Trabajo maquinas 3

8/18/2019 Trabajo maquinas 3

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[M.S. frente a un cortocircuito, modelo y operación dinámica]

I.- INTRODUCCION

En este trabajo se presenta un estudio de cortocircuito realizado a los

motores síncronos en general, buscando conocer cuál es el

comportamiento y/o estado de los diferentes sistemas de

protecciones y el aporte de los motores síncronos a las corrientes de

cortocircuito.

Se realiza el siguiente trabajo basado en el estándar 11 de la !EEE,

para instalaciones industriales, utilizando el m"todo de las

impedancias ya #ue las configuraciones o topologías más empleadas

y con mayor frecuencia por parte de los distintos concesionarios es

del tipo $adial, y para lo cual este m"todo nos permite calcular las

corrientes de falla en cual#uier punto de una instalación,con buena

precisión y siguiendo algunos criterios establecidos por el estándar.

%abe recalcar #ue asumiremos &alores reales para dic'o estudio,

ayudándonos de casos ocurridos en la realidad anterior con fórmulas,

tablas y 'ojas de cálculos #ue en su mayoría serán realizados con el

soft(are Microsoft E)cel.


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II.- Objetivo de un estudio de Cortocircuito

El objeti&o del estudio de cortocircuito es calcular el &alor má)imo de lacorriente y su comportamiento durante el tiempo #ue permanece el mismo.Esto permite determinar el &alor de la corriente #ue debe interrumpirse yconocer el esfuerzo al #ue son sometidos los e#uipos durante el tiempotranscurrido desde #ue se presenta la falla 'asta #ue se interrumpe lacirculación de la corriente.

El resultado obtenido en el estudio del comportamiento de un Motor Sincrono

frente a un cortocircuito, nos guiará a tener cuidado y lle&ar con muc'aimportancia una correcta elección de los e#uipos de protección, ya #ueconoceremos los da*os se&eros #ue podran ser temporales o permanentesy las maneras en #ue nos perjudica este fenómeno tanto a la ma#uinasincrona como al Sistema en +eneral, dic'o estudio aparte de realizarlo enoperación normal tendrá #ue 'acerse tambien en r"gimen transitorio paratener una &isión mas clara de los efectos causados por estas corrientes decortocircuito.


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III.- MARCO TEORICO

MOTOR SINCRONO FRENTE A UN CORTOCIRCUITO

El motor síncrono actúa como generador y entrega corriente de corto circuito enel momento de una falla. Tan pronto como la falla se establece, el voltaje en elsistema se reduce a un valor muy bajo. Consecuentemente el motor deja deentregar energía a la carga mecánica y empieza a detenerse. Sin embargo, lainercia de la carga y el rotor impiden al motor ue se detenga, en otras palabras,la energía rotatoria de la carga y el rotor mueven al motor síncrono como unprimo!motor mueve a un generador.

os motores sincrónicos, entonces suplen corriente a una falla en la mismas manera #ue lo'ace un generador sincrónico. a caída en el &oltaje debido a la falla causa #ue el motor sincrónico reciba menos potencia del sistema para manejar su carga. a inercia del motor yde su carga act-a como un motor primario, y con la e)citación mantenida, el motor act-acomo un generador. Esta corriente de falla disminuye cuando el motor se detiene y lae)citación de campo decae.

IV .- El M.S frente un cortocircuito. Modelo ! o"erci#n din$%ic

os motores sincrónicos en condiciones normales de operación reciben energía el"ctricadel sistema y la transforman en energía mecánica #ue entregan a su eje pero al ocurrir unafalla en sus terminales, su alimentación se suprime bruscamente. Si la má#uina posee unaalta inercia en su rotor, "ste puede continuar girando un tiempo finito despu"s de la falla, sila e)citación del de&anado rotórico se mantiene durante este período de tiempo, el campogiratorio induce tensiones en los arrollados del estator y el motor pasa por un período detiempo, 'asta #ue se detenga el rotor o se desconecte la e)citación, a entregar energía a lafalla.

