SINTONIZACION DE REGULADOR AUTOMATICO DE VOLTAJE DEL SISTEMA DE CONTROL BASLER DECS 125-15 EN MICROMAQUINAS SINCRONAS

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HÉCTOR MANUEL SÁNCHEZ GARCÍA

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MÉÉXXIICCOO,,DD..FF.. 22001100

SINTONIZACIÓN DEL REGULADOR

AUTOMÁTICO DE VOLTAJE DEL SISTEMA

DE CONTROL BASLER DECS 125-15 EN

MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS

E

DEDICATORIA

A MIS PADRES

A mis padres les doy las gracias por haberme dado la vida, por haberme dado su cariño desde que era un niño, por haberme encaminado hacia una forma digna de vivir, por poner ante mis ojos un gran ejemplo y por creer en mi. Con dedicatoria para ustedes en esta simple obra, producto de mi trabajo y dedicación.

A mi padre Héctor Sánchez Ayala. Por ser un hombre con un gran espíritu de firmeza, lucha y valor. De mi padre aprendí que las cosas que se quieren se deben ganar día con día y que los obstáculos que se encuentran en el camino, se deben enfrentar contundentemente para seguir adelante. Del valor de mi padre aprendí a formar un carácter que me hace estar bien firme en toda circunstancia.

A mi madre Helia García Villegas. De mi madre aprendí que sus hijos son su mayor riqueza. Mi madre con su gran coraje y espíritu me ha enseñado que en esta vida hay que sacrificar algunas cosas y ganar otras. En la vida hay situaciones, cosas y sentimientos en que no se tiene seguridad plena, de lo que estoy seguro es que el amor de mi madre me acompañara para siempre, aun después de mi deceso.

A MIS HERMANOS

A mi hermana Mara Alejandra. Una hermana, un motivo de portarse como hombre. Aunque tuviste que irte a la unión Americana en busca de una nueva forma de vida, se que lo has logrado, me viste ser un niño y siempre has creido en mí.

A mi hermano Luis Michel. Hemos crecido juntos, un hermano es un mejor amigo, con tus regaños he sabido corregir algunas actitudes.

Mi pequeña familia, puedo decir que es todo lo que tengo. Gracias por todo.

“Los esfuerzos que se hacen durante mucho tiempo traen un pequeño momento de satisfacción, estos momentos se llevan en el recuerdo para siempre y aun cuando los verdaderos logros demandan mucho, la grandeza de los hombres se mide por el tamaño de su espiritu.”

AGRADECIMIENTOS

A esta gran casa de estudios, el Instituto Politécnico Nacional y la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica por darme la oportunidad de formar parte de una generación más de ingenieros en este país, por la formación y preparación recibida para desarrollarme en el area de la Ingeniería Eléctrica.

A mis Profesores, que semestre con semestre, cada uno en su area de labor e investigación, con sus enseñanzas, recomendaciones y transmisión de conocimientos, gradualmente me introdujeron en la Ingeniería Eléctrica.

Al programa de becas PRONABES, por el apoyo de su beca en los 9 semestres que comprende esta ingeniería, fue de gran ayuda y motivación.

Al programa institucional de formación de investigadores PIFI por el apoyo de su beca en los dos últimos semestres, al aceptarme para participar en el proyecto SIP No. 20080956 titulado: “Técnicas de Análisis Modal para Estabilidad Transitoria y de Voltaje”, que fue de gran ayuda para mí en el desarrollo de este trabajo.

Al Dr. Daniel Ruiz Vega, por aceptar ser mi director en este trabajo, por sus observaciones, recomendaciones y exigencia para el mejoramiento del mismo, por tomar de una forma muy seria su labor. Por permitirme desarrollar esta tesis, en la que pude trabajar con un equipo de valor monetario considerable y aprovechando esta oportunidad presentar también resultados experimentales.

Al M. en C. Tomás Ignacio Asiaín Olivares, por su dirección, y gracias a su experiencia, sus observaciones para llevar a cabo el desarrollo de las pruebas experimentles de este trabajo, parte fundamental del mismo, pruebas que dan sustento.

Al Dr. David Romero Romero, por sus observaciones y recomendaciones hechas para la obtención y el analisis de la respuesta del sistema de control de excitación en el dominio de la frecuencia.

A Gustavo Trinidad Hernandez, por su colaboración en el desarrollo de las pruebas experimentales, llevando a cabo el registro de las mediciones obtenidas.

RESUMEN

El sistema de control de excitación tiene la función de proveer corriente continua al devanado de campo de la máquina síncrona. Del sistema de control de excitación depende que el generador síncrono tenga un desempeño óptimo, ya que responde a situaciones que pueden presentarse durante la operación normal o por condiciones de falla en un sistema eléctrico de potencia, de manera que regula el voltaje en terminales del generador o en su caso en un punto externo al generador ante la presencia de eventos como son: escalones de voltaje, pérdida y toma de carga y condiciones de falla de corto circuito en las terminales del generador o en un punto dentro del sistema eléctrico.

En este trabajo se pone en operación y se sintoniza el regulador automático de voltaje PID del sistema de control de excitación digital Basler DECS 125-15 (el cual suministra 125 V de CD y una corriente de hasta 15 A de CD al devanado de campo) para las micromáquinas síncronas de polos salientes y polos lisos del simulador experimental de laboratorio del grupo de investigación de fenómenos dinámicos en máquinas eléctricas y redes interconectadas de la SEPI-ESIMEZ-IPN.

A

BSTRACT

The excitation control system has the function of providing direct current to the synchronous machine field winding. An optimal synchronous generator performance depends on the excitation control system, since it responds to situations that can be found in normal operation, or under fault conditions of the electric power system, in such a way that it regulates generator terminal voltage or a voltage in a point external to the generator in the presence of events like: voltage step changes, load rejections, load increases and short circuit conditions at the generator terminals or in a point of the electric system.

In this work, the process of connecting and tuning the PID automatic voltage regulator (AVR) of a Basler digital excitation control system DECS 125-15 (providing 125 V and 15 direct current A to field winding) is presented. It is adjusted to work connected to the synchronous salient pole and round rotor micro machines of the experimental power systems simulator of the electric machines and interconnected power system dynamics research group of SEPI-ESIMEZ-IPN.

This work presents the basics of generator excitation control, the structure and operation of a digital excitation control system and the control theory and tuning of PID (Proportional-Integral-Derivative) AVRs, which consists in determining the PID parameter values. These parameters should meet the performance indexes established by IEEE International standards, and should be into the feasible physical range of the equipment. The tuning process is fundamental, since an adequate excitation control system performance strongly depends on a correctly tuned automatic voltage regulator.

C

ONTENIDO

Página

DEDICATORIA ...V RESUMEN ... IX ABSTRACT ... XI CONTENIDO ... XIII LISTA DE FIGURAS ...XV LISTA DE TABLAS ... XIX GLOSARIO DE TÉRMINOS ... XXI

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN...1

1.1PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...1

1.2ANTECEDENTES...2

1.2.1 El proyecto de un simulador de un SEP...3

1.2.2 Trabajos realizados en el área de micromáquinas ...5

1.3OBJETIVO...6

1.4JUSTIFICACIÓN...6

1.5LIMITACIONES Y ALCANCES...7

1.6APORTACIONES DE LA TESIS...7

1.7ESTRUCTURA DE LA TESIS...8

CAPÍTULO 2: EL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA SÍNCRONA...11

2.1INTRODUCCIÓN...11

2.1.1 Sistemas de excitación ...11

2.1.2 Consideraciones del generador ...11

2.1.3 Consideraciones del sistema de potencia...12

2.2ESTRUCTURA GENERAL DEL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA SÍCRONA...12

2.2.1 Introducción...12

2.2.2 Transductor del voltaje terminal y compensador de carga ...14

2.2.3 Regulador automático de voltaje (RAV) ...16

2.2.4 Funciones principales de control del RAV...20

2.2.5 Controladores y reguladores de sistemas de excitación ...23

2.2.6 Excitatriz...27

2.3TIPOS PRINCIPALES DE CONTROL DE EXCITACIÓN...34

2.3.1 Sistema de excitación tipo DC ...34

2.3.2 Modelo del sistema de excitación tipo AC ...36

2.3.3 Modelo del sistema de excitación tipo ST ...37

CAPÍTULO 3: ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN BASLER DECS 125-15 ...39

3.1ESTRUCTURA GENERAL DEL CONTROL DE EXCITACIÓN...39

3.1.1 Información General...39

3.1.2 Características funcionales del DECS...41

3.1.3 Especificaciones...41

3.1.4 Descripción Funcional...43

3.2FUNCIONES PRINCIPALES DEL CONTROL DE EXCITACIÓN BASLER DECS125-15-B2C ...47

3.3MODELO DINÁMICO DEL CONTROL DE EXCITACIÓN...48

3.3.1 Diagrama a Bloques ...48

Página

CAPÍTULO 4: CONEXIÓN Y OPERACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN

