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CAPITULO 14 SISTEMAS DE EXCITACION El Sistema de excitación de una máquina sincrónica lo constituyen el conjunto de equipos encargados de proveer y controlar la corriente del rotor necesaria para mantener el campo electromagnético en el entrehierro, garantizar una tensión terminal en el generador constante e igual a un valor de referencia dado y proporcionar la mínima corriente de campo necesaria para que el generador no pierda estabilidad. Adicionalmente como objetivo secundario, el Sistema de excitación controla la cantidad de potencia reactiva que absorbe o entrega la máquina. En la figura Nº 14.1 se muestra el conjunto generador-gobernador-excitatriz, generador-gobe rnador-excitatriz, en éste la entrada a la excitatriz lo constituye el voltaje terminal de la máquina y su salida la tensión de campo, la cual es inyectada en el devanado de campo (rotor) para que conjuntamente con el movimiento rotativo de la la máquina induzca una tensión terminal en el estator de la unidad. TURBINA
GOBERNADOR
POTENCIA MECANICA GENERADOR
VELOCIDAD TENSIÓN TERMINAL
TENSIÓN DE CAMPO
EXCITATRIZ Figura N 14.1
Sistemas de excitación. excitación. Sistemas de Potencia II
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Se distinguen dos tipos básicos de excitatrices, estas son: 1. Excitatrices rotativas. 2. Excitatrices estáticas.
14.1 EXCITATRICES ROTATIVAS Las excitatrices rotativas son las más más antiguas y aún se encuentran en servicio en algunas plantas de generación del país, aunque ya no están en el mercado. Constan de una fuente DC representada por un generador de corriente directa ubicado en el mismo eje del generador de potencia (ver figura Nº 14.2 ), por lo cual las variaciones de velocidad que se producen en este eje producto de eventos en el Sistema de Potencia, pueden afectar la tensión generada en la fuente de corriente directa. Por esta razón, este tipo de generadores están asociados a elementos de control que permitan garantizar en gran medida una tensión constante a la salida de la fuente DC.
TURBINA
GENERADOR
FUENTE DC
SISTEMA TURBINA-GENERADOR-EXCITATRIZ Figura N° 14.2
La tensión de salida de esta fuente es aplicada sobre un reóstato variable y sobre el devanado de excitación ubicado en el rotor del generador. La tensión aplicada sobre este devanado es llamada tensión de campo y esta determinada por la caída de tensión producida en el reóstato reós tato (ver figura Nº 14.3 ). El E l reóstato es controlado c ontrolado continuamente por p or un regulador de voltaje, la actuación de este regulador mueve el cursor del reóstato Sistemas de excitación. excitación. Sistemas de Potencia II
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variando la resistencia insertada, de esta manera se produce una variación de la caída de tensión en el reóstato originando un incremento o decremento de la tensión de campo según haya sido la consigna del regulador. La actuación de este regulador es determinado por la señal de error proveniente de la diferencia entre el voltaje terminal del generador y el voltaje de referencia que se desea mantener. Cuando estas dos tensiones son iguales la entrada al regulador será cero, no originándose ningún movimiento sobre el reóstato y se mantendrá la tensión de campo constante. De producirse una variación en la tensión terminal que origine una señal error diferente de cero, se producirá una señal de control en el regulador de voltaje que originará un movimiento del reóstato para modificar la tensión de campo. Esta variación implicará un incremento o decremento de la tensión terminal de modo de igualarla nuevamente a la tensión de referencia y originar una señal de error igual a cero que produzca un nuevo estado estacionario. Vref
+
REGULADOR DE VOLTAJE
Vt
REOSTATO
+
FUENTE DC (acoplada al eje del generador)
tensión de campo
EXCITARIZ ROTATIVA Figura N° 14.3 Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
Vt
GENERADOR
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14.2 EXCITATRICES ESTATICAS Estas excitatrices como su nombre lo indican no están asociadas a elementos rotativos que impliquen componentes mecánicos, lo que le confiere una alta velocidad de respuesta. Consta de una unidad reguladora de tensión y una unidad de fuerza construidas con elementos eléctricos y
electrónicos. En la figura Nº 14.4 se muestra un diagrama
esquemático de estas excitatrices. La unidad de fuerza consta de un puente rectificador controlado por tiristores y una unidad limitadora. El puente rectificador tiene como entrada la tensión terminal de la máquina previamente reducida a través de transformadores de tensión. Esta señal de voltaje AC es convertida en el puente a una señal de voltaje DC, denominada tensión de campo, la cual alimenta al devanado de campo ubicado en el rotor de la unidad generadora, induciéndose el voltaje terminal en el estator de la unidad.
