin escobillas. El AVR en este modelo consiste de un control PID, con constantes separadas para la ganancia proporcional, la ganancia integral, y la ganancia derivativa. Los valores para estas constantes se seleccionan para obtener el mejor funcionamiento posible de cada sistema de excitación en particular. El alternador sin escobillas se representa por medio de. Figura 45. Modelo del sistema tipo AC8B. [19] Sistemas de control de excitación estáticos (ST). [19][26]. En estos sistemas de excitación, el voltaje (y también la corriente en sistemas compuestos) es transformado a un nivel apropiado. Los rectificadores, controlados o no 151

176 controlados, proveen la corriente directa requerida por el devanado de campo del generador. Muchos de estos sistemas permiten la existencia de voltaje de campo negativo, pero la mayoría no proveen de corriente de campo negativa. Para varios de los sistemas estáticos, el voltaje máximo del excitador es muy alto, para tales sistemas, se deben de proveer circuitos de limitación para proteger al excitador y al rotor del generador. Estos elementos frecuentemente incluyen elementos de acción instantánea así como elementos con retardo Modelo del sistema tipo ST1A. [19]. El modelo ST1A representa a los sistemas de control de excitación de fuente de potencial y rectificadores controlados, se utiliza para modelar sistemas cuya potencia de excitación es administrada a través de un transformador desde las terminales del generador (o bus auxiliar) y regulados por rectificadores controlados. El voltaje máximo del excitador de estos sistemas está directamente relacionado con el voltaje nominal del generador. El modelo del sistema tipo ST1A se presenta en la figura 46. En este tipo de sistema, las constantes inherentes del excitador son muy pequeñas, y la estabilización del excitador puede no ser necesaria. Sin embargo, puede ser deseable para reducir la ganancia transitoria de estos sistemas debido a otras razones. El modelo presentado en la figura 46 es suficientemente versátil para representar la reducción transitoria de la ganancia implementada ya sea en la ganancia principal a través de las constantes de tiempo y 152

177 (en dado caso puede ajustarse a cero), o en el lazo de retroalimentación por medio de una selección adecuada de los parámetros de la razón de retroalimentación, y. La ganancia del regulador de voltaje y la constante de tiempo inherente de sistema de excitación están representadas por y, respectivamente. Las constante de tiempo, y, permiten la posibilidad de representar un aumento transitorio en la ganancia, normalmente ajustando a con un valor superior que. La manera en que se deriva el ángulo de disparo del puente de rectificadores afecta la relación de entrada-salida, que se asume como lineal en el modelo por medio de la selección de una ganancia simple. Para muchos sistemas esta relación lineal es válida. Sin embargo, en algunos sistemas, la relación de los rectificadores no es linealizada, dejando la ganancia lineal como una función senoidal, la amplitud de esta señal puede ser dependiente del suministro del voltaje. Los límites internos en pueden ser despreciados. Los límites del voltaje del devanado de campo son funciones del voltaje terminal, por lo tanto, la corriente del devanado de campo debe ser modelada. La representación del límite positivo del voltaje de campo como una función lineal de la corriente de campo de la máquina síncrona es posible debido a que la operación del puente de rectificadores en este tipo de sistemas está 153

178 confinada a la región del modo 1. El límite negativo tendría una característica dependiente de la corriente similar, pero el signo del término podría ser positivo o negativo dependiendo del ángulo de disparo o del ángulo de extinción seleccionado para el límite. Como la corriente de campo normalmente es demasiado pequeña bajo esta condición, el término no se incluye en el modelo. Como resultado de una capacidad muy alta de sobre esfuerzo de estos sistemas, algunas veces es necesario el limitador de corriente de campo para proteger el rotor del generador y el excitador. El ajuste de inicio del limitador está definido por, y la ganancia está representada por. Para que estos límites puedan ser ignorados, debe ser ajustada en cero. Mientras que para la mayoría de los sistemas de excitación se utiliza un puente completamente controlado, el modelo también puede ser aplicado para sistemas que utilizan puentes que son parcialmente controlados, en este caso el voltaje de tope negativo debe ser ajustado a cero siendo. Este modelo ha sido ampliamente utilizado para estudios de estabilidad y debido a su flexibilidad se utiliza para representar los sistemas de control de excitación de una gran gama sistemas de diferentes fabricantes. 154

