Electrónica de Potencia para el Aprovechamiento Eléctrico de la ...
Modelado de los Elementos de un Sistema Eléctrico de Potencia
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Objetivo
Identificar los parámetros que intervienen en un sistema eléctrico de potencia.
Introducción
Para poder estudiar un sistema eléctrico de potencia se debe crear una
representación de las características y elementos que conforman al sistema de
potencia, con el fin de facilitar su entendimiento. Esta representación nos permite
estudiar el comportamiento del sistema en condiciones normales o anormales en
el sistema de potencia. La representación más sencilla de un sistema de potencia
consiste de un diagrama en el cual se coloca toda la información de los elementos
y estructuras que constituyen al sistema de potencia. La composición de este
diagrama depende del análisis que se va a llevar a cabo, existen dos tipos de
diagramas que se pueden realizar:
Diagrama Unifilar: es una representación general del sistema en forma
informativa. Permite una representación del sistema de forma simple y muestra los
datos más importantes o características del sistema.
Diagrama de Impedancia: representación de cada uno de los elementos que
conforman el sistema de potencia con sus valores. Es parecido al diagrama
unifilar, pero muestra las impedancias de todos los elementos del sistema, permite
el cálculo de las variables eléctricas del sistema a partir de ecuaciones.
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Este tipo de diagramas se encuentran normalizados o estandarizados, y cada
elemento del sistema de potencia cuenta con un símbolo que lo representa. Los
símbolos pueden variar según el país o la empresa que realice el estudio.
Desarrollo
Parámetros del Circuito Equivalente de un Transformador
El transformador de potencia es el elemento del sistema de potencia que se
encarga de modificar los niveles de tensión y corriente, adaptándolos a los
requerimientos del sistema.
Circuito Equivalente de un Transformador:
Del circuito equivalente del transformador se observan los siguientes parámetros:
jXM = Reactancia de Magnetización.
RC = Resistencia representativa de las pérdidas de potencia activa en el núcleo
(histéresis y corrientes parásitas).
Xp, Xs = Reactancias de dispersión del primario y secundario.
Rp, Rs = Resistencia de los conductores primario y secundario.
Np, Ns = son el número de espiras en el lado primario y secundario,
respectivamente.
Vp, Vs = La tensión aplicada al transformador y la tensión aplicada a la carga,respectivamente.
Otros parámetros que se pueden conocer son las corrientes del lado primario y
secundario, y la corriente de magnetización, también existe una corriente debido a
la histéresis y a corrientes parasitas.
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Para obtener estos parámetros es necesario realizar pruebas que de algún modo
nos permitan medir o calcularlos. Dos de las pruebas que se realizan para llevar
acabo esto son: la prueba de vacío y la prueba de cortocircuito.
Prueba de Vacío
En esta prueba se realiza con el lado secundario sin carga, se debe alimentar el
lado primario con la tensión nominal, se toman mediciones de la tensión, de la
corriente y de la potencia en vacío. En estas condiciones, toda la corriente de
entrada debe fluir a través de la rama de excitación. Con estos datos se puede
obtener el factor de potencia, la magnitud y el ángulo de la impedancia de
excitación, con esto es posible calcular las pérdidas y la reactancia de
magnetización.
Prueba de Cortocircuito
La prueba de cortocircuito se utiliza para determinar los valores de Xp, Xs, Rp, y Rs.
Se debe poner en corto circuito el lado secundario del transformador y se aplica
una tensión baja al lado primario, se debe alcanzar la corriente nominal. Se toman
lecturas de tensión aplicada y de potencia activa consumida. Como la tensión
alimentada es muy baja, la corriente que fluye por la rama de excitación es muy
baja y toda la caída de tensión en el transformador se atribuye a los elementos del
circuito en serie. Se puede obtener el factor de potencia, la magnitud y el ángulo
de la impedancia en serie. Con esto es posible obtener los parámetros restantes
del circuito.
Parámetros del Circuito Equivalente de un Generador Síncrono
Las máquinas síncronas son empleadas en los sistemas eléctricos de potencia
como generadores de potencia activa y reactiva, aunque en ocasiones se emplean
en forma exclusiva para la generación de potencia reactiva o como condensador
síncrono.
Circuito Equivalente por fase de un generador síncrono
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Del circuito equivalente se pueden conocer los siguientes parámetros del
generador.
