Simulación de pruebas de generador síncrono en Matlab

FACULTAD EN CIENCIAS DE LA INGENIERIA Y APLICADAS
INGENIERIA EN ELECTRICIDAD
14-12-2022
MAQUINAS ROTATORIAS
TEMA: SIMULACION DE PRUEBAS EN
GENERADOR SINCRONO EN MATLAB
CHARIGUAMAN CHILIQUINGA WIDYNSON JOEL
CHICAIZA CHILUIZA JORGE ARIEL
MAIQUIZA TITUAÑA KEVIN ALEXANDER
YUGSI MORETA HUGO DANILO
CICLO-PARALELO:
QUINTO SEMESTRE “A”
CICLO ACADÉMICO:
OCTUBRE - MARZO 2023
LATACUNGA-ECUADOR
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
INTRODUCCION
En el presente informe se explicará cómo se utilizó la herramienta Simulink para la simulación de
un generador síncrono al mismo tiempo se debe recalcar que Simulink es una herramienta
interactiva para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos. Nos permite construir diagramas
de bloque gráficos, evaluar el rendimiento del sistema y refinar sus diseños. Simulink es la
herramienta a escoger para el diseño de sistemas de control, diseños DSP y otras aplicaciones de
simulación. Como una extensión de Matlab, Simulink adiciona muchas características específicas
a los sistemas dinámicos, mientras conserva toda la funcionalidad de propósito general de Matlab.
Para lo cual se dará a conocer las pruebas de OCC, SCC y DC por medio del programa antes
mencionado, esto nos permitirá entender más a fondo cada uno de las curvas de características.
Además de poner en práctica lo aprendido en la clase de máquinas rotatorias.
GENERIC MACHINE
Se investigó el bloque Generic Machine el cual en Matlab se ha actualizado y modificado ya que
en sus versiones más recientes tiene tres bloques, además se dará a conocer en específico el bloque
Synchronous Machine SI Fundamental.
Ilustración 1: Synchronous Machine SI Fundamental
El bloque Synchronous Machine SI Fundamental utiliza parámetros fundamentales en unidades SI
la cual permite modelar una máquina síncrona en modo generador. Su modo de funcionamiento es
dictado por el signo (positivo para el modo generador y negativo para el modo motor).
Los parámetros del rotor y las magnitudes eléctricos se ven desde el estator y están identificados
por variables primarios:




d,q — cantidad de ejes d y q
R,s — Cantidad de rotor y estator
l,m — Fugas e inductancia de magnetización
f,k — Cantidad de devanado de campo y amortiguador
Modelo dinámico con inductancia mutua desigual
Para el modelo de esta máquina síncrona, lo convencional para realizar su análisis de estabilidad
asumimos que nuestras inductancias mutuas entre la armadura, el amortiguador y el campo en los
devanados del eje directo son similares.
El modelo dinámico del circuito equivalente puede incluir una inductancia adicional que representa
la diferencia entre las inductancias mutuas de campo-amortiguador y campo-armadura en
el eje. Esta inductancia se suele llamar Inductancia de Canay. La inductancia de Canay corresponde
al flujo de fuga, 𝜙𝐶 , en la siguiente figura podemos observar como un elemento corrector, en un
modelo equivalente que puede tener un valor negativo
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
Ilustración 2: Modelo dinámico.
Supuestos y limitaciones
En los sistemas discretos de un bloque de una maquina síncrona se debe conectar una pequeña carga
resistiva parasita para evitar así oscilaciones numéricas.
La carga mínima es aproximadamente 2,5% con un paso de tiempo de 25 𝜇s en un sistema de 60
Hz.
Puertos
Entrada
Pm – Escalar de potencia mecánica: en un generador esta entrada puede ser una constante o
función positiva. En el modo motor, esta entrada suele ser una constante o función negativa.
w — Escalar de velocidad de máquina: Velocidad de la máquina, en rad/s.
Dependencias: para habilitar este puerto, establezca el parámetro de entrada mecánica a Speed.
Vf — Escalar de tensión de campo: Voltaje de campo. Este voltaje puede ser suministrado por
un regulador de voltaje en modo generador.
En el modo motor, este valor de esta entrada suele ser una constante.
La tensión de campo en este puerto debe introducirse en voltios CC.
Salida
m — Señal de medición vectorial
Señales de medición, devueltas como un vector de varios elementos. Puede demultiplexar estas
señales mediante el bloque Selector de bus. [1]
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
Tabla 1: Señal de medición vectorial.
Nombre
Definición
Unidades
Nic
Corriente del estator is_a
Un
SII
Corriente del estator is_b
Un
.ics
Corriente del estator is_c
Un
coeficiente intelectual
Corriente del estator iq
Un
identificación
ID actual del estator
Un
IFD
Corriente de campo ifd
Un
Phimq
Phimq de flujo mutuo
T.1
Phimd
Flujo mutuo phimd
T.1
vq
Voltaje del estator vq
En
Consejero delegado
Voltaje del estator vd
En
lmq
Inductancia saturada de Lmq
H
LMD
Inductancia saturada de Lmd
H
dtheta
Desviación del ángulo del rotor d_theta
línea
en
Velocidad del rotor wm
rad/s
En
Energía eléctrica Pe
En
Dw
Desviación de velocidad del rotor dw
Pu
theta
Rotor ángulo mecánico theta
grado
También
Par electromagnético Te
Nm
delta
Ángulo de carga delta
grado
Rer
Potencia activa de salida Peo
En
Qe0
Potencia reactiva de salida Qeo
DÓNDE
PARAMETROS
Los parámetros del lado del rotor se transfieren al lado del estator y normalizado antes de entrar
en el procesamiento final.
Ilustración 3: Parámetros del bloque Synchronous Machine SI Fundamental
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
EJEMPLO
Utiliza el bloque fundamental SI de máquina síncrona y el bloque fundamental pu de máquina
síncrona para modelar un generador síncrono de 