EL 57A SISTEMAS ELECTRICOS DE POTENCIA

Transcripción

1 EL 57A SISTEMAS ELECTRICOS DE POTECIA Clase 5: Componentes de Sistemas de Potencia Luis Vargas AREA DE EERIA DEPARTAMETO DE IEIERIA ELECTRICA

2 Contenido (III) 3. Las componentes de los sistemas eléctricos de potencia 3.1 Introducción 3.2 enerador Sicrónico 3.3 Líneas de Transmisión 3.4 Transformadores 3.5 Redes de Transmisión y Subestaciones

3 Introducción (I)

4 Introducción (II) Equipo Símbolo Europeo Americano Autransformador Interruptor Desconectador Desconectador Fusible Reconectador Transformador de medida de tensión Pararrayos Cable de Poder

5 Introducción (III) Equipo Símbolo Equipo Símbolo enerador Posibilidad de variar bajo carga Consumo Posibilidad de posicionar Conexión Delta Conexión T Conexión Delta abierta Conexión Estrella con eutro Conexión Estrella Conexión Estrella-Delta Conexión Zig-Zag Conductor genérico C-C C-A Aternativa para C-C Conexiones

6 Introducción (V) Equipo Símbolo Equipo Símbolo Línea con 3 conductores Resistencia R Inductancia, bobina Impedancia R+j Z Impedancia fija Condensador, Capacidad Tierra Batería, Acumulador

7 Introducción (VI) Representación de un sistema eléctrico de potencia enerador Transformador Línea Carga Diagrama Unilineal Circuito Equivalente Monofásico (valores en pu) Circuito Equivalente Trifásico

8 Introducción (VII) Ejemplo de Aplicación T1 T2 Línea C1 21,5 MVA 6,9 kv x=20% 25 MVA 6,9/13,8 kv x=12 % C2 2 MW 1 MVAr 20 MVA 13,2/66 kv x=11 % Z=9+j12 15 MW 5 MVAr Calcular tensión en bornes del generador, tal que tensión en carga principal sea 95% (Trabajar con SB=20 MVA)

9 Introducción (I) ecesidad de Modelar Componentes - Estructura eneral - Modelo de Operación en Régimen ormal - Modelo de Operación ante Perturbaciones Criterios de Modelación - Explicar comportamiento de equipos desde el punto de vista del Sistema (visto desde los bornes correspondientes) - Precisión de modelos ajustada a condiciones de operación especificadas: Cuasiestacionario, estático: Modelos lineales, monofásicos, parámetros concentrados Comportamiento dinámico, fenómenos transientes : Modelos no lineales, representación de cada fase

10 enerador Sincrónico (I) - Máquina eléctrica rotatoria --> Estator y Rotor - Estator: devanado consistente en espiras agrupadas en tres fases separadas por Rotor: espiras concentradas en torno a polos y alimentadas con corriente continua a través del colector - Formas constructivas: polos salientes (gran importancia para Chile), rotor cilíndrico estator polo saliente estator rotor Máquina de Polos Salientes Máquina de Rotor Cilíndrico 3. Las componentes de los sistemas eléctricos de potencia

11 enerador Sincrónico(II) t Estator Embobinado Rotor fase B + +- Escobillas + fase A + Embobinado Estator Anillos Deslizantes fase C Fuente:PowerLearn Aspectos constructivos

12 Escuela de enerador Sincrónico(III) a c + b + a S + r3 r r 3 2 r 4 c b + a r 2 r 1 r 2 Rotor r 3 r 3 r 4 r 4 Estator b b b b c r 2 r + 1 S a r r b c r 1 c i exc c c b c a a a a Conexión Serie de Bobinas en Máquina de 2 pares de polos

13 m 60 2 enerador Sincrónico(IV) - Rotor genera un campo rotatorio -> pasa al estator a través del entrehierro o separación de aire. - Al girar el rotor (campo) con velocidad n (rpm o rev/min) o velocidad angular --> inducirán tensiones senoidales de frecuencia angular w (2f) en conductores de la armadura n Caso 1 par de polos n 60 f 60rpm 2 m - Para f=50 Hz --> 3000 (rpm)!!! (máquinas hidráulicas operan en rango 150 a 500 rpm) - Solución --> incrementar número de pares de polos (p) utilizando el hecho de que: n rpm p m 2 p - Al considerar una carga trifásica conectado al devanado del estator --> circula una corriente de frecuencia f --> frecuencia de red y velocidad de giro relacionadas en forma fija. f p