El modelo e#ui&alente de un motor sincrónico, bajo estas condiciones es semejante al delgenerador sincrónico, con la sal&edad de #ue en situación normal de operación la corriente

entra al modelo pues este actuaba como %$+ para el sistema y en el período de tiempode la falla 0cortocircuito y se comporta como +E2E$34$ mas ya no como carga estodurante un tiempo relati&amente corto por ende la corriente sale de "l.

El motor síncrono genera corrientes alimentando la falla tanto como lo 'aría un generador síncrono.

En el momento en #ue ocurre la falla el &oltaje cae y por ende este recibe menos potencia para

mo&er su carga, pero al mismo tiempo lo &oltajes internos generan corrientes #ue fluyen 'acia el

punto de falla. a inercia del motor y su carga act-a como un MOTOR &RIMO, con la e)citación de

carga mantenida, el motor act-a como un generador #ue alimenta la corriente de falla.

Esta corriente de falla disminuye en la manera #ue el campo magn"tico lo 'ace.


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a magnitud de la corriente transitoria #ue entregue el motor depende de las constantes de tiempoasociados a sus de&anados, características el"ctricas y mecánicas de la má#uina.

4bser&emos a continuación en la 5igura 1 un es#uema general del funcionamiento normal de un

Motor síncrono

5igura

1

CURVACARACTERÍSTICA DE PAR-VELOCIDAD EN EL MOTOR SÍNCRONO

Suministra potencia a cargas ue son básicamente dispositivos de velocidadconstante, al estar conectados a sistemas de potencia muc"o más grandes uelos motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como barrajesin#nitos frente a los motores. Esto signi#ca ue los voltajes en los terminales yla frecuencia del sistema serán constantes independiente de la cantidad depotencia tomada por el motor.$a velocidad de rotaci%n del motor está asociada a la frecuencia el&ctricaaplicada, de modo ue la velocidad del motor será constante,


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independientemente de la carga. $a curva característica resultante par!velocidadse muestra en la #gura '.(.$a velocidad de estado estacionario del motor es constante desde el vacío "astael par má)imo ue puede suministrar el motor, tal ue la regulaci%n develocidad de este motor es *+. $a ecuaci%n del par es

τ ind= K B

RB

net sen ( δ )

Tambi&n

τ ind=3V ϕ E A sen (δ )

ωm X S

El par má)imo ocurre cuando δ =900

. Sin embargo, los pares normales de

plena carga son muc"o menores ue auellos. En efecto, el par má)imo puedetriplicar el par de plena carga de la máuina.

Figura 1.A

Caractr!"tica #ar-$%&ci'a' ' u( )&t&r "!(cr&(& #u"t& *u %a $%&ci'a' " c&("ta(t+ "urgu%aci,( ' $%&ci'a' " cr&.

Cuando el par aplicado en el eje de un motor síncrono e)cede el par má)imo, el

rotor no puede permanecer más enlazado a los campos magn&ticos estat%rico y


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neto. En cambio, el rotor comienza a disminuir su velocidad frente a ellos. Como

el rotor disminuye la velocidad, el campo estat%rico se entrecruza con el

rápidamente, y la direcci%n del par inducido en el rotor se invierte con cada

paso. El par resultante oscila primero en una forma y luego en otra causando

ue el motor entero vibre con fuerza. $a p&rdida de sincronizaci%n despu&s ue

se "a e)cedido el par má)imo, se conoce como deslizamiento de polos.

El par má)imo del motor esta dado por

τ max= K B

R B

net

Tambi&n

τ max=3V ϕ E A

ωm X S

Estas ecuaciones indican ue cuando mayor sea la corriente de campo -y por

tanto E A¿

, mayor será el má)imo par del motor. or tanto, "ay una ventaja en

la estabilidad, si se opera el motor con una gran corriente de campo o un gran

E A .