BASLER DECS 125-15 ... 57

4.1DIMENSIONES... 57

4.2INTERCONEXIONES... 59

4.3OPERACIÓN... 67

4.4SOFTWARE “BESTCOMS” ... 75

4.4.1 Prueba de escalón ... 82

CAPÍTULO 5: SINTONIZACIÓN DEL REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE ... 85

5.1CONTROL PID ... 85

5.1.1 Introducción ... 85

5.1.2 El principio de la retroalimentación ... 89

5.1.3 El algoritmo básico PID... 90

5.1.4 Acciones básicas de control: Proporcional, Integral, Derivativa ... 91

5.1.5 Algoritmos PID... 98

5.2SINTONIZACIÓN DE CONTROLES PID ... 101

5.2.1 Introducción ... 101

5.2.2 Objetivo de la sintonización ... 102

5.2.3 Métodos de sintonización con las Reglas de Ziegler-Nichols... 103

5.2.4 Función de entrada escalón unitario... 107

5.2.5 Prueba de respuesta a la entrada de escalón unitario para el método 1 de Ziegler - Nichols... 108

5.2.6 Parámetros de ajuste usando el modelo POMTM con tres parámetros ... 112

5.2.7 Índices de desempeño a pequeños disturbios de un sistema de excitación... 112

5.3SINTONIZACIÓN DEL CONTROL BASLER DECS125-15... 117

5.3.1 Modelo de las micromáquinas síncronas de laboratorio ... 117

5.3.2 Procedimiento seleccionado para realizar la sintonización... 122

5.3.3 Prueba al escalón y determinación de los parámetros PID iniciales... 123

CAPÍTULO 6: PRUEBAS DE VALIDACIÓN DE LA SINTONIZACIÓN ... 127

6.1INTRODUCCIÓN... 127

6.2PRUEBAS DE VALIDACIÓN MEDIANTE SIMULACIÓN... 128

6.2.1 Prueba de validación en el dominio del tiempo mediante simulación para la máquina de polos salientes... 128

6.2.2 Prueba de validación en el dominio del tiempo mediante simulación para la máquina de polos lisos ... 130

6.2.3 Validación mediante simulación en el dominio de la frecuencia. ... 132

6.2.4 Parámetros validados mediante simulación digital ... 134

6.3PRUEBAS DE VALIDACIÓN EXPERIMENTALES... 135

6.3.1 Micromáquinas síncronas de laboratorio ... 135

6.3.2 Equipo requerido en las pruebas... 139

6.3.3 Ajustes básicos del sistema de excitación comunes a todas las pruebas ... 144

6.3.4 Pruebas de respuesta a un escalón en la referencia de control con la máquina síncrona en vacío ... 146

6.3.5 Pruebas de respuesta ante el arranque de un motor de inducción... 148

6.4DISCUSIÓN DE RESULTADOS... 150

CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES ... 153

6.1CONCLUSIONES... 153

6.2APORTACIONES DE LA TESIS... 154

6.3SUGERENCIAS PARA TRABAJOS FUTUROS... 155

L

ISTA DE

F

IGURAS

Página

FIGURA 1.1IDEA GENERAL DEL SIMULADOR A ESCALA DE UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA

(ADAPTADO DE [RUIZ ET AL.,2007])...3

FIGURA 1.2LOCALIZACIÓN FÍSICA DE LAS DIFERENTES ÁREAS DEL SIMULADOR EXPERIMENTAL (ADAPTADO DE [RUIZ ET AL.,2007])...4

FIGURA 2.1DIAGRAMA FUNCIONAL DE BLOQUES DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN DEL GENERADOR SÍNCRONO (ADAPTADO DE [KUNDUR,1994])...13

FIGURA 2.2ELEMENTOS OPCIONALES DE COMPENSACIÓN DE CARGA Y TRANSDUCTOR DEL VOLTAJE TERMINAL (ADAPTADO DE [IEEE,2005])...14

FIGURA 2.3DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UN COMPENSADOR DE CARGA (ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994])...16

FIGURA 2.4MODELO DEL RAV(ADAPTADO DE [KUNDUR,1994])...17

FIGURA 2.5ESTABILIZADOR DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN (ADAPTADO DE [PADIYAR,2004])...18

FIGURA 2.6REALIZACIÓN DEL ESTABILIZADOR DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN (ADAPTADO DE [PADIYAR,2004]). ...18

FIGURA 2.7.REDUCCIÓN DE GANANCIA TRANSITORIA (ADAPTADO DE [PADIYAR,2004]). ...19

FIGURA 2.8ESTABILIZACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE EXCITACIÓN (ADAPTADO DE [KOESSLER,1988,KUNDUR,1994]). ...20

FIGURA 2.9DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN SISTEMA DE EXCITACIÓN CON EL REGULADOR DE VOLTAJE EN MODO DE CONTROL AUTOMÁTICO (ADAPTADO DE [HURLEY AND MUMMERT,1999]). ...24

FIGURA 2.10DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN REGULADOR DE VOLTAJE CON UN CONTROLADOR VAR/FP (ADAPTADO DE [HURLEY AND MUMMERT,1999]). ...26

FIGURA 2.11DIAGRAMA DE BLOQUES SIMPLIFICADO DE UN REGULADOR DE VOLTAJE CON UN REGULADOR VAR/FP (ADAPTADO DE [HURLEY AND MUMMERT,1999]). ...26

FIGURA 2.12.EXCITATRIZ DE CD CON EXCITACIÓN SEPARADA (ADAPTADO DE [KUNDUR,1994]). ...28

FIGURA 2.13CURVA DE SATURACIÓN DE CARGA DE LA EXCITATRIZ (ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994])...29

FIGURA 2.14DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA EXCITATRIZ DE CD(ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994])...31

FIGURA 2.15EXCITATRIZ DE CD AUTOEXCITADA.(ADAPTADO DE [KUNDUR,1994])...32

FIGURA 2.16DIAGRAMA DE BLOQUES DE UNA EXCITATRIZ DE CA.(ADAPTADO DE [KUNDUR, 1994])...33

FIGURA 2.17CARACTERÍSTICA DE SATURACIÓN DE UNA EXCITATRIZ DE CD(ADAPTADO DE [KUNDUR,1994]). ...33

FIGURA 2.18SISTEMA DE EXCITACIÓN TIPO DC1A (ADAPTADO DE [IEEE,2005])...35

FIGURA 2.19 SISTEMA DE EXCITACIÓN TIPO AC1A DE ALTERNADOR-RECTIFICADOR CON RECTIFICADORES NO CONTROLADOS Y RETROALIMENTACIÓN DE LA CORRIENTE DE CAMPO DE LA EXCITATRIZ (ADAPTADO DE [IEEE,2005]). ...36

FIGURA 2.20–TIPO ST1A-FUENTE DE VOLTAJE, EXCITATRIZ CON RECTIFICADOR CONTROLADO (ADAPTADO DE [IEEE,2005])...38

FIGURA 3.1MAPA DEL TIPO DEL DECS(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ...40

FIGURA 3.2DIAGRAMA DE BLOQUES DEL DECS(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ...44

FIGURA 3.3MODELO DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN BASLER DECS125-15(ADAPTADO DE [BASLER, 2002])...49

FIGURA 3.4MODELO DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN BASLER DECS125-15 EN LAZO CERRADO. ...51

FIGURA 3.5MODELO DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN BASLER DECS125-15 EN LAZO ABIERTO...54

FIGURA 4.1ESQUEMA DE DIMENSIONES, VISTA FRONTAL (ADAPTADO DE [BASLER,2002])...57

FIGURA 4.2ESQUEMA DE DIMENSIONES, VISTA TRASERA (ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ...58

Página

FIGURA 4.4ESQUEMA DE DIMENSIONES DEL MÓDULO DE POTENCIA DEL DECS(ADAPTADO DE

[BASLER,2002]). ... 59

FIGURA 4.5TERMINALES DE CONEXIONES DEL DECS, VISTA TRASERA (ADAPTADO DE [BASLER, 2002]). ... 60

FIGURA 4.6CONEXIÓN TÍPICA DE SENSADO TRIFÁSICO (APLICACIÓN EN DERIVACIÓN, SECUENCIA DE FASES A-B-C)(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 61

FIGURA 4.7DIAGRAMA DE ALAMBRADO DEL DECS SINTONIZADO EN ESTE TRABAJO (ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 62

FIGURA 4.8CONEXIÓN EN CORRIENTE CRUZADA (DIFERENCIAL REACTIVO)(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 64

FIGURA 4.9CONEXIÓN TÍPICA DE SENSADO DE VOLTAJE DE UNA SOLA FASE (APLICACIÓN EN DERIVACIÓN, SECUENCIA DE FASES A-B-C)(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 66

FIGURA 4.10INDICADORES Y CONTROLES DEL PANEL FRONTAL (ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 68

FIGURA 4.11CONEXIÓN DE COMUNICACIONES PARA PROGRAMAR EL DECS(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 69

FIGURA 4.12PANTALLA INICIAL DE COMUNICACIONES (ADAPTADO DE [BASLER,2002])... 76

FIGURA 4.13CUADRO “COMM PORT”(ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 77