179 Figura 46. Modelo del sistema tipo ST1A. [19] Modelo del sistema tipo ST2A. [19]. Algunos sistemas estáticos utilizan fuentes de corriente y de voltaje para formar la fuente de potencia. Estos sistemas de fuente compuesta con rectificadores se modelan por medio del modelo ST2A presentado en la figura 47. El modelo de la fuente de potencia del excitador se conforma por una combinación del voltaje en terminales, y la corriente en terminales. representa el límite del voltaje de excitación debido a la saturación de los componentes magnéticos. El regulador controla la salida del excitador a través del control de la saturación de los componentes de transformación. es una constante de tiempo asociada con la inductancia de los devanados controlados. 155

180 Figura 47. Modelo del sistema tipo ST2A. [19] Modelo del sistema tipo ST3A. [19]. Algunos sistemas estáticos utilizan un lazo de control para la tensión de campo para linealizar la característica de control de excitación, como se muestra en la figura 48. Esto también hace que las variaciones de la salida de la fuente de suministro alcance las limitaciones de suministro. Estos sistemas utilizan una variedad de diseños de rectificadores controlados: complementos de tiristores completos o puentes híbridos en serie o configuraciones de derivación. La fuente de alimentación puede consistir en solo una fuente de potencial, ya sea alimentada desde los terminales de la maquina o de bobinados internos, Algunos diseños pueden tener fuentes de energía compuestos 156

181 utilizando tanto el potencial y la corriente de la maquina. Estas fuentes de energía de representan como combinación de fasores de la corriente y la tensión terminal de la máquina y son alojados por los parámetros adecuados según el modelo que se muestra. El estabilizador del sistema de excitación para estos sistemas es suministrado por una serie de elementos retardo-adelanto en la tensión del regulador, representado por las constantes de tiempo. El lazo interno del regulador de la tensión de campo esta compuesto por las ganancias y la constante de tiempo. Este lazo tiene un gran ancho de banda comparados con los de límite superior de 3 Hz para otros modelos descritos. El límite, esta determinado por el nivel de saturación de los componentes de potencia. Figura 48. Modelo del sistema tipo ST3A. [19]. 157

182 Modelo del sistema tipo ST4B. [19]. Este modelo es una variación del modelo tipo ST3A, con un bloque regulador proporcional- integral (PI), que remplaza el regulador con la red de adelanto-atraso típico del modelo ST3A. Figura 49. Modelo del sistema tipo ST4B. [19] Modelo del sistema tipo ST5B. [19]. Este modelo es una variación del modelo tipo ST1A, con entradas alternativas de subexcitación y sobreexcitación y limites adicionales. 158

183 Figura 50. Modelo del sistema tipo ST5B. [19]. 159

184 Modelo del sistema tipo ST6B. [19]. El regulador que se muestra en la figura 50, se compone de un regulador de tensión PI con un regulador de tensión de campo con lazo interno y un pre-control. El regulador de tensión de campo implementa un control proporcional. El pre-control y el retraso en el circuito de realimentación aumentan en la respuesta dinámica. El regulador de tensión de campo no es implementado los parámetros, se colocan en 0. representa los límites del rectificador de potencia. La limitación de corriente de techo es incluida en este modelo. La fuente de alimentación para el rectificador, puede ser obtenida por las terminales del generador o por una fuente independiente. Figura 51. Modelo del sistema tipo ST6B. [19]. 160

185 Modelo del sistema tipo ST7B. [19]. El regulador que se muestra en la figura 52, es representativo del tipo de sistema de excitación estático con fuente de potencial, en este sistema, el AVR se compone de un regulador de tensión PI. Una red de adelanto atraso con un filtro en serie permite la introducción de una función derivativa. Este modelo es típico de los sistemas de excitación sin escobillas. En este caso, el regulador es del tipo PID. Además, el canal de tensión terminal incluye un filtro de adelanto y atraso de fase. Figura 52. Modelo del sistema tipo ST7B. [19]. 161