EFECTO DE LOS CAMIOS DE CARA EN UN MOTOR SINCR/NICO

Si se #ja una carga al eje de un motor sincr%nico, este desarrollara su#ciente parpara mantenerse girando a la velocidad sincr%nica junto con su carga.

/0u& ocurre en un motor sincr%nico cuando la carga cambia1

ara responder esta interrogante es preciso e)aminar un motor sincr%nico ue

opera inicialmente con un factor de potencia en adelanto, como se muestra en

la #gura '.2. Si la carga sobre el eje del motor se incrementa, el rotor disminuirá

su velocidad al comienzo. Cuando eso ocurre, el ángulo de par llega a ser

mayor, y aumenta el par inducido. Con el tiempo, el incremento del par inducido

acelera el rotor y el motor gira de nuevo con velocidad sincr%nica, pero con unángulo de par mayor.

/0u& apariencia toma el diagrama fasorial durante este proceso1 ara responder

este interrogante es necesario e)aminar las restricciones sobre la mauina

durante un cambio de carga. $a #gura 3a muestra el diagrama fasorial del motor

antes ue se incrementen las cargas. El voltaje interno generado E( es igual a

4 5 y por tanto, depende solo de la corriente de campo y de la velocidad de la

máuina.


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$a velocidad está restringida a permanecer constante debido a la fuente de

potencia de entrada y, puesto ue no se "a tocado el circuito del campo, la

corriente de campo tambi&n es constante. Entonces, 6E(6 debe ser constante

cuando cambia la carga. $as distancias proporcionales a la potencia -E(Sen e

7(Cos89 se incrementaran, pero la magnitud de E( debe permanecer constante.

Cuando la carga se incrementa, E( se mueve "acia abajo, como se observa en la

#gura 3b. Como E( se mueve "acia abajo cada vez más, la cantidad :;s7( debe

incrementarse para alcanzar desde la punta de E( a


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a9 >iagrama fasorial de un motor ue opera con factor de potencia en adelanto.

b9 Efecto de incrementar la carga en la operaci%n de un motor sincr%nico.

V.- 'De (u) de"ende el nivel de l corriente de cortocircuito*

El ni&el de corriente de cortocircuito dependerá de dos factores importantes6

1. El n-mero de fuentes principales de corrientes de cortocircuito y lageneración remota de la red #ue suministra energía el"ctrica 0redp-blica.

7. El tiempo de duración del cortocircuito y/o la demora en actuar por partede los sistemas de protección.

VI.- TRANSITORIO DE CORTOCIRCUITODE UNA MA0UINA SINCRONA

$a condici%n transitoria más grave ue le puede ocurrir a un generador síncronoes el cortocircuito trifásico. En el estudio de sistemas el&ctricos de potencia sedice entonces ue se "a producido una falta o fallo de corto circuito. El análisisriguroso del cortocircuito es difícil y se sale de los límites de este te)to. =uestrointer&s reside en comprender de un modo cualitativo los fen%menos físicos uese producen y ue dan lugar a la de#nici%n de unas reactancias síncronasnuevas ue tienen importancia en el comportamiento transitorio de estasmáuinas. ara facilitar el estudio se va considerar ue se parte de ungenerador trabajando en vacío y ue en un momento determinado se produceun cortocircuito trifásico entre los tres terminales del inducido.

Cuando se produce un cortocircuito en un alternador, ?uirán corrientes en lastres fases del inducido, en el devanado de e)citaci%n y en los devanadosamortiguadores ue intentaran mantener el ?ujo en el mismo valor ue tenía enel instante previo a la falta. En otras palabras, el ?ujo es atrapado por lamauina. Cuando se produce el cortocircuito, la componente alterna de lacorriente salta a un valor muy alto, pero la corriente total no puede cambiar enese instante -para mantener el ?ujo constante9, de a"í ue aparezca una c.c.su#cientemente grande para ue la suma de las componentes de c.a. y de c.c.instantáneamente despu&s de la falta sea igual a la corriente alterna uecirculaba antes de la falta -ue si se parte del generador en vacio tenía un valorprevio nulo9. $as componentes de c.c. se e)tinguen rápidamente pero