FIGURA 4.14CONFIGURACIONES DEL SISTEMA (ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 77

FIGURA 4.15CONFIGURACIÓN DEL CONTROL DE GANANCIAS (ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 81

FIGURA 4.16CONFIGURACIÓN DE LA PRUEBA DE ESCALÓN EN LA REFERENCIA (ADAPTADO DE [BASLER,2002]). ... 83

FIGURA 5.1DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN ESQUEMA GENERAL DE CONTROL (ADAPTADO DE [MORENO,GARRIDO Y BALAGUER,2003]). ... 87

FIGURA 5.2CONTROLADOR EN EL LAZO PRINCIPAL (ADAPTADO DE [MORENO,GARRIDO Y BALAGUER,2003])... 88

FIGURA 5.3DIAGRAMA DE BLOQUES CON CONTROLADOR Y RETROALIMENTACIÓN (ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND,1995]). ... 90

FIGURA 5.4DIAGRAMA DE BLOQUES DE UN LAZO DE RETROALIMENTACIÓN SIMPLE (ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND,1995]). ... 92

FIGURA 5.5SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO CON CONTROL PROPORCIONAL.LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL PROCESO ES G(S)=(S-3)-3.EL DIAGRAMA MUESTRA LA SALIDA DEL PROCESO Y PARA DIFERENTES VALORES DE KP, CON LA REFERENCIA R=0 Y LA GANANCIA ESTÁTICA DEL PROCESO K=1. ... 94

FIGURA 5.6IMPLEMENTACIÓN DE LA ACCIÓN INTEGRAL COMO UN RESET AUTOMÁTICO (ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND,1995]). ... 95

FIGURA 5.7SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO CON CONTROL PROPORCIONAL E INTEGRAL.LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL PROCESO ES G(S)=(S-3)-3. EL DIAGRAMA MUESTRA LA SALIDA DEL PROCESO Y PARA DIFERENTES VALORES DE TI, CON LA REFERENCIA R=0, LA GANANCIA PROPORCIONAL KP=1 Y LA GANANCIA ESTÁTICA DEL PROCESO K=1. ... 96

FIGURA 5.8INTERPRETACIÓN DE LA ACCIÓN COMO CONTROL PREDICTIVO, DONDE LA PREDICCIÓN ES OBTENIDA A TRAVÉS DE UNA EXTRAPOLACIÓN LINEAL (ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND,1995]). ... 97

FIGURA 5.9SIMULACIÓN DE UN SISTEMA DE CONTROL EN LAZO CERRADO CON CONTROL PROPORCIONAL, INTEGRAL Y DERIVATIVO.LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL PROCESO ES G(S)=(S-3)-3.EL DIAGRAMA MUESTRA LA SALIDA DEL PROCESO Y PARA DIFERENTES VALORES DE TD, CON LA REFERENCIA R=0, LA GANANCIA PROPORCIONAL KP=1, LA CONSTANTE DE TIEMPO INTEGRAL TI=2 Y LA GANANCIA ESTÁTICA DEL PROCESO K=1. ... 98

FIGURA 5.10 (A)FORMA NO INTERACTIVA Y (B) FORMA INTERACTIVA DEL ALGORITMO PID (ADAPTADO DE [ÅSTRÖM AND HÄGGLUND,1995]). ... 99

FIGURA 5.11RESPUESTA ANTE LA ENTRADA ESCALÓN UNITARIO, QUE MUESTRA UN SOBRETIRO MÁXIMO DE 25%. ... 104

Página

FIGURA 5.13CURVA DE RESPUESTA EN FORMA DE S(ADAPTADO DE [OGATA,2003]). ... 104 FIGURA 5.14SISTEMA EN LAZO CERRADO CON UN CONTROLADOR PROPORCIONAL (ADAPTADO DE

[OGATA,2003])... 106 FIGURA 5.15RESPUESTA CUANDO LA GANANCIA DEL CONTROLADOR SE HACE IGUAL A LA

GANANCIA ÚLTIMA KCR CON OSCILACIÓN SOSTENIDA CON PERIODO PCR(ADAPTADO DE

[OGATA,2003])... 106 FIGURA 5.16FUNCIÓN ESCALÓN UNITARIO UTILIZADA COMO SEÑAL DE PRUEBA BÁSICA EN EL

DOMINIO DEL TIEMPO PARA SISTEMAS DE CONTROL (ADAPTADO DE [KUO,1995]). ... 108 FIGURA 5.17CURVA DE REACCIÓN DEL PROCESO O RESPUESTA ANTE LA ENTRADA ESCALÓN EN

CIRCUITO ABIERTO (ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO,2006]). ... 109 FIGURA 5.18RESPUESTA ANTE UNA FUNCIÓN ESCALÓN DE UN PROCESO DE PRIMER ORDEN MAS

TIEMPO MUERTO EN LA QUE SE ILUSTRA LA DEFINICIÓN GRAFICA DE TIEMPO MUERTO T0, Y LA

CONSTANTE DE TIEMPO τ(ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO,2006]). ... 109 FIGURA 5.19PARÁMETROS DEL MODELO POMTM CON TRES PARÁMETROS QUE SE OBTIENE

MEDIANTE EL MÉTODO 1(ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO,2006])... 110 FIGURA 5.20PARÁMETROS DEL MODELO POMTM CON TRES PARAMETROS QUE SE OBTIENE CON EL

MÉTODO 2(ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO,2006])... 110 FIGURA 5.21PARÁMETROS DEL MODELO POMTM CON TRES PARÁMETROS QUE SE OBTIENE CON EL

MÉTODO 3(ADAPTADO DE [SMITH Y CORRIPIO,2006])... 111 FIGURA 5.22 RESPUESTA TÍPICA EN EL TIEMPO PARA UNA ENTRADA DE TIPO ESCALÓN (ADAPTADO

DE [KUNDUR,1994]). ... 114 FIGURA 5.23:RESPUESTA A LA FRECUENCIA TÍPICA, DE LAZO ABIERTO DE UN SISTEMA DE CONTROL

DE EXCITACIÓN CON EL GENERADOR EN VACÍO (ADAPTADO DE [IEEE,1990,KUNDUR,

1994])... 116 FIGURA 5.24:RESPUESTA A LA FRECUENCIA TÍPICA DE LAZO CERRADO DE UN SISTEMA DE CONTROL

DE EXCITACIÓN CON EL GENERADOR EN VACÍO (ADAPTADO DE [IEEE,1990,KUNDUR,

1994])... 117 FIGURA 5.25MODELO DEL GENERADOR SÍNCRONO. ... 117 FIGURA 5.26DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE EXCITACIÓN CONJUNTO CON EL MODELO DEL

GENERADOR... 120 FIGURA 5.27RESULTADOS DE LA PRUEBA DE CORTOCIRCUITO APLICADA A LAS MICROMÁQUINAS

SÍNCRONAS (ADAPTADO DE [GARCÍA,2007])... 121 FIGURA 5.28MODELO MODIFICADO DEL GENERADOR (LA PLANTA) INCLUYENDO LA GANANCIA KA. ... 122

FIGURA 5.29IMPLEMENTACIÓN DE LOS BLOQUES DE LA FUNCIÓN ESCALÓN, MODELO DEL

GENERADOR Y REGISTRADOR DE DATOS DE SALIDA... 123 FIGURA 5.30CURVA DE RESPUESTA A LA ENTRADA ESCALÓN UNITARIO DE LA SIMULACIÓN CON EL

MODELO DE LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES EN LAZO ABIERTO. ... 123 FIGURA 5.31IMPLEMENTACIÓN DE LOS BLOQUES DE LA FUNCIÓN ESCALÓN, MODELO DEL

GENERADOR Y REGISTRADOR DE DATOS DE SALIDA... 125 FIGURA 5.32CURVA DE RESPUESTA A LA ENTRADA ESCALÓN UNITARIO DE LA SIMULACIÓN CON EL

MODELO DE LA MÁQUINA DE POLOS LISOS EN LAZO ABIERTO. ... 125 FIGURA 6.1MODELO IMPLEMENTADO EN SIMULINK®PARA SIMULAR LA RESPUESTA DEL SISTEMA

ANTE UNA PERTURBACIÓN CON UN ESCALÓN UNITARIO EN LA REFERENCIA PARA LA MÁQUINA

DE POLOS SALIENTES. ... 128 FIGURA 6.2RESPUESTA DEL SISTEMA CON EL RAV SINTONIZADO COMO CONTROL PID PARA LA

MÁQUINA DE POLOS SALIENTES. ... 129 FIGURA 6.3MODELO IMPLEMENTADO EN SIMULINK® PARA SIMULAR LA RESPUESTA DEL SISTEMA

ANTE UNA PERTURBACIÓN CON UN ESCALÓN UNITARIO EN LA REFERENCIA PARA LA MÁQUINA

DE POLOS LISOS... 130 FIGURA 6.4RESPUESTA DEL SISTEMA CON EL RAV SINTONIZADO COMO CONTROL PID PARA LA

MÁQUINA DE POLOS LISOS. ... 131 FIGURA 6.7UBICACIÓN DE LAS MICROMÁQUINAS, DENTRO DEL ÁREA DE LA MICRO RED DEL

Página

FIGURA 6.8ÁREA DE LA MICRO RED DEL SIMULADOR EXPERIMENTAL DE SISTEMAS ELÉCTRICOS DE POTENCIA.A:MICROMÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES.B: TABLERO DE CARGAS,