Vt
Efd
limitador
RECTIFICADOR CONTROLADO POR TIRISTORES
Vt
GENERADOR
+ Vt
Vre f REGULADOR DE VOLTAJE
GENERADOR DE PULSOS
DIAGRAMA ESQUEMATICO DE UNA EXCITATRIZ ESTATICA Figura N° 14.4
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El valor de la tensión de campo puede variarse cambiando el ángulo de disparo de los tiristores, al conducir estos para diferentes ángulos originan distintos valores de voltaje DC a la salida del puente de tiristores. El punto de conducción de los tiristores lo determinan los pulsos enviados de la unidad reguladora de tensión. La unidad limitadora sensa la corriente de campo de modo de establecer las limitaciones de operación de la excitatriz. Este circuito utiliza la señal proveniente del puente rectificador, si por alguna razón la corriente que circula por el devanado de campo sobrepasa los límites permitidos, esta unidad limitará la salida máxima del puente hasta un valor máximo llamado voltaje cielo. Este voltaje representa la máxima tensión DC que la excitatriz es capaz de suplir desde sus terminales por un corto tiempo. El regulador de tensión consta de una tarjeta comparadora de tensión, la tarjeta reguladora, y la tarjeta de pulsos. Este regulador envía los pulsos al puente de tiristores para bajar o subir la tensión de campo garantizando así la tensión terminal constante. El proceso se inicia en la tarjeta comparadora de tensión, la cual recibe como entrada una señal DC de bajo valor equivalente a la tensión terminal del generador, ahí se compara con la tensión de referencia fijada por el operador, determinándose el error entre estas dos tensiones. La diferencia entre estas dos señales es enviada al regulador, quien provee a la tarjeta de pulsos, la consigna de control para enviar los pulsos que controlan la secuencia y el ángulo de disparo de los tiristores.
14.3 MODELOS DE EXCITATRICES De acuerdo al tipo de excitatriz se debe establecer el modelo que la representa, en este material solamente se presentará el modelo de las excitatrices estáticas, dado que el análisis de los modelos está más asociado a los Sistemas de Control. El modelo más utilizado para representar las excitatrices estáticas se muestra en la figura N° 14.5.
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comparador
regulador de voltaje
Vref
puente de tiristores y limitador Vt Efd max
+ 1 + sTa 1 + sTb
Vt
Vpss
K 1 + sTe figura N° 14.5
puente limitador
Efd
de corrientes negativas
Efd min
En este modelo primeramente se simula el detector de la desviación de tensión, donde se compara la diferencia entre la tensión terminal y la tensión de referencia, la desviación obtenida permite excitar al regulador de voltaje, si esta diferencia es cero, este regulador no se excita y no se genera ninguna acción de subir o bajar la tensión de campo, indicando que el voltaje en terminales del generador es igual a la tensión de referencia. En el detector de desviación de tensión se observa una tercera señal simbolizada como Vpss, esta señal es la proveniente del estabilizador de potencia también denominado por la literatura especializada como power system stabilizer ( PSS ), que para efectos de este análisis esta señal no será considerada. La salida del detector de desviación de tensión va hacia el regulador de voltaje, modelado por una red de adelanto y atraso compuesto de un elemento derivativo con una constante de tiempo Ta y un elemento integrativo con una constante de tiempo Tb. La ganancia del regulador de voltaje esta representado por K, la cual esta asociada a una constante de tiempo Te, que en muchos casos se puede despreciar ( Te=0 ). La salida del regulador de voltaje va hacia un multiplicador, donde se multiplica con el voltaje terminal representando el efecto del puente rectificador controlado por tiristores. Posteriormente la señal obtenida pasa al puente limitador de corrientes negativas que modela el efecto de los puentes rectificadores unidireccionales, que a través de un circuito de descarga con una resistencia no lineal permiten proteger al devanado de campo de Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
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corrientes negativas, en el caso de no existir este circuito este bloqueo no es considerado en el modelo. Finalmente, la tensión obtenida pasa al limitador de la tensión de campo ( Efd ) limitada por la tensión cielo tanto positiva como negativa.