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inicialmente pueden llegar a alcanzar el 3* o @* por ciento de los valores de lac.a. un instante despu&s de la falta. >e este modo la corriente inicial total puedellegar a valer de '.3 a '.@ veces la magnitud de la c.a. sola.

a CALCULOS 2 ANALISIS DE LOS EFECTOS DE LASCORRIENTES DE CORTOCIRCUITO8eniendo en cuenta #ue la impedancia de la ma#uina no es un &alor simple, y

#ue &aría con el tiempo seg-n estándares de la !EEE, para efectos de cálculo

de corrientes de cortocircuito a ni&el industrial se 'an establecido tresnombres específicos para &alores de reactancia, definidos como6

• $eactancia Sub9transitoria

• $eactancia transitoria

• $eactancia Síncrona o de estado estable.

continuación presentamos un es#uema para &isualizar como act-an estas

reactancias en función del tiempo y su efecto en el ni&el de corrientes decortocircuitos 0figura 7


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+I,URA

:Si se

analiza a"ora la componente sim&trica de la corriente alterna -#g. A9, se observaue puede dividirse en tres periodos durante algo así como el primer ciclo

despu&s de la falta, la componente de la c.a. es muy grande y decae

rápidamente. Corresponde al denominado periodo subtransitorio. Concluido este

periodo, la corriente sigue disminuyendo más lentamente "asta alcanzar un

r&gimen permanente #nalB corresponde al periodo transitorio. inalmente, el

tiempo ue transcurre desde cuando la corriente alcanza el r&gimen permanente

se conoce como periodo de estado estacionario.

/ DESARRO00O DE CA0CU0OS

%omo mencionamos anteriormente son m-ltiples las fuentes #ue contribuyen a la falla, pero

es bien importante lograr la simplificación de las mismas como un paso principal.El propósito de estos cálculos es lograr #ue a pesar de la complejidad de los sistemas

actuales y la ausencia de parámetros e)actos se puedan obtener resultados con buena

precisión, donde se puedan conocer los límites má)imos y mínimos de las corrientes de

cortocircuito.

!mportante6


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Estos &alores má)imos calculados y #ue se pueden obser&ar en la figura 1

son usados para determinar el rango adecuado de interrupción de los

dispositi&os de protección, para mirar la capacidad de los componentes del

sistema de soportar tensiones mecanicas y t"rmicas y para determinar si la

coordinación de los reles de protección es la adecuada. os &alores minimosson utilizados para determinar la sensibilidad de los reles de protección.

Dentro de los "untos (ue se deben tener en cuent "r l reli1ci#n del clculo de

ls corrientes de cortocircuito se encuentrn2

• 8ener presente la localización y tipo de falla para poder cumplir con los objeti&os

trazados.

• Establecer el modelo mas simplificado del sistema, logrando reducir el grado decomplejidad del análisis.

• nalizar muy bien las restricciones #ue el m"todo a utilizar presenta, para e&itar

&iolarlas.

• Si es necesario se deben adecuar o suministrar ayudas artificiales para compensar

las des&iaciones.

a !EEE establece la forma de realizar un estudio de cortocircuito de una forma sencilla y

con buena precisión, este sistema es mas utilizado por las empresas de energía a la 'ora

de 'acer dic'os cálculos.

33 &r efectos de nuestros c$lculos si%"lificre%os l elborci#n de nuestros

di4r%s 5ciendo uso de los vlores "or unidd (ue co%o ! sbe%os es ddo

con l si4uiente ecuci#n2

Variablesen P .U = Valor real variable

Valor basede lavariable

Donde su%ire%os co%o Vlores bse 2

Zbase=Vbase

2

Sbase ; Ibase

Sbase

√ 3 xVbase

NUESTRA ASE DE DATOS SERA 0A SI,UIENTE2


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+I,URA 6

&r clculr l rectncis de los %otores Sincronos nos "o!re%os de

tbls bjo nor%s de l IEEE de donde2

+I,URA 7

Vlores ti"icos de ls i%"edncis de los %otores ! rn4os de "otenci usdos

cundo no se tiene vlores e8cto

99Ree%"l1ndo en l for%ul de l tl nterior: obtene%os el vlor de ;


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=ara lo cual 6

+I,URA =

Continundo con !ud de Soft>re se reli1 un

+I,URA ?