CONEXIONES Y ELEMENTOS DE TRANSMISIÓN.C:MICROMÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS LISOS. ... 137

FIGURA 6.9DIMENSIONES Y ASPECTO DE LAS MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS (ADAPTADO DE MEJÍA Y TRINIDAD,1997). ... 138

FIGURA 6.10CONEXIONES ELÉCTRICAS DE LAS TERMINALES.(ADAPTADO DE MEJÍA Y TRINIDAD, 1997)... 138

FIGURA 6.11CARTAS DE OPERACIÓN TEÓRICAS Y EXPERIMENTALES DE LAS MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS DE LA MICRORRED [GARCÍA,2007]. ... 139

FIGURA 6.12TRANSFORMADOR DE CORRIENTE E INTERRUPTOR TRIFÁSICO. ... 140

FIGURA 6.13MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO... 140

FIGURA 6.14MULTÍMETRO DIGITAL,FLUKE. ... 141

FIGURA 6.15OSCILOSCOPIO DIGITAL... 141

FIGURA 6.16SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD. ... 142

FIGURA 6.17CONEXIÓN DEL DECS125-15 CON LA COMPUTADORA PERSONAL Y EL INTERRUPTOR TRIFÁSICO. ... 142

FIGURA 6.18CONEXIÓN DE LOS EQUIPOS EMPLEADOS DURANTE LAS PRUEBAS EXPERIMENTALES REALIZADAS A LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES.A)MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES,B)REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE (RAV),C)MÓDULO DE POTENCIA DEL RAV,D)OSCILOSCOPIO,E)INTERRUPTOR TRIFÁSICO,F) TRANSFORMADOR DE CORRIENTE,G)CONTROL DE VELOCIDAD,H)MOTOR DE INDUCCIÓN TRIFÁSICO DE 1HP, I) COMPUTADORA PERSONAL... 143

FIGURA 6.19PARTE TRASERA DEL RAV, TERMINALES DE CONEXIONES... 143

FIGURA 6.20ACOPLAMIENTO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA CON EL PRIMOMOTOR.A)MÁQUINA SÍNCRONA. B)PRIMOMOTOR DE CD. ... 144

FIGURA 6.21AJUSTE DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMADOR DEL TC Y SECUENCIA DE FASES... 145

FIGURA 6.22AJUSTE DEL VOLTAJE TERMINAL... 145

FIGURA 6.23AJUSTE DE BAJA FRECUENCIA, PORCENTAJE DE SOBREVOLTAJE Y TIEMPO DE PÉRDIDA DE SENSADO DE VOLTAJE. ... 146

FIGURA 6.24CIRCUITO DE PRUEBA PARA EFECTUAR LA PRUEBA DE ESCALÓN. ... 147

FIGURA 6.25RESPUESTA AL ESCALÓN EN LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES. ... 147

FIGURA 6.26RESPUESTA AL ESCALÓN EN LA MÁQUINA DE POLOS LISOS. ... 148

FIGURA 6.27CIRCUITO DE PRUEBA PARA LA OBTENCIÓN DE LA RESPUESTA DEL SISTEMA ANTE EL ARRANQUE DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN. ... 149

FIGURA 6.28RESPUESTA ANTE LA ENTRADA DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN EN LA MÁQUINA DE POLOS SALIENTES. ... 149

L

ISTA DE

T

ABLAS

Página

TABLA 3.1ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS, REQUERIMIENTOS DE ALIMENTACIÓN (50-400HZ). ...41

TABLA 3.2ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS GENERALES. ...42

TABLA 3.3REQUERIMIENTOS DEL CAMPO DEL GENERADOR. ...43

TABLA 4.1COMBINACIONES DE LOS INTERRUPTORES PARA LAS FUNCIONES OPCIONALES...62

TABLA 4.2CONEXIÓN PARA SECUENCIA DE FASES A-B-C. ...65

TABLA 4.3CONEXIÓN PARA SECUENCIA DE FASES A-C-B. ...65

TABLA 4.4CONEXIÓN PARA EL SENSADO DE UNA SOLA FASE. ...65

TABLA 4.5AJUSTES Y ACRÓNIMOS DEL PANEL FRONTAL DEL DECS. ...69

TABLA 4.6LISTA DEL DISPLAY...71

TABLA 4.7VALORES PARA LOS PARÁMETROS PID...82

TABLA 5.1REGLAS DE SINTONIZACIÓN DE ZIEGLER Y NICHOLS BASADAS EN LA RESPUESTA A LA ENTRADA DE ESCALÓN UNITARIO PARA EL PRIMER MÉTODO (AJUSTES USANDO DOS PARÁMETROS DE LA CURVA DE RESPUESTA)[OGATA,2003]. ... 105

TABLA 5.2REGLAS DE SINTONIZACIÓN DE ZIEGLER Y NICHOLS BASADAS EN LA GANANCIA CRÍTICA KCR Y PERIODO CRÍTICO PCR PARA EL SEGUNDO MÉTODO [OGATA,2003]... 107

TABLA 5.3FORMULAS PARA AJUSTE DE RESPUESTA DE RAZÓN DE ASENTAMIENTO DE UN CUARTO, USANDO EL MODELO POMTM CON TRES PARÁMETROS [OGATA,2003]... 112

TABLA 5.4VALORES ACEPTABLES DE LOS ÍNDICES DE DESEMPEÑO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Y LA FRECUENCIA. ... 117

TABLA 5.5PARÁMETROS DE LA MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS SALIENTES EN P.U. A LA BASE DE LA MÁQUINA, OBTENIDOS A TENSIÓN REDUCIDA CON EL CRITERIO IEC([JUÁREZ ET AL.,2009]). ... 118

TABLA 5.6PARÁMETROS DE LA MÁQUINA SÍNCRONA DE POLOS LISOS EN P.U. A LA BASE DE LA MÁQUINA, OBTENIDOS A TENSIÓN REDUCIDA CON EL CRITERIO IEC(ADAPTADO DE [JUÁREZ ET AL.,2009]). ... 119

TABLA 5.7PARÁMETROS INICIALES DEL REGULADOR AUTOMÁTICO DE VOLTAJE PID CALCULADOS CON EL MÉTODO DE ZIEGLER-NICHOLS PARA LAS MICROMÁQUINAS SÍNCRONAS DE LABORATORIO. ... 126

TABLA 6.1RESULTADOS OBTENIDOS MEDIANTE PRUEBAS DE SIMULACIÓN *. ... 135

G

LOSARIO DE

T

ÉRMINOS

m

φ Margen de fase

c(t) Respuesta de la señal de salida de la planta

CA Corriente alterna

CD Corriente directa

css(t) Respuesta en estado estacionario

ct(t) Respuesta transitoria

D Acción derivativa

DECS Sistema de control de excitación digital (“Digital Excitation Control System” en Inglés) E, e(t) Error de comparación con respecto a la señal de referencia

Ef Voltaje de campo de la excitatriz con ninguna resistencia de campo externa

EFD, Efd EX Señal de voltaje de salida de la excitatriz

FP Factor de potencia

G(s) Función de transferencia del algoritmo PID

G’(s) Función de transferencia de un algoritmo PID interactivo

G’’(s) Función de transferencia de un algoritmo PID de la forma paralela

Gen 1 Generador 1

Gen 2 Generador 2

Gm Margen de ganancia

I Acción integral

If, Ief , Ifd Corriente del devanado de campo de la máquina síncrona

Inom Corriente nominal de armadura

ef

I

Δ Desviación de la curva de saturación de carga de la línea del entrehierro

K’P Constante proporcional de un algoritmo PID interactivo

KA, K Ganancia del RAV, ganancia estática Kcr Ganancia crítica

KD Ganancia derivativa del RAV

KE Ganancia de la excitatriz (para el caso de las excitatrices)

KE Valor constante alcanzado de c(t) (para el caso de la determinación de KP, Ti, Td) KF Ganancia del estabilizador del sistema de excitación

KI Ganancia integral del RAV

KP Ganancia proporcional del RAV

l Disturbio de carga

L Tiempo de retardo

Lef Inductancia del circuito de campo

Mp Valor pico

n Ruido de medición

P Acción proporcional

P cr Periodo critico correspondiente a la ganancia crítica

R Valor del escalón

RAV Regulador automático de voltaje RC Resistencia de compensación de carga

Ref Resistencia del circuito de campo

RFpolos lisos Resistencia del devanado de campo de la máquina de polos lisos

RFpolos salientes Resistencia del devanado de campo de la máquina de polos salientes