14 enerador Sincrónico(V) Comportamiento Dinámico del enerador corriente continua (excitación) I r T m Momento rotor, Torque mecánico a través de operación de turbina enerador Sincrónico P Q V f - ecesidad de simplificaciones para tratar relaciones existentes entre las variables de control y de salida. Dos casos extremos: 1.- enerador conectado a barra infinita 2.- enerador conectado a impedancia única

15 enerador Sincrónico(VI) 1.- enerador conectado a barra infinita enerador Sistema - Barra Infinita:es un sistema eléctrico tan grande que para todos los efectos eléctricos es equivalente a un generador síncrono de inercia infinita. f V cte. cte. f, V ctes. - Variación de T m cambia en forma mínima frecuencia de red. - Voltaje constante V en bornes del generador --> no controlable por I r P I r T m Q

16 enerador Sincrónico(VII) 2.- enerador conectado a impedancia única (operación en isla) enerador - Aumento T m --> aceleración rotor --> aumento frecuencia - Aumento T m --> aceleración rotor --> crece voltaje inducido -> Potencia activa, Potencia reactiva - Aumento I r --> aumento voltaje en bornes --> influencia sobre Potencia Activa y Potencia Reactiva I r T m P Q V f

17 enerador Sincrónico(I) Modelo Equivalente en Estado Estacionario - Para deducción de circuito equivalente es conveniente estudiar las relaciones de campo en separación de aire. - Tres campos principales desfasados temporalmente en 120º --> campo rotatorio en entrehierro a frecuencia f --> corresponde con velocidad de giro de la turbina. - Desfase entre campo rotatorio en estator y rotor (no existe velocidad relativa!!!). Angulo de potencia, de carga, de torque. - Simetría en construcción --> cada bobina supone una inductancia principal igual Lh y distribuida L. Como consecuencia de lo anterior se puede definir: L d L h L Circuito Equivalente Trifásico y Monofásico d h Fuente:UIDO

18 enerador Sincrónico(I) Escuela de Resistencia de Bobina en la mayoría de los casos se Modelo desprecia: Equivalente en Estado Reactancia Estacionario Sincrónica (s) - Pérdidas óhmicas en embobinados Valor depende Estator de y las Rotor características - Pérdidas de fierro en el Estator constructivas (c. parásitas, histéresis) de la máquina. En valores pu usualmente. - Para deducción de circuito equivalente es conveniente estudiar las relaciones de campo en separación de aire. - Tres campos principales desfasados temporalmente P d en 120º I --> campo rotatorio xd en entrehierro a frecuencia f --> corresponde Ucon velocidad de giro P de la Pturbina. P Fe - Desfase entre campo rotatorio en estator y rotor (no existe velocidad relativa!!!). Angulo de potencia, de carga, de torque. 2 W H S 1,23,0 2 - Simetría en construcción --> cada bobina supone una inductancia principal igual Lh y distribuida L. Como consecuencia de lo anterior se puede definir: L d L h L d h =(0,07...0,2) h Circuito Equivalente Trifásico y Monofásico 3. Las componentes de los sistemas eléctricos de potencia Fuente:UIDO

19 enerador Sincrónico() Puntos de Operación en Estado Estacionario - Diagrama fasorial en estado estacionario para caso de conexión a barra infinita -->U, f indep. de I - De la geometría del diagrama fasorial se deduce (valores en pu): e sin x e cos u i i cos sin i cos x e sin x i e cos u x - En magnitudes físicas sin P EU p q p q u u eu x eu x i i cos sin sin sin M u cos x m U enerador 2 EU Q cos EL 57A Sistemas Eléctricos de Potencia - Prof. infinita Luis Vargas - Otoño Barra Infinita P jq Fuente:UIDO Máquina sincrónica conectada a barra

20 enerador Sincrónico() Puntos de Operación en Estado Estacionario - Diagrama fasorial en estado estacionario para operación en vacío --> =0 caso de conexión a barra infinita -->U, f indep. De I - De la geometría del diagrama fasorial se deduce (valores en pu): e sin x e cos u i i cos x i sin Si U e sin y E son ctes. --> Peu varía con p sin cos x x Condición para absorber o generar e cos u isin reactivos x -Q<0 En magnitudes --> máquina físicas subexcitada Q>0 --> máquina sobreexcitada P EU q p q u u eu x i i sin M cos sin u cos x m U enerador >0 aumenta carga en el sistema <0 operación como motor (centrales de bombeo) 2 EU Q cos EL 57A Sistemas Eléctricos de Potencia - Prof. infinita Luis Vargas - Otoño Barra Infinita P jq Fuente:UIDO Máquina sincrónica conectada a barra