DIFERENCIAS
ENTRE
LAS
EXCITATRICES
ESTATICAS
Y
LAS
EXCITATRICES ROTATIVAS EXCITATRICES ROTATIVAS EXCITATRICES ESTATICAS − Presenta elementos electromecánicos. − Presenta baja ganancia.
− Presenta elementos electrónicos.
− Tiene una baja velocidad de respuesta
− Presenta alta ganancia.
asociada a constantes de tiempo altas. − La tensión de cielo alcanza bajos
− Tiene una alta velocidad de respuesta
asociada a constantes de tiempo bajas.
valores, hasta dos veces el valor que
− La tensión de campo alcanza altos
presenta esta tensión en condiciones
valores, hasta cinco veces el valor que
normales.
presenta esta tensión en condiciones
− Mayor mantenimiento por ser un
sistema rotativo, en especial el cambio de carbones en las escobillas. − No contribuye de manera significativa
a mejorar la estabilidad transitoria por
normales − Menor mantenimiento por ser un
sistema estático. − Mejora la estabilidad transitoria por su
alta velocidad de respuesta.
su baja velocidad de respuesta.
En base a estas diferencias a continuación se explica el comportamiento de la excitatriz cuando es sometida a una pequeña y gran perturbación, donde se denotan estas diferencias. Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
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14.5
RESPUESTA
DE
LA
EXCITATRIZ
ANTE
UNA
PEQUEÑA
PERTURBACION. Una manera de examinar la respuesta del conjunto generador-excitatriz, consiste en aplicar un escalón de tensión en el voltaje de referencia de la excitatriz con la unidad en carga, este evento es considerado como una pequeña perturbación que permite teóricamente revisar los modelos que representan los diferentes sistemas de control, de manera de estudiar la respuesta dinámica del Sistema de Potencia ante perturbaciones. En la práctica esta es una prueba que eventualmente se realiza para examinar la amortiguación de la unidad generadora con sus lazos de control operando con los diferentes ajustes calculados en los modelos teóricos. En la figura N° 14.6 puede observarse un diagrama esquemático del conjunto generadorexcitatriz indicando el punto donde se inyecta el escalón de tensión. Este escalón consiste en incrementar o decrementar bruscamente la tensión de referencia de la unidad generadora de forma tal que la unidad suba o baje su tensión terminal en un pequeño porcentaje. Típicamente el porcentaje de variación de este escalón esta acotado entre 1 y 5, de forma tal que la perturbación introducida no afecte a los clientes conectados a la red eléctrica. Con el fin de analizar la respuesta de una excitatriz estática y una rotativa ante una pequeña perturbación, a continuación se estudia dicha respuesta ante un escalón de tensión del 5% positivo en el voltaje de referencia de dichas excitatrices, que tenderá a incrementar la tensión terminal en ese mismo porcentaje.