Rg Pendiente de la línea del entrehierro

s Dominio de la frecuencia

Se(EX) Función de saturación dependiente de EX

SF Factor de escalamiento

Snom Potencia nominal

STAB Rango de estabilidad

T Constante de tiempo

t Tiempo

T’d Tiempo derivativo de un algoritmo PID interactivo

T’i Tiempo integral de un algoritmo PID interactivo

'

do

T Constante de tiempo transitoria de circuito abierto en el eje directo

'

d

T Constante de tiempo transitoria de cortocircuito en el eje directo

TA Constante de tiempo del RAV

TC Transformador de corriente

TC, TB Constantes de tiempo de la reducción de la ganancia transitoria

Td Tiempo derivativo

TE Tiempo de integración de la excitatriz

TF Constante de tiempo del estabilizador del sistema de excitación

Ti Tiempo integral

TP Transformador de potencial

TR Constante de tiempo del transductor

u(t) Variable de control a la salida del algoritmo PID

V1 Señal de salida de la reducción de la ganancia transitoria VAR Potencia reactiva

VC Señal de voltaje de salida del transductor

VC1 Señal de salida del compensador de carga

VF Señal de voltaje de salida del estabilizador del sistema de excitación

VOEL Límite de voltaje de sobrexcitación

VR Voltaje regulado en la salida del RAV

VREF Voltaje de referencia de control

VRMAX Límite “non-windup” máximo del RAV

VRMIN Límite “non-windup” mínimo del RAV

VS Señal de voltaje de salida del estabilizador del sistema de potencia

VT Voltaje en terminales

VUEL Límite de voltaje de baja excitación

VX Señal de entrada al amplificador del RAV

XC Inductancia de compensación de carga

d

X Reactancia síncrona en condiciones de estado estacionario en el eje directo

'

d

C

APÍTULO

1:

I

NTRODUCCIÓN

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El estudio del comportamiento dinámico y en estado estacionario de los sistemas eléctricos de potencia se realiza casi exclusivamente por medio de simuladores. Aunque los simuladores de computadora digital han prevalecido y son la herramienta principal de los ingenieros encargados de la planeación y la operación de los sistemas eléctricos de potencia, los simuladores experimentales pueden ser utilizados de manera complementaria para realizar tareas importantes en la investigación y la docencia de la ingeniería eléctrica de sistemas de potencia como son, entre otros [Ruiz et al., 2007]:

• La validación de los modelos y programas de computadora digital.

• El desarrollo de dispositivos de medición y control necesarios para implementar esquemas de control y protección que mejoren la operación del sistema eléctrico de potencia.

• La enseñanza de los principios básicos del control de sistemas eléctricos de potencia a nivel licenciatura y posgrado.

• Desarrollo y validación experimental de técnicas de sintonización de controles de excitación.

• Desarrollo y validación experimental de modelos de protecciones y controles de largo plazo.

1.2 ANTECEDENTES

Históricamente, el papel del sistema de excitación en el mejoramiento del rendimiento del sistema de potencia ha ido creciendo continuamente. Los primeros sistemas de excitación fueron controlados manualmente para mantener el voltaje terminal deseado del generador y potencia reactiva de la carga. Cuando el control de voltaje fue automatizado por primera vez, fue muy lento, básicamente cubriendo el papel del operador de alerta. A principios de la década de 1920, el potencial de aumento de la estabilidad transitoria a través del uso continuo de reguladores de acción rápida fue reconocido.

Esto aumentó el interés en el desarrollo de diseños de sistemas de excitación, excitatrices y reguladores de voltaje con una respuesta más rápida, que pronto se introdujo a la industria. Desde entonces los sistemas de excitación han tenido una evolución constante.

A principios de la década de 1960, las funciones del sistema de excitación se ampliaron mediante el uso de señales auxiliares para el control de voltaje de campo con el objeto de disminuir las oscilaciones del sistema. Esta función del control de excitación la realiza el estabilizador del sistema de potencia. Los sistemas de excitación modernos son capaces de suministrar una respuesta prácticamente instantánea con altos voltajes de techo.

La combinación de la alta capacidad del campo forzado y el empleo de señales auxiliares de estabilización contribuyen al aumento substancial del funcionamiento dinámico de todo el sistema [Kundur, 1994].

Los sistemas de control de excitación y sistemas de control en general actuales emplean el algoritmo de control PID, el cual data de 1939, cuando la compañía Taylor instrument introdujo una versión completamente rediseñada de un controlador neumático llamado "Fulscope": este nuevo instrumento proporcionó, además de la acción de control proporcional y de la acción de control de reset, una acción que la compañía de instrumentación Taylor llamo "pre-act". En el mismo año la compañía de instrumentación Foxboro añadió un "Hyper-reset" a las acciones de control proporcional y de reset proporcionadas con su controlador neumático "Stabilog". Cada una de las acciones de control “pre-act” e “Hyper-reset” proporcionan una acción de control proporcional a la derivada de la señal de error. La acción de reset (también llamada “floating”) proporciona una acción de control proporcional a la integral de la señal de error y desde entonces ambos reguladores ofrecieron el control PID [Bennett, 1993].

que la banda proporcional (ganancia) del controlador pudiera ser ajustada en campo. Los ajustes hechos en campo trajeron un problema ya que no había ningún método establecido de escoger los ajustes apropiados para cada uno de las tres acciones de control. Reconociendo esto como una debilidad, la compañía Taylor Instrument realizó investigaciones intensas en una tentativa para determinar los métodos de determinación de ajustes de control óptimos para el controlador PID. Este intenso trabajo resultó en dos artículos publicados por J.G. Ziegler y N.B. Nichols publicados en 1942 y 1943 [Ziegler and Nichols, 1942], [Ziegler and Nichols, 1943]. En estos artículos Ziegler y Nichols mostraron como determinar los parámetros del controlador, los cuales podían ser escogidos basándose primero en pruebas de lazo abierto sobre la planta y después en pruebas de lazo cerrado sobre la planta [Bennett, 1993].

1.2.1 El proyecto de un simulador de un SEP

El grupo de Investigación de Fenómenos Dinámicos en Redes Interconectadas y Máquinas Eléctricas de la SEPI-ESIME conformado desde mediados de la década de 1980 está desarrollando un simulador de sistemas eléctricos de potencia multimáquinas con 4 áreas de control. La figura 1.1 muestra en forma esquemática la idea general del simulador que se está construyendo [Ruiz et al., 2007].

Los aspectos fundamentales de diseño y construcción del simulador de sistemas eléctricos de potencia (SEP) concebido como un sistema multi-máquinas conformado por grupos de máquinas motor de CD – alternador síncrono de diferente capacidad, así como de elementos como transformadores, líneas, interruptores, cargas dinámicas y estáticas entre otros, está fundamentado en trabajos que abordan aspectos del diseño y construcción de simuladores de SEP.

Las áreas de control que componen el simulador experimental de sistemas de potencia se encuentran desplazadas geográficamente dentro del área de la nave del edifico de Laboratorios Pesados II de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco, como se muestra en la figura 1.2, para mejorar la representación de un sistema interconectado.

Entrada

Micromáquinas de 4.5 KVA Ducto

Máquina educacional de 5 KVA

Ducto

Máquinas generalizadas de 3 y 4 KVA

Ducto 50 m

60 m

Ducto

Máquina convencional de 9

KVA

T

ri

n

ch

er

a

N S

E

O

LABORATORIOS PESADOS II

Figura 1.2 Localización física de las diferentes áreas del Simulador Experimental (Adaptado de [Ruiz et al., 2007]).

Este plan, que ya tiene aproximadamente diecisiete años de haber sido propuesto por el Dr. Daniel Olguín Salinas, y que desde sus inicios ha sido un proyecto de alcances muy ambiciosos, es retomado ahora por el actual grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas de la SEPI-ESIME-Zacatenco, formado por el M. en C. Tomás I. Asiaín, el Dr. Daniel Olguín y el Dr. Daniel Ruiz [Ruiz et al., 2007].

1.2.2 Trabajos realizados en el área de micromáquinas

La utilización de este enfoque, a la vez que ha facilitado la implementación del proyecto general, ha permitido probar la utilidad de las máquinas en las diferentes áreas de control por separado, en diferentes proyectos de investigación y docencia con resultados muy exitosos en la producción de recursos humanos y trabajos de investigación como son [Ruiz et al., 2007]:

¾ 14 tesis de maestría.

¾ 2 premios de tesis de maestría del IPN.

¾ 2 premios en los certámenes de tesis del IIE.

¾ 1 premio de ingeniería de la Ciudad de México

¾ 1 primer premio del concurso institucional de software del IPN a nivel superior.

¾ 13 tesis de licenciatura.

¾ 2 artículos de investigación en revistas internacionales.

¾ 4 artículos de investigación en revistas nacionales.

¾ 38 artículos de investigación en congresos internacionales.