186 4. CAPÍTULO 4: Simulaciones y Análisis de los Sistemas de Excitación Componentes Generales Utilizados en los Diferentes Modelos de Sistemas de Excitación. En los diferentes modelos expuestos en el capítulo anterior, se observar diferentes componentes, los cuales a la hora de buscar realizar las simulaciones, se debe tener claro de que son, y como funcionan, también es indispensable este conocimiento para saber determinar en un diagrama de bloques cada una de las partes del sistema, y a la hora de realizar las simulaciones, decidir que elementos son indispensables, y cuales otros se pueden discriminar para simplificar los cálculos. La descripción de estos componentes, serán tomadas de la norma IEEE Std , en los distintos anexos que posee, los cuales serán luego agregados a este documento para futura consulta mas detallada Sistema de Excitación DC. [26]. Para un excitador excitado independientemente, el voltaje de entrada es el de la salida del regulador. El voltaje de salida de un excitador dc es directamente aplicado al devanado de campo de la máquina síncrona. Por lo tanto, el excitador puede ser 162

187 representado en un diagrama de bloques como el presentado en la Figura 53. En el diagrama, todas las variables están en por unidad. Figura 53. Diagrama de bloques del excitador de dc. [20]. El ajuste de la resistencia del devanado de campo afecta a así como a la función de saturación, pero no al tiempo de integración. Existen varias expresiones matemáticas convenientes que pueden ser utilizadas para aproximar el efecto de la saturación del excitador. Una expresión usada comúnmente es la función exponencial (4.1-1) El diagrama de bloques de la figura 53 provee un medio conveniente para representar al excitador de dc en estudios de estabilidad; sin embargo, la ganancia efectiva y la constante de tiempo del excitador no son aparentes. Estas variables son más evidentes cuando el diagrama de bloques es reducido a la forma estándar considerando la respuesta en pequeña señal: 163

188 Para cualquier punto de operación con, la ganancia efectiva K y la constante de tiempo del excitador para pequeñas perturbaciones son: Donde Sistema de Excitación AC. [26]. La estructura general del modelo es similar a la del excitador de dc, para los sistemas de excitación se utiliza el modelo de la figura 54. Sin embargo, en este caso la regulación de carga debido a la reacción de armadura es considerada distintamente, y la saturación de circuito abierto es utilizada para definir la función de excitación. El voltaje interno del excitador es el voltaje de circuito abierto determinado por la función de saturación. La corriente de campo del generador principal representa la corriente de carga del excitador, y la retroalimentación negativa de considera el efecto desmagnetizante la reacción de armadura. La constante depende de las reactancias síncrona y transitoria del excitador de corriente alterna. 164

189 Cualquier expresión matemática conveniente puede ser utilizada para representar la función de saturación. Como en el caso de los excitadores de dc, una expresión común para es. Figura 54. Diagrama de bloques del excitador de ac. [20] Rectificadores [20]. Comúnmente se utilizan circuitos rectificadores para rectificar el voltaje de salida del excitador de AC. La impedancia efectiva de la fuente de AC vista por el rectificador es una reactancia predominantemente inductiva. Un rectificador de diodos trifásico de onda completa opera en uno de tres modos distintos mientras que la corriente de carga del rectificador varía desde circuito abierto hasta el nivel de cortocircuito. El modo de operación depende de la caída de voltaje de conmutación (igual al producto de la reactancia de conmutación y la corriente de carga). 165

190 Las ecuaciones que definen la regulación del rectificador como función de la caída de voltaje de conmutación pueden ser expresadas de la manera siguiente: Donde: La constante depende de la reactancia de conmutación. Las expresiones para la función caracterizan los tres modos de operación del circuito de rectificación: Figura 55. Modos de operación del circuito de rectificación. [20] Figura 56. Modelo de bloques del rectificador. [20]. 166