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TURBINA
GOBERNADOR
POTENCIA MECANICA VELOCIDAD GENERADOR
TENSIÓN DE
Vre
VOLTAJE TERMINAL
+ Vt
EXCITATRIZ
punto de inyección del escalón de prueba Figura N° 14.6 Al momento de producirse el escalón se crea un diferencial entre el voltaje terminal y el voltaje de referencia, esta diferencia originará la actuación del regulador de voltaje que ordenará incrementar la tensión de campo. En la figura N° 14.7 puede observarse la respuesta de la tensión de campo para ambas excitatrices denotándose amplias diferencias entre éstas que se detallan a continuación: − Inicialmente se observa un súbito incremento de la tensión de campo de la excitatriz
estática permitiendo incrementar esta tensión desde 260 voltios hasta casi 1000 voltios, es decir cuatro veces el valor inicial; mientras que en la excitatriz rotativa este
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COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA
Figura N° 14.7
ezcitatriz estática ezcitatriz rotativa
COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA
Figura N° 14.8
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ezcitatriz estática ezcitatriz rotativa 10
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incremento es mas suave y gradual, incrementándose desde 260 voltios hasta 430 voltios, no alcanzando a duplicar su valor inicial. − El tiempo de respuesta es notable en la excitatriz estática alcanzando su valor máximo
en 50 milisegundos, este valor puede observarse en mayor detalle en la figura N° 14.8, donde se muestra la tensión de campo para ambas excitatrices en una escala de tiempo menor ( de 0 a 1 segundo). En la excitatriz rotativa este valor máximo se alcanza casi a los 10 segundos. − El tiempo de estabilización de la excitatriz estática se alcanza aproximadamente en un
segundo, por lo cual el efecto sobre la dinámica de esta excitatriz es despreciable después de este tiempo al mantenerse ésta en un valor constante. En la excitatriz rotativa aunque su tiempo de estabilización sobrepasa los 10 segundos, puede considerarse que después de los 2 segundos su efecto sobre la dinámica del Sistema es poco significativa, dado que la variación de la tensión de campo después de ese tiempo es muy pequeña y gradual. La variación en la tensión de campo origina un incremento de la tensión terminal de la unidad generadora. En la figura N° 14.9 puede observarse el comportamiento de esta tensión ante el escalón de tensión introducido. En esta se puede observar que la tensión terminal inicial es de 1 pu y tenderá a incrementarse en 5 % (1.05 pu). Al analizar la respuesta tanto para la excitatriz rotativa como la estática se puede concluir: − La tensión terminal alcanza su valor final de 1.05 pu en aproximadamente un segundo en
la excitatriz estática, en concordancia con la rapidez de respuesta de la tensión de campo. Mientras que en la excitatriz rotativa el valor de 1.05 pu lo alcanza en aproximadamente 6.5 segundos, denotando su menor rapidez de respuesta.
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− En dos segundos la tensión terminal para el caso de la excitatriz estática esta totalmente
estable e igual a un valor constante (1.05 pu). En la excitatriz rotativa, en diez segundos aún la tensión terminal no se ha estabilizado presentando un sobrepaso con respecto a 1.05 pu que tenderá a estabilizarse después de ese tiempo. Este incremento de la tensión terminal origina que la máquina se sobreexcite en mayor proporción aportando potencia reactiva capacitiva al Sistema. En la figura N° 14.10 se muestra el comportamiento de la potencia reactiva ante este evento, donde se evidencia este efecto. Obsérvese como la potencia reactiva para ambos casos se incrementa desde su valor inicial de 0 MVAR hasta un valor capacitivo, siendo mayor la rapidez de respuesta de la excitatriz estática en concordancia con lo explicado anteriormente. En este caso la excitatriz estática aporta una mayor cantidad de potencia reactiva, 180 MVAR en la excitatriz estática contra 40 MVAR de la excitatriz rotativa. En la potencia activa de la unidad (ver figura N° 14.11 ) se observa una oscilación momentánea debido a que la variación en la tensión de campo introduce un cambio en el torque eléctrico que afecta el torque acelerante y desacelerante de la unidad, este efecto es transitorio mientras dure la respuesta de la tensión de campo. Es conveniente denotar que para ambos casos el valor final de la potencia activa es igual al valor inicial, dado que no se ha producido ningún desbalance generación-carga la máquina debe estabilizarse en el mismo valor.