¾ 19 artículos de investigación en congresos nacionales.

Algunas de las aplicaciones utilizadas en estos trabajos son [Ruiz et al., 2007]:

¾ Determinación de parámetros dinámicos y en estado estacionario de máquinas eléctricas.

¾ Enseñanza práctica de la teoría generalizada de las máquinas eléctricas.

¾ Diseño de pruebas para la determinación de parámetros de cargas eléctricas a partir de mediciones.

¾ Implementación del control de excitación de un generador síncrono.

¾ Implementación de simuladores de turbina hidráulica con fines de investigación y docencia.

¾ Puesta en marcha de un sistema de control supervisorio y adquisición de datos (SCADA).

¾ Implementación de las protecciones de un generador síncrono de laboratorio.

¾ Técnicas para el monitoreo de la condición de máquinas eléctricas y transformadores.

El desarrollo del simulador de sistemas de potencia en etapas ha permitido a los miembros del grupo de investigación de fenómenos dinámicos adquirir una experiencia muy valiosa en la construcción y caracterización de los simuladores. En particular, se han desarrollado los siguientes trabajos de tesis con la microrred, listados en orden cronológico descendente: [Juárez, 2008, Marín, 2008, Ramírez y Trinidad, 2007, García, 2007].

El trabajo de algunos de estos alumnos de licenciatura y su contacto con las simulaciones experimentales posibles en el laboratorio los ha hecho decidirse a hacer trabajos de tesis teórico-experimentales utilizando el simulador y, en muchos casos, continuar sus estudios en un programa de maestría.

Por todos los resultados reportados y la experiencia adquirida a lo largo del desarrollo del simulador, se considera en el grupo de investigación de fenómenos dinámicos que la continuación de estos trabajos es de una gran importancia, ya que puede generar no solamente proyectos de investigación y docencia, tesis de nivel posgrado, licenciatura y artículos de investigación, sino que puede además ser utilizado, una vez terminado el proyecto general básico, para desarrollar prototipos de sistemas de control, monitoreo y protección que ayuden a fortalecer la independencia tecnológica de nuestro país.

El proyecto presente se encuentra, por lo tanto, insertado dentro de la larga tradición de desarrollo de proyectos teórico-experimentales que ha impulsado desde sus inicios el Instituto Politécnico Nacional [Ruiz et al., 2007].

1.3 OBJETIVO

Presentar los conceptos básicos de la estructura, operación y sintonización del sistema de control de excitación de máquinas síncronas y aplicarlos en las micromáquinas síncronas del simulador experimental de sistemas eléctricos de potencia.

1.4 JUSTIFICACIÓN

Actualmente es necesario contar con herramientas experimentales para desarrollar nuevas pruebas y prototipos requeridos por la industria eléctrica. En el desarrollo del simulador experimental se están utilizando equipos comerciales para implementar los sistemas de comunicación, medición, control y protección, pero el sistema final resultante será un gran apoyo en el futuro para desarrollar prototipos propios de sistemas de control, comunicación y protección.

Electricidad (CFE) se utilizan parámetros típicos tomados de otros controles, por el desconocimiento de pruebas de determinación de parámetros de controles de excitación.

Es por esta razón que es necesario conocer los conceptos básicos del control de excitación y aportar este paso para acelerar la construcción del simulador experimental de sistemas eléctricos de potencia, que en un futuro cercano puede ser utilizado en trabajos experimentales para la determinación de parámetros dinámicos de controles de excitación.

1.5 LIMITACIONES Y ALCANCES

Este trabajo está enfocado principalmente a la sintonización del regulador automático de voltaje, que es una parte fundamental del sistema de control de excitación, por lo que se describirán y tratarán de manera más detallada las funciones del regulador automático de voltaje y las consideraciones para llevar a cabo su instalación y operación. La descripción detallada de los componentes restantes del sistema de control de excitación de la máquina síncrona, está fuera del alcance de este trabajo.

1.6 APORTACIONES DE LA TESIS

Las aportaciones del presente trabajo pueden ser resumidas de la siguiente manera:

• Se describen de manera detallada los conceptos básicos de los sistemas de control de excitación de máquinas síncronas y sus funciones principales y modos de operación.

• Se describen de manera clara los conceptos básicos de los controles PID y de los métodos de sintonización de Ziegler-Nichols.

• Los conceptos antes mencionados se aplican en la sintonización del regulador automático de voltaje del sistema de control de excitación Basler 125-15 considerando su conexión en los dos tipos principales de máquinas síncronas: de polos lisos y polos salientes.

• Se presentan diferentes métodos para validar los ajustes obtenidos en el proceso de sintonización por medio de simulaciones digitales y pruebas experimentales.

• Se presentan soluciones a problemas prácticos encontrados en la sintonización de controles, como la obtención de valores necesarios en el proceso de ajuste por medio de pruebas auxiliares.

• Además de las aportaciones teóricas y prácticas antes mencionadas, una aportación principal de esta tesis es su importante colaboración en el ajuste del nuevo sistema de control del área de las micromáquinas del simulador experimental de sistemas de potencia, el cual está siendo desarrollado por el grupo de investigación de fenómenos dinámicos en redes interconectadas y máquinas eléctricas de la SEPI-ESIME-Zacatenco.

El simulador es una herramienta importante en las tareas de docencia e investigación del comportamiento dinámico de sistemas eléctricos de potencia en estado estacionario y transitorio para los niveles de licenciatura y posgrado [Ruiz et al., 2007].

Recientemente se han adquirido, por medio de fondos del proyecto CONACyT No. 083701 titulado: “Desarrollo de un Simulador Experimental de Sistemas Eléctricos de Potencia a Escala” dos controles de excitación Basler 200, los cuales serán instalados permanentemente en el simulador. Las técnicas y ajustes presentados en este trabajo son los que se emplearán para los reguladores automáticos de voltaje de estos controles.

1.7 ESTRUCTURA DE LA TESIS

La estructura de este trabajo es la siguiente:

• Capítulo 1: Introducción. En este capítulo se establece el planteamiento del problema que da fundamento a la razón de ser de este trabajo, se presentan antecedentes que se han tenido en el desarrollo de los sistemas de control de excitación y de los controles PID, los trabajos que se han desarrollado durante la construcción del simulador experimental a escala, el objetivo y justificación para elaborar este trabajo, los límites a los cuales está sujeto y la estructura de la tesis.

• Capítulo 3: Estructura del sistema de control de excitación Basler DECS 125-15. En este capítulo se hace una descripción de las funciones principales que componen el sistema de control de excitación digital Basler Electric DECS 125-15 que se sintoniza en este trabajo, las especificaciones eléctricas que cubre y las que son necesarias para su conexión. Por último se presenta el modelo de bloques que corresponde al modelo dinámico que sigue este equipo y los modelos de estado del sistema en lazo cerrado y abierto.

• Capítulo 4: Conexión y operación del sistema de control de excitación Basler DECS 125-15. En este capítulo se presentan los requerimientos para la conexión del sistema de control de excitación digital Basler Electric DECS 125-15, las dimensiones físicas, el diagrama de conexiones a seguir para su puesta en marcha, la forma de introducir los valores de sintonización, operarlo ya sea directamente sobre el panel frontal o a través del software, así como su interconexión a la PC para la comunicación y extracción de datos.

• Capítulo 5 Sintonización del regulador automático de voltaje. En este capítulo se abordan los conceptos teóricos sobre el método de sintonización de los controles PID, en los que se establecen los principios de operación y las acciones de control. En este trabajo se hace uso del método de sintonización de Ziegler–Nichols basado en el cálculo de parámetros de controladores PID a partir de la respuesta al escalón de la planta a controlar. Se presenta la determinación de los parámetros PID y su ajuste.

• Capítulo 6: Pruebas de validación de la sintonización. En este capítulo se presenta la conexión física del control de excitación y los resultados de las simulaciones digitales y las pruebas experimentales utilizadas para validar la sintonización. Se presentan los resultados detallados de la prueba de respuesta ante un escalón en la referencia del control, así como los resultados de la prueba de respuesta ante la entrada de un motor de inducción.

• Capítulo 7: Conclusiones. En este capítulo se presentan las conclusiones del trabajo de tesis y sugerencias para trabajos futuros.

C

APÍTULO

2:

E

L

C

ONTROL DE

E

XCITACIÓN DE LA

M

ÁQUINA

S

ÍNCRONA

2.1 INTRODUCCIÓN

2.1.1 Sistemas de excitación

La función básica de un sistema de excitación es proveer corriente directa al devanado de campo de la máquina síncrona. Además, el sistema de control de excitación desempeña funciones de control y protección que son esenciales para el desempeño satisfactorio del sistema de potencia.

Las funciones de control incluyen el control de voltaje y del flujo de potencia reactiva, y el aumento de la estabilidad del sistema. Las funciones de protección aseguran que los límites de capacidad de la máquina síncrona, los sistemas de excitación, y otros equipos no sean excedidos [Kundur, 1994].