X
= Reactancia de dispersión
Xm = Reactancia de
Ra = Resistencia del devanado de la fase
Va = Tensión de terminales del estator fase-neutro
Xs = Xm + X
= Reactancia sincrónica
Prueba de Vacío
Esta prueba consiste, como dice su nombre, en colocar el Generador en vacío, es
decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girar a su velocidad nominal y
con corriente de campo igual a cero. Al ir aumentando gradualmente el valor de la
corriente de campo, se obtienen diversos valores de tensión inducida y ya que la
corriente que circula por la armadura siempre será cero debido que se encuentra
en vacío, se obtendrá que la tension inucida sera igual a la tensión generada.
Gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede formar "La curva de
Características de Vacío" que permite encontrar la tensión interna generada por
una corriente de campo dada.
Prueba de Corto Circuito
Finalmente se tiene la prueba de cortocircuito, el cual consiste en llevar
nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del
generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo, obteniéndose la
siguiente gráfica.
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¿Para qué sirve un análisis de flujos de potencia?
En ingeniería eléctrica, el estudio de flujo de potencia, también conocido
como flujo de carga, es una herramienta importante que involucra análisisnumérico aplicado a un sistema de potencia. En el estudio del flujo de potencia
usualmente se usa una notación simplificada tal como el diagrama unifilar y
el sistema por unidad, y se centra en varias formas de la potencia
eléctrica AC (por ejemplo, voltajes, ángulos de los voltajes, potencia activa y
potencia reactiva). Este estudio analiza los sistemas de potencia operando en
estado estable. Existen varios software que implementan el estudio del flujo de
potencia.
El propósito del análisis de Flujo de potencia es calcular con precisión los voltajes
(tensiones) de estado estacionario en todos los buses de una red, y a partir de esecálculo los flujos de potencia real y reactiva en cada una de las líneas y
transformadores, bajo la suposición de generación y carga conocidas. Su función
básica consiste en importantes detalles: modelar controles tales como
derivaciones cambiantes en transformadores, potencia de salida reactiva de
generadores y áreas de intercambio.
¿Para qué sirve un análisis de fallas en un sistema de generación?
Las corrientes que fluyen en las diferentes partes de un sistema de potencia
inmediatamente después de que ocurre una falla difieren de aquellas que fluyen
unos ciclos más tarde justo antes de que los interruptores sean llamados a abrir la
línea en ambos lados de la falla. En el análisis de fallas se calculan los valores de
esas corrientes para los diferentes tipos de fallas en varios puntos del sistema. Los
datos que se obtienen de los cálculos de fallas sirven para determinar los valores
de operación de los relevadores que controlan los interruptores.
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Conclusiones
Durante la investigación que realice para realizar esta práctica encontré que otros
elementos muy importantes que también son considerados en el modelado de un
sistema eléctrico de potencia son: las líneas y las cargas. En el laboratorio vimos
el modelado de una línea, el cual varía según la longitud de la misma.Personalmente me gustaría poder investigar más sobre el modelado de las cargas
en un sistema eléctrico de potencia. En esta práctica se identificaron los
elementos de un sistema eléctrico de potencia y como se deben representar los
elementos que lo conforman, algo que normalmente suele causarme problema es
la nomenclatura o los símbolos que se utilizan para representar estos elementos,
no he encontrado algún documento en el que se describa a detalle la
nomenclatura y símbolos utilizados en México para un diagrama unifilar. Otro
concepto con el que me encontré en la investigación fue el diagrama de
reactancias, también será un concepto que investigaré por mi cuenta si es que no
lo llego a cubrir en alguna clase.
Bibliografía
Máquinas Eléctricas, 3ra Edición, Chapman, Editorial McGraw Hill
Notas de clase de máquinas eléctricas II
Notas de clase de máquinas eléctricas III
Análisis de Sistemas de Potencia, Grainger, Stevenson, Editorial McGraw Hill
http://ocw.uc3m.es/ingenieria-electrica/maquinas-electricas-de-corriente-
alterna/material-de-clase-1/capitulo-iii-maquina-sincrona
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/630/A
4.pdf?sequence=4
http://www.electrocon.com/powerflow_sp.php
http://fglongatt.org/OLD/Archivos/Archivos/SP_I/PPT2.1.RepreSP.pdf