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COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN TERMINAL ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA
Figura N° 14.9
ezcitatriz estática ezcitatriz rotativa
COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA REACTIVA ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA
Figura N° 14.10 Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
ezcitatriz estática ezcitatriz rotativa
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COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ACTIVA ANTE UN ESCALON DE TENSIÓN EN EL VOLTAJE DE REFERENCIA
ezcitatriz estática ezcitatriz rotativa Figura N° 14.11
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14.6 RESPUESTA DE LA EXCITATRIZ ANTE UNA GRAN PERTURBACION En esta parte se estudia el comportamiento del conjunto generador-excitatriz ante una gran perturbación, tal como la ocurrencia de una falla trifásica de baja impedancia de falla en bornes del generador (ver figura N° 14.12 ). En este caso se trata de una excitatriz estática. SISTEMA ELECTRICO generador
resistencia de falla Figura N° 14.12
Al producirse la falla se produce una fuerte depresión de tensión que ocasiona que la tensión terminal de la máquina disminuya desde su valor pre-falla cercano a 1 pu a una tensión muy baja en el orden de 0.4 pu, esta depresión de tensión se refleja en todo el Sistema Eléctrico y tiene una corta duración ( 100 milisegundos ), correspondiente al tiempo de despeje de la falla. En la figura N° 14.13 se muestra el comportamiento descrito de la tensión terminal de la unidad generadora. En esta se presenta una primera gráfica con una resolución de un segundo, donde se evidencia la depresión de tensión inicial y la rápida recuperación de la tensión una vez despejada la falla. Similarmente, se muestra una segunda gráfica con una resolución de cinco segundos, donde se observa que la tensión se recupera rápidamente estabilizándose en un segundo en un valor cercano a su valor pre-falla. En esta situación a pesar que la máquina fue sometida a una gran perturbación, su exigencia no compromete la estabilidad de la unidad. Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
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Ante esta fuerte variación de la tensión terminal la excitatriz responde incrementando la tensión de campo durante la falla para recuperar la tensión terminal. En la figura N° 14.14 puede observarse el comportamiento de la tensión de campo durante los primeros 100 milisegundos, la tensión de campo se incrementa desde su valor inicial de 250 voltios a un valor cercano a los 900 voltios ( 3.6 veces), producto de la actuación del regulador de tensión de la excitatriz al detectar una diferencia entre el voltaje terminal y el voltaje de referencia. En los primeros milisegundos a pesar que la tensión de campo se incrementa hasta su valor cielo, se observa que momentos antes de despejar la falla la tensión de campo es inferior al valor que tiene después de despejada la falla y que esta se incrementa súbitamente justo en el momento de despejar la falla. Este comportamiento se debe a que la magnitud del voltaje de campo esta determinada por el voltaje terminal inyectado en el puente rectificador de la excitatriz. Durante el lapso de falla la tensión terminal se deprime un 60 % y es esta fracción de la tensión terminal la que es rectificada en el puente de tiristores, los cuales están a su máxima conducción para producir la tensión cielo en la excitatriz. Una vez despejada la falla los tiristores conservan por unos milisegundos su máxima conducción, sin embargo la tensión terminal inyectada al puente de tiristores para ser rectificada es mayor, esta se ha recuperado a un valor cercano a 1 pu, produciéndose una tensión cielo cercana a los 1900 voltios ( 7.6 veces el valor inicial ). Nótese que el incremento súbito es producido por el incremento de la tensión terminal a ser rectificada y no por la acción del regulador de voltaje al variar el ángulo de disparo de los tiristores. Una vez despejada la falla y recuperada la tensión terminal, el regulador de voltaje enviará los nuevos ángulos de disparo a los tiristores permitiendo en unos pocos milisegundos reducir la tensión de campo a un valor cercano al valor pre-falla y contribuir de esa manera a estabilizar la tensión