191 Amplificadores [26]. Los amplificadores pueden ser magnéticos, rotativos o electrónicos. Los amplificadores magnéticos y electrónicos están caracterizados por una ganancia y una constante de tiempo; por lo tanto, pueden ser representados por un diagrama de bloques como el presentado en la figura 57. Figura 56. Modelo de bloques del amplificador. [20]. La salida del amplificador está limitada por la saturación o las limitaciones del suministro de potencia; esto se representa por los límites tipo non-windup y. Los límites de salida de algunos amplificadores que tienen su fuente de alimentación de potencia desde el generador o el bus auxiliar varían con el voltaje terminal del generador. En tales casos, y varían directamente con el voltaje terminal del generador. 167

192 continuación. La función de transferencia para un amplificador tipo amplidina se presenta a Circuitos de estabilización del sistema de control de excitación [20]. Algunos sistemas de control de excitación utilizan transformadores de potencial como se muestra en la siguiente figura: Figura 57. Transformador de estabilización en un sistema de excitación. [20]. Las ecuaciones del transformador en la transformada de Laplace son: 168

193 El secundario del transformador esta conectado a un circuito de alta impedancia, por lo tanto si se desprecia : Por lo tanto la función de transferencia del transformador de estabilización es: Donde: Límites Windup y nonwindup [20]. En la modelación de sistemas de excitación, es necesario distinguir entre límites de windup y de non-windup. Tales límites se encuentran en los bloques de integración, bloques con una única constante de tiempo, y bloques de adelanto atraso. Utilizando límites windup la variable v no está limitada. Por lo tanto, la variable de salida y no puede llegar a un límite hasta que v se acerca a ese límite. Con límites non-windup, la variable de salida y está limitada; la variable sale del límite tan pronto como la entrada u cambie de signo. Estos se muestran en las figuras 58 y

194 Figura 58. Integrador límites windup. [20]. Figura 59. Integrador límites non-windup. [20]. La figura 60 y 61 muestra las diferencias entre los dos tipos de límites cuando se aplican a un bloque de una sola constante de tiempo. El significado que tienen los dos tipos de límites es similar al que tienen en la aplicación al integrador. Con un límite windup, la salida y no puede llegar al límite hasta que v se acerca a ese límite. Con un límite nonwindup, sin embargo, la salida y sale del límite tan pronto como la variable de entrada u cae dentro del rango entre los límites 170

195 Figura 60. Bloque de 1 cte. de tiempo con límites windup. [20]. Figura 61. Bloque de 1 cte. de tiempo con límites non-windup. [20]. En un bloque de adelanto atraso, la interpretación de un límite windup es directa y similar a la interpretación del bloque de una constante de tiempo. Sin embargo, el modo en el cual un límite non-windup puede ser realizado no es único; la interpretación de la acción de limitación debe por lo tanto estar basada en el dispositivo físico representado por el bloque. 171

196 Figura 62. Función de adelanto atraso con límites non-windup. [20] Funciones de subasta (compuertas) [20]. Las funciones que realizan las compuertas o funciones de subasta (auctioneering) son utilizadas cuando se requiere el control entre más de dos señales de entrada, dependiendo de la magnitud del valor relativo de cada una de las señales. La figura 63 ilustra las funciones de una compuerta de bajo valor (LV) y una compuerta de alto valor (HV), y los símbolos utilizados para representarlas en diagramas de bloques. 172

197 Figura 63. Compuertas de LV y HV. [20] Simulaciones Realizadas y Correspondientes Análisis. Como lo indica la norma IEEE Std , refiriéndose al modelo DC1A, este tipo de sistema muchas veces se utiliza para representar sistemas cuando no se tiene información detallada de esos sistemas que se requieren, o para lograr un modelo mas simplificado de análisis. Nos basamos en que la norma recomienda este modelo para realizar un análisis de cómo funcionan en forma global los sistemas de excitación, a este modelo en específico se le realizará una serie de pruebas para así analizar sus estabilidad, respuesta en frecuencia, respuesta ante variaciones o perturbaciones, y así comprobar la fiabilidad de estos modelos, además se observarán diferentes casos y configuraciones con el fin de comprobar la importancia de la inclusión de estabilizadores, y que tanto mejora la respuesta del sistema al tratar de incorporar controladores ya sea tipo P, PI o PID, como se realiza con los modelos de sistemas de excitación estáticos. Primero se recordará el diagrama general de un sistema de excitación con su lazo de control. 173