'A (ue conclusi#n "ode%os lle4r con estos resultdos*

=odemos obser&ar claramente lo #ue representan las ma#uinas rotati&as para un sistema,

las condiciones son muy diferentes a las #ue se obser&an en >,como se puede obser&ar

en esta comparación, en los datos resaltados las corrientes má)imas de falla se siguen

presentando a ni&el de barras, para el sistema #ue estamos simulando de ;


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Conclusiones

• El motor síncrono al operar de forma sobree)citado consume

potencia reactiva y mejora el factor de potencia.

En el momento en ue ocurre la falla el voltaje cae y por ende

este recibe menos potencia para mover su carga, pero al mismo

tiempo lo voltajes internos generan corrientes ue ?uyen "acia el

punto de falla. $a inercia del motor y su carga actua como un

MOTOR PRIMO

• Con los motores síncronos podemos observar la gran

in?uenciaue tienen sobre la red misma. Cuando se presenta una

caída de voltaje en sus devanados, debido a una falla por

sobrecorriente en otro elemento cercano, ue a su vez da como

resultado el incremento de las corrientes de los devanados, ue

entrarían a alimentar la falla inicial, es decir se comportan como

unos generadores, todos aportan, ya sea en mayor o menor

escala, y evidencian la necesidad de rediseDar el sistema de

protecciones.

• Si en el motor síncrono ocurre una falla en sus terminales, su

alimentaci%n se suprime bruscamente. Si la máuina posee una

alta inercia en su rotor, &ste puede continuar girando un tiempo

inde#nido despu&s de la falla

• El modelamiento del circuito euivalente del motor síncrono por

fase es la misma ue el generador síncrono, considerando

solamente la inversi%n de la corriente el&ctrica.


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ILIORAFIA1. 3E DE TECNOLOIA ELECTRICA4 TU VERAS6

(TFG :uan $uis Hernandez :uan $uis Ituveraspuntocom5E2 "ttpJJKKK.tuveras.comJmotorsincronoJmotorsincrono."tmECH( >E (CT($7L(C7F= (ctualizada el 3 de Mayo de A*'3

7. ESTUDIO DE CORTOCIRCUITO INFLUENCIA DE LOS MOTORESSINCRONOS EN LAS CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO DECOMESTILES LA ROSA S.A.

(TFG :HF= Cristian Niraldo arraG(LF= GFOECTF >E GE!NG(>F=7(> TEC=F$FN7C( >E EGE7G( ! A**P

Q. M(07=(S E$ECTG7C(S

(TFG Step"en :. C"apman

Editorial Mc NraK Hill

(CT($7L(C7F= Qra Edici%n

R. M(07=(S E$ECTG7C(S

(TFG:esús raile Mora

Editorial Mc NraK Hill

(CT($7L(C7F= @ta Edici%n

http://www.tuveras.com/motorsincrono/motorsincrono.htmhttp://www.tuveras.com/motorsincrono/motorsincrono.htm


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3. CAPÍTULO IV. AN8LISIS DE CORTO CIRCUITOAUTOR4 N%mez Marcial >aniel5E2 S7TE

"ttpJJKKK.ptolomeo.unam.m)P*P*J)mluiJbitstreamJ"andleJ'QA.ARP.3A.'**JP*'J(.pdf1seuence
http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/801/A7.pdf?sequence=7http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/801/A7.pdf?sequence=7http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/801/A7.pdf?sequence=7http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/801/A7.pdf?sequence=7

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