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COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN TERMINAL EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.13a
COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN TERMINAL EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.13b
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COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.14a
COMPORTAMIENTO DE LA TENSIÓN DE CAMPO EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.14b Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
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terminal. En este proceso de estabilización la tensión de campo puede presentar unas ligeras oscilaciones durante los primeros segundos como se observa en la figura N° 14.14, estas tienden a amortiguar las variaciones en la tensión terminal producto de la acción del torque acelerante y desacelerante. La potencia reactiva en el generador sigue un comportamiento similar a la tensión de campo. Durante la falla debido al incremento de la tensión de campo la máquina aporta una gran cantidad de potencia reactiva capacitiva (ver figura N° 14.15 ), que fluye hacia el punto de falla generando su contribución a la corriente de cortocircuito. Al despejarse la falla se elimina este sumidero de reactivos y la máquina reduce su tensión de campo, restableciendo la potencia reactiva a un valor cercano a su valor inicial. Por el contrario, la potencia activa producida en el generador se reduce bruscamente durante la falla, pasa desde su potencia inicial de 320 MW a casi 20 MW durante la falla. La depresión de tensión impide la transmisión de potencia desde ese generador en concordancia con la siguiente expresión: P
=
transmitida donde:
Vt Vthe SEN ð Xthe
Vt : voltaje terminal Vthe: voltaje thevenin equivalente del sistema eléctrico Xthe: reactancia thevenin equivalente del sistema eléctrico ð:
ángulo de transmisión entre Vt y Vthe.
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COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA REACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.15a
COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA REACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.15b
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De esta expresión se deduce que si Vt tiende a cero el módulo ( Vt Vthe ) / Xthe también tenderá a cero, originando una potencia transmitida muy pequeña durante la falla. Por su parte, el ángulo de transmisión ð tendera a incrementarse. Este punto será analizado con mayor detalle cuando se trate el problema de estabilidad transitoria. En la figura N° 14.16 se muestra el comportamiento de la potencia generada por la unidad, detallándose en una resolución de uno y cinco segundos. Denotándose la pequeña potencia transmitida durante la falla, parte de esta potencia alimentará la resistencia de falla y otra parte fluirá hacia el Sistema Eléctrico. Una vez despejada la falla, se recuperarán las tensiones permitiendo restablecer Vt a un valor cercano a 1 pu como se explicó anteriormente, por lo que el módulo ( Vt Vthe ) / Xthe adquirirá una magnitud similar a la pre-falla. En ese instante la máquina volverá nuevamente a generar su potencia, aunque en los primeros segundos se originará una oscilación de potencia producto de la variación del torque acelerante ocasionado por la falla. Finalmente, la potencia se estabilizará en un valor cercano a su valor inicial, dado que no se ha producido ningún desbalance generación-carga ésta retornará a ese valor. La aparición de un torque acelerante durante la falla producto que en ese lapso la potencia mecánica es mayor que la potencia eléctrica, originará un incremento de la velocidad y por lo tanto de la frecuencia ( ver figura N° 14.17 ). Sin embargo, después de despejada la falla aparecerán las fuerzas restauradoras que contrarresten ese torque acelerante retornando la máquina nuevamente a su velocidad y frecuencia normal.
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COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.16a
COMPORTAMIENTO DE LA POTENCIA ACTIVA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.16b Sistemas de excitación. Sistemas de Potencia II
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COMPORTAMIENTO DE LA VELOCIDAD EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.17a
COMPORTAMIENTO DE LA FRECUENCIA EN EL GENERADOR G1 ANTE UNA FALLA EN LA BARRA TERMINAL
Figura N° 14.17b
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