2.1.2 Consideraciones del generador

El requerimiento básico de operación es que el sistema de excitación suministre y automáticamente ajuste la corriente de campo del generador síncrono para mantener el voltaje en terminales constante y la potencia reactiva dentro de la capacidad continua del generador.

Además, el sistema de excitación debe ser capaz de responder a disturbios transitorios con el campo del generador forzado dentro de su capacidad de corto plazo. Las capacidades del generador en este sentido son limitadas por varios factores [Kundur, 1994]:

• Falla del aislamiento del rotor debido al alto voltaje de campo.

• Calentamiento de estator debido a una alta corriente de carga en la armadura.

• Calentamiento de los extremos del núcleo durante una operación subexcitada.

• El calentamiento debido a exceso de flujo (volts/Hz).

2.1.3 Consideraciones del sistema de potencia

Desde el punto de vista del sistema de potencia, el sistema de excitación debe contribuir al control efectivo de voltaje y la mejora de la estabilidad del sistema. Debe ser capaz de responder rápidamente a un disturbio para aumentar la estabilidad transitoria y de modular el campo del generador a fin de aumentar la estabilidad ante pequeños disturbios [Kundur, 1994].

El sistema de excitación debe satisfacer las siguientes exigencias para cumplir con un desempeño satisfactorio [Kundur, 1994]:

• Cumplir criterios de respuesta especificados.

• Proporcionar la limitación y funciones protectoras adecuadamente para prevenir el daño a sí mismo, al generador y a otro equipo.

• Cumplir requerimientos especificados para la flexibilidad de operación.

• Cumplir con la confiabilidad y disponibilidad deseadas, incluyendo el nivel necesario de redundancia, la capacidad de detección de una falla interna y la capacidad de aislarse del sistema.

2.2 ESTRUCTURA GENERAL DEL CONTROL DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA SÍCRONA

2.2.1 Introducción

La figura 2.1 muestra el diagrama funcional de bloques de un sistema de control de excitación típico, para un generador síncrono grande. A continuación se hace una breve descripción de los subsistemas identificados en la figura 2.1 [Kundur, 1994]. (1) Excitatriz. Provee energía de CD al devanado de campo de la máquina síncrona, constituyendo el elemento de potencia del sistema de excitación.

retroalimentación derivativa o compensación serie por reducción de la ganancia transitoria, esto se aborda en la sección 2.2.3.2).

Circuitos de protección y limitadores

Transductor de voltaje terminal y

compensador de carga

Generador

Estabilizador del sistema de

potencia Excitatriz

Regulador

2 1

5

3

4

VT VREF

Figura 2.1 Diagrama funcional de bloques del sistema de control de excitación del generador síncrono (Adaptado de [Kundur, 1994]).

(3) Transductor del voltaje terminal y compensador de carga. Sensa el voltaje en las terminales del generador, lo rectifica y lo filtra a una cantidad de CD, y lo compara con una referencia que representa el voltaje terminal deseado. Adicionalmente, puede proporcionar compensación de carga (compensación por pérdidas reactivas ó caída de voltaje), si se desea mantener constante, según sea necesario, el voltaje en algún punto eléctricamente remoto del generador, (por ejemplo, un punto después del transformador elevador del generador) o en un punto interno.

(4) Estabilizador del sistema de potencia. Proporciona una señal adicional de entrada al regulador para amortiguar oscilaciones del sistema de potencia. Algunas señales comúnmente usadas son la desviación de velocidad del rotor, la potencia de aceleración y la desviación de frecuencia.

uso común son limitar la corriente de campo, limitar la máxima excitación, limitar el voltaje terminal, la protección y regulación de Volts/Hertz, y limitar la subexcitación. Los circuitos de protección y medición son normalmente distintos circuitos y sus señales de salida pueden ser aplicadas al sistema de excitación en diversos lugares como una suma de entrada o una entrada de acceso controlado. Para mayor conveniencia, se han agrupado y se muestran en la figura 2.1 como un solo bloque.

2.2.2 Transductor del voltaje terminal y compensador de carga

El regulador automático de voltaje (RAV) normalmente controla el voltaje terminal del estator del generador. A veces, la compensación de carga es usada para controlar un voltaje que es representativo del voltaje en un punto cualquiera interno o externo al generador [Kundur, 1994].

Varios tipos de compensación están disponibles en la mayoría de los sistemas de excitación. Las compensaciones de corriente activa y reactiva son las más comunes en la máquina síncrona. Cualquier compensación reactiva y/o compensación de caída de tensión de línea puede ser implementada, simulando una impedancia para regular efectivamente algún punto distinto a las terminales de la máquina. La impedancia o rango de ajuste y el tipo de compensación deben ser especificados.

La compensación de caída toma este nombre de la disminución del perfil de voltaje con el incremento de la potencia reactiva de salida en la unidad. La compensación de caída de línea, también llamada compensación en caída del transformador, se refiere al acto de regulación de voltaje en un punto parcialmente dentro del transformador elevador del generador o, menos frecuentemente, en algún lugar dentro del sistema de transmisión. Esta forma de compensación produce un aumento en el perfil de voltaje en las terminales del generador para incrementar la potencia reactiva a la salida [IEEE, 2005].

El diagrama de bloques del compensador de carga y el transductor del voltaje terminal se muestra en la figura 2.2.

Vc1=|VT+ (Rc+jXc) IT| Vc1

Vc VT

IT

R sT

+ 1

1

Cuando el compensador de carga no es empleado (Rc=Xc=0), el diagrama de bloques se reduce a un simple circuito de medición. El voltaje en terminales de la máquina síncrona es sensado y usualmente es reducido a una cantidad de CD. Para algunos sistemas, el transductor de voltaje y la compensación de la carga pueden tener constantes de tiempo diferentes. En este modelo esto se reduce a una sola constante de tiempo TR como se muestra en la figura 2.2. Para algunos sistemas esta constante es muy pequeña y normalmente se ajusta igual a cero [IEEE, 2005].

La salida del transductor de voltaje terminal, Vc, es comparada con una referencia que representa el ajuste del voltaje terminal deseado, como se muestra en cada uno de los modelos de sistema de excitación. La señal de referencia equivalente del regulador de voltaje, VREF, es calculada para satisfacer las condiciones de funcionamiento iniciales, por lo tanto, tomará un valor único a la condición de carga de la máquina síncrona siendo estudiada.

El error resultante es amplificado como se describe en el modelo de sistema de excitación para proporcionar el voltaje de campo y el subsecuente voltaje terminal para satisfacer las ecuaciones de lazo de estado estable. Sin la compensación de carga, el sistema de excitación, dentro de sus características de regulación, intenta mantener un voltaje terminal determinado por la señal de referencia.

Cuando es deseada la compensación, los valores apropiados de RC y XC son introducidos. En la mayoría de los casos, el valor de RC es insignificante. Las variables

de entrada de voltaje y corriente de la máquina síncrona deben ser en la forma fasorial para el cálculo del compensador. Se debe tener cuidado para asegurar que un sistema consistente en pu es utilizado por los parámetros del compensador y la corriente base de la máquina síncrona.

Este tipo de compensación se usa normalmente de uno de los dos modos siguientes [IEEE, 2005]:

a) Cuando las máquinas síncronas están conectadas al mismo bus sin impedancia entre ellas, el compensador es usado para crear la impedancia de enlace artificial de modo que las máquinas compartan la potencia reactiva de manera apropiada. Esto corresponde a la opción de regulación de un punto dentro de la máquina síncrona, para este caso Rc y Xctendrán valores positivos.

La figura 2.3 muestra la conexión del circuito de compensación de carga como un circuito adicional dentro del lazo del RAV. El compensador tiene una resistencia y una reactancia inductiva ajustables (Rc) y (Xc) respectivamente, que representan la impedancia entre las terminales de generador y el punto en el cual el voltaje está siendo controlado efectivamente. Usando esta impedancia y la corriente moderada de armadura, una caída de voltaje es calculada y añadida o restada del voltaje terminal [Kundur, 1994].

Regulador de Voltaje Excitatriz

Generador

Campo Armadura

VT IT

TC

TP

Transformador elevador

Bus de alta Tension

Al sistema de Potencia Compensador de carga

RC XC

Figura 2.3 Diagrama esquemático de un compensador de carga (Adaptado de [Kundur, 1994]).

El compensador regula el voltaje en un punto dentro del generador proporcionando una caída de tensión. Esto es usado para asegurar el compartimiento apropiado de potencia reactiva entre generadores conectados a un mismo nodo, compartiendo un transformador elevador común. Este arreglo es usado comúnmente con unidades de generación hidroeléctricas y unidades termoeléctricas con turbinas compuestas cruzadas (“cross-compound” en Inglés). El compensador funciona como un compensador de corriente reactiva creando así un acoplamiento “artificial” entre los generadores.

Sin esta disposición, uno de los generadores trataría de controlar el voltaje terminal ligeramente arriba que el otro, por lo tanto, un generador tenderá a suministrar todo el requerimiento de potencia reactiva mientras el otro absorbería potencia reactiva en la medida que lo permitan los límites de subexcitación [Kundur, 1994].