21 enerador Sincrónico () c rad raq eh I aq E I aq raq I ad rad E eh V I a f RI a I a I ad Diagrama Fasorial eneral Máquina Sincrónica, Consumo Inductivo

22 enerador Sincrónico(I) Escuela de Tipos de Operación del enerador Síncrono E1 U1 Ejemplo: d Re g R 100 I 1 U 1 enerador Sobreexcitado enerador Subexcitado E 1 U 1 P jq fp=0.8 inductivo MVA, 35 kv R= ohm d= 0.15 ohm Calcular Regulación para carga en condición nominal. U 1 = 35/3 = kv I 1 = 1000/(3x20.20) = ka E 1 = ( j0) + (0.001+j0.15)[16500(0.8-j0.6)] = j 1970 V Regulación = 100x( j )/20200 = 7.86% Motor Sobreexcitado Motor Subexcitado Fuente:UIDO 3. Las componentes de los sistemas eléctricos de potencia

23 enerador Sincrónico(I) Tipos de Operación del enerador Síncrono E1 U1 Ejemplo: d Re g R 100 I 1 U 1 enerador Sobreexcitado Qué sucede en el caso de una carga capacitiva? enerador Subexcitado E 1 U 1 P jq fp=0.8 inductivo MVA, 35 kv R= Ohm d= 0.15 Ohm Calcular Regulación para carga en condición nominal. U 1 = 35/3 = kv I 1 = 1000/(3x20.20) = kamps E 1 = ( j0) + (0.001+j0.15)[16500(0.8-j0.6)] = j 1970 volts Regulación = 100x( j )/20200 = 7.86% Motor Sobreexcitado Motor Subexcitado Fuente:UIDO

24 enerador Sincrónico(II) Diagrama de Operación del enerador Sincrónico Posibles puntos de operación del generador síncrono dependen de la dimensión y tipo de armado de la máquina (ventilación de devanados de rotor y estator, saturación del núcleo, tipo de colector, etc.) P P max cos( ) - máxima potencia activa nominal - máxima corriente de armadura - máxima corriente de excitación - mínima corriente de excitación - estabilidad permanente Límite de estabilidad permanente EminV s Zona Operativa VI max EmaxV s P min P Q EU EU sin M m U cos 2 Diagrama de Operación del enerador Sincrónico Rotor cilíndrico Q Fuente:UIDO

25 enerador Sincrónico(III) Diagrama de Operación del enerador Sincrónico P P max Límite de estabilidad permanente Zona Operativa VI max f( Emax ) f E min P min Diagrama de Operación del enerador Sincrónico Rotor de polos salientes Q Fuente:UIDO

26 enerador Sincrónico(IV) Estabilidad Permanente Un generador se encuentra en una zona de estabilidad permanente, cuando frente a pequeñas perturbaciones es capaz de volver al antiguo punto de operación. P dp d EU EU sin M cos m Límite de Estabilidad Máxima entrega de potencia activa --> =90º Potencia activa del generador en función del ángulo de carga. Fuente:UIDO

27 enerador Sincrónico(V) Modelo en mallas de secuencia (cálculo de fallas) Equivalente monofásico del generador sincrónico, necesario para estudios de fallas con mallas de secuencia. 1 E (+) secuencia positiva 2 (-) secuencia negativa 0 0 (0) secuencia cero sólo si neutro está conectado a tierra 3Z tierra

28 Modelo dinámico enerador Sincrónico(VI) Los parámetros del generador sincrónico no son constantes respecto del tiempo I 1 Subtransitorio Transitorio i I D t t T d T d I D e I D e Permanente ts d d d

29 enerador Sincrónico(VII) Partida de Máquinas Sincrónica Recordemos que el campo rotatorio del rotor gira a la misma velocidad que el campo rotatorio del estator. Eso no se cumple para el caso de máquina parada y conectada a la red necesidad de tracción auxiliar Caso 1: Partida asincrónica Fabricación de bobina cortocircuitada en zapatos de polos, con ello se logra un comportamiento similar a máquina asincrónica (generador de inducción). Se gira hasta rpm un poco por debajo de velocidad de giro nominal (velocidad de sincronismo) y luego se efectúa la Sincronización a través de activación de corriente de excitación. Caso 2: Partida con motor auxiliar Caso estándar. Uso de motor auxiliar para alcanzar velocidad de sincronismo. En el momento de la conexión deben coincidir: voltajes generador y sistema, es decir, frecuencia, módulo, secuencia de fases y desfase.