198 Figura 64. Sistema de excitación con su respectivo lazo de control. [20]. Como ya se mencionó la respuesta dinámica que se va a simular corresponde a un sistema de control tipo DC1A, con algunas modificaciones convenientes, como el de eliminar la función de saturación, debido a que esta lo que hace es limitar los niveles máximos de la amplificación, en este caso para la simulación, no se buscará llegar a esos límites, en otras palabras se va a asumir que el sistema va a trabajar en la zona de no saturación, por lo tanto se desprecia el bloque de saturación. A continuación se presentará las funciones de transferencias de cada uno de los bloques del sistema de excitación con su respectivo lazo de control. Generador: La función de transferencia del campo del generador esta dada por la siguiente expresión: 174

199 Como se observa, esta función de transferencia relaciona la tensión en terminales con la tensión del devanado de campo siendo su ganancia y su constante de tiempo. Según la referencia [26], se recomienda para realizar la simulación, los valores de. La función de transferencia para el amplificador corresponde a: La función de transferencia para el transductor corresponde a: La función de transferencia para el excitador corresponde a: La función de transferencia para el estabilizador corresponde a: Se estudiará el efecto que tiene el sistema de excitación sin un lazo de estabilización, para esto, se realizará el análisis a partir del siguiente diagrama de bloques. 175

200 Figura 65. Diagrama de bloques realizado en Simulink del sistema de excitación sin lazo de estabilización. Del siguiente diagrama de bloques y de las funciones de transferencia para cada uno de los bloques dados de las ecuación 4.12 a 4.16, se puede obtener la función de transferencia de lazo abierto y de lazo cerrado del modelo. Para la función de transferencia de lazo cerrado se tiene que: Para la función de transferencia de lazo abierta se tiene que: Se debe buscar que el sistema sea estable, dado que del sistema completo, se asume que el excitador, el transductor y el generador van a tener una ganancia fija, la ganancia del 176

201 sistema debe ser regulada por el amplificador, por lo tanto, manteniendo como incógnita, y utilizando para los otros parámetros los valores recomendados en las normas, cuyas tablas están adjuntadas en los anexos, utilizando la teoría de sistemas de control, se aplicará uno de los métodos para encontrar el valor de, el sistema a utilizar será el criterio de estabilidad de Routh Hurwitz. Los valores a utilizar para las constantes son las siguientes: Para realizar el método de Routh Hurwitz es necesario obtener la ecuación característica del sistema que viene dada por 177

202 Aplicando el método de Routh Hurwitz Según el método utilizado, todos los elementos de la primera columna deben ser positivos para que el sistema sea estable, los cambios de signo indican la cantidad de raíces en el semiplano derecho. Por lo tanto, en el término, la expresión se hará negativa cuando: 178

203 Como esta claro que debe ser siempre positiva, con este término no hay problema. Ahora se analizará el término, la expresión se hará negativa cuando: (4.2-9) Utilizando en la ecuación auxiliar de la fila se obtiene: Resolviendo la ecuación se obtiene s = ± j5.33. Por lo tanto, con, se tienen dos polos conjugados en el eje jω, y el sistema es marginalmente estable. 179

204 Figura 66. LGR de la función de lazo abierto del sistema de excitación con la ganancia de Como se muestra en la figura, simulando la función de transferencia a lazo abierto, mediante el comando rlocus de Matlab, se obtiene el lugar geométrico de las raíces y se comprueba el límite de estabilidad que se da para una ganancia. Por lo tanto para la simulación se escogerá un valor menor al especificado, el cual será de. Ahora se puede obtener de forma completa la función de transferencia de lazo cerrado. 180

205 Ya con la función de transferencia de lazo cerrado, se puede obtener la respuesta a una variación tipo escalón unitario, y la respuesta al impulso. Figura 67. Respuesta al escalón y a un impulso a la entrada del sistema de excitación con una ganancia de amplificación de KA = 12. Se observa que al no haber una lazo de estabilización, el sistema llega a estabilizarse, pero dura mucho tiempo en hacerlo, aproximadamente 20 s. Además se 181