2.2.3 Regulador automático de voltaje (RAV)

potencia del generador. Estas funciones se realizan durante cambios normales pequeños y lentos que se presentan en la carga [Kundur, 1994, Hurley and Mummert, 1999, Elgerd, 1982, IEEE, 2005].

Aunque debe mencionarse que en un sistema de transmisión, la función de regulación de voltaje tiene un mejor desempeño en el soporte de voltaje para mantener un estado estable, que el uso de controladores de var/fp [Hurley and Mummert, 1999].

2.2.3.1 Modelo del RAV

El regulador automático de voltaje es un control proporcional compuesto por amplificadores, que pueden ser del tipo magnético, rotatorio o electrónico. Los amplificadores electrónicos y magnéticos se caracterizan por una ganancia y también pueden incluir una constante de tiempo. Estos amplificadores pueden ser representados por el bloque de la figura 2.4.

1

A

k

sT

+

V

V

Vx V_R

Figura 2.4 Modelo del RAV (Adaptado de [Kundur, 1994]).

La salida del amplificador está limitada por la saturación o limitaciones de la fuente de suministro, lo cual es representado por los límites “non-windup” VRMAX y VRMIN en la figura 2.4.

Los límites de salida de algunos amplificadores que tienen suministros de energía del generador o de un bus auxiliar de voltaje varían con el voltaje terminal del generador. En tales casos VRMAX y VRMIN son funciones del voltaje terminal del generador Et [Kundur, 1994].

kA y TA son la ganancia y la constante de tiempo del RAV, respectivamente [IEEE, 2005].

2.2.3.2 Circuitos de estabilización del RAV

partes del control se usan para incrementar la región estable de operación del sistema de excitación y permitir ganancias del regulador más altas [Padiyar, 2004].

Para hacer la compensación por retroalimentación derivativa se usa el bloque de control que se conoce como estabilizador del sistema de excitación (por sus siglas en ingles “Excitation System Stabilizer” ESS). El estabilizador del sistema de excitación es un elemento o grupo de elementos que hacen una compensación serie o por retroalimentación derivativa para mejorar el desempeño dinámico del sistema de control de excitación [Padiyar, 2004, IEEE, 1986].

La función de transferencia del ESS se muestra en la figura 2.5. Esto se puede conseguir a través de un trasformador en el que el secundario tiene conectada una alta impedancia como se muestra en la figura 2.6. La relación de vueltas del devanado primario con el secundario del transformador y la constante de tiempo (L/R) de la impedancia, determinan KF y TF de acuerdo a las siguientes relaciones [Padiyar, 2004]:

1

F

sK

sT

+

F

V

E

Figura 2.5 Estabilizador del sistema de excitación (Adaptado de [Padiyar, 2004]).

F

V

FD

E

1:n R

L

Figura 2.6 Realización del estabilizador del sistema de excitación (Adaptado de [Padiyar, 2004]).

F

F

L T

R nL K

R

=

=

Normalmente la constante de tiempo se toma como 1 segundo [Padiyar, 2004].

Para realizar la compensación serie se usa el bloque de control que se conoce como

ganancia transitoria (TB/TC) es 10 [Padiyar, 2004]. Si el estabilizador del sistema de

potencia (por sus siglas en ingles “Power System Stabilizer” PSS) es usado

específicamente para mejorar el amortiguamiento del sistema, puede ser que no se requiera la TGR1_.

1

1

C B

sT

sT

+

+

E

V

Figura 2.7. Reducción de ganancia transitoria (Adaptado de [Padiyar, 2004]).

La estabilización que se consigue con el PSS no se debe confundir con la que proporciona el ESS. Mientras el ESS es diseñado para proporcionar una regulación de voltaje efectiva bajo condiciones de circuito abierto o corto circuito, el objetivo del PSS es proporcionar un amortiguamiento de las oscilaciones del rotor siempre que haya disturbios transitorios. El amortiguamiento de esas oscilaciones (en las cuales su frecuencia varía entre 0.2 a 2.0 Hz) puede ser afectado por la ganancia alta del RAV, particularmente en condiciones de carga alta, cuando el generador es conectado a través de una impedancia externa alta (debido a una red de transmisión pobre) [Padiyar, 2004].

Los sistemas de excitación que contienen elementos con retrasos de tiempo significativos, tienen desempeños dinámicos pobres. Esta es una particularidad de los sistemas de excitación tipo CA y CD. El control de excitación (a través de la retroalimentación del voltaje del estator del generador) es inestable cuando el generador está en circuito abierto, a menos que una ganancia muy baja de estado estacionario sea usada por el regulador. Por lo tanto, la estabilidad del sistema de control de excitación requiere que sea utilizada compensación serie o en retroalimentación para aumentar su desempeño dinámico, como se muestra en la figura 2.8.

La forma más comúnmente usada de compensación es la retroalimentación derivativa, aunque los modelos estándar del IEEE permiten representar ambos tipos de compensación [IEEE, 2005]. El efecto de la compensación es minimizar el cambio de fase introducido por el retraso de tiempo en un rango de frecuencia seleccionado. Esto resulta en un desempeño estable fuera de línea del generador. Los parámetros de retroalimentación también pueden ser ajustados para aumentar el desempeño cuando la unidad de generación esta en línea [Kundur, 1994].

1_{El estabilizador de sistemas de potencia es un elemento o grupo de elementos que proporcionan una señal de}

Excitatriz y RAV

VREF

Al campo del generador

EFD

Compensación

1 F

F

sK sT

+

Σ

a) Compensación por retroalimentación derivativa.

Excitatriz y RAV

VREF

Al campo del generador

EFD

Compensación 1

1 C

B

sT sT

+ +

Σ

1 1+sTdo Generador

VT

E V1

b) Compensación serie por reducción de la ganancia transitoria.

Figura 2.8 Estabilización del sistema de control de excitación (Adaptado de [Koessler, 1988, Kundur, 1994]).

EFDes la salida de voltaje de la excitatriz, VREF es el voltaje de referencia del regulador de voltaje (determinado para satisfacer condiciones iniciales), VT es el voltaje terminal de la máquina síncrona, KF es la ganancia del estabilizador del sistema de control de excitación, TF es la constante de tiempo del estabilizador del sistema de control de excitación, TC y TB son las constantes de tiempo de la reducción de ganancia transitoria [IEEE, 2005].

2.2.4 Funciones principales de control del RAV

El papel básico del Regulador Automático de Voltaje RAV, es mantener constante el voltaje en terminales del generador durante los cambios normales, pequeños y lentos de la carga y mantener la potencia reactiva y el factor de potencia de la máquina síncrona en un valor predeterminado [Elgerd, 1982, IEEE, 2005].

Estas funciones son descritas a continuación:

a) Control del voltaje en terminales

ésta no modificará su respuesta hasta que se lo ordene el regulador de voltaje. Si el regulador es lento, tiene banda muerta o juego, o es por lo demás insensible, la regulación del sistema será pobre. Además de la alta confiabilidad y de la disponibilidad para el mantenimiento, es necesario que el regulador de voltaje esté en acción continua proporcional al sistema. Esto requiere que cualquier acción correctiva debe ser proporcional a la desviación en el voltaje terminal de CA del valor deseado, por lo que no se tolera ninguna banda muerta, primeramente son captados y corregidos más fuertemente los errores grandes antes que los errores pequeños [Anderson and Fouad, 2003].

b) Control de potencia reactiva y del factor de potencia

Los sistemas de excitación para las máquinas síncronas algunas veces son complementados con medios opcionales de ajuste automático de la salida de potencia reactiva (VAR) del generador o del factor de potencia (FP) a valores especificados por el usuario. Esto se puede llevar a cabo con un controlador o regulador de potencia reactiva o factor de potencia (sección 2.2.5).

2.2.4.1 Máquinas de soporte de voltaje Vs. Máquinas secundarias de voltaje

El uso de reguladores y controladores var/fp tienen su origen en aplicaciones industriales de motores síncronos y generadores, en los cuales la máquina síncrona es típicamente conectada de forma directa al bus de distribución de la planta. Los controladores y reguladores var/fp son usados continuamente en esos tipos de aplicaciones industriales [Hurley and Mummert, 1999].

En este sentido cada máquina síncrona en el sistema de potencia, puede ser clasificada dentro de una de las dos categorías siguientes [IEEE, 2005]:

¾ Máquinas de soporte de voltaje

Máquinas síncronas que pueden ayudar en la regulación de voltaje del sistema. La mayor parte de los generadores y condensadores síncronos deben estar en esta categoría, particularmente máquinas grandes o algunas máquinas que entregan energía directamente al sistema de transmisión. Esas máquinas típicamente deben regular el voltaje, en este caso la utilización de los controladores o reguladores var/fp no es apropiada.

¾ Máquinas secundarias de voltaje o máquinas que siguen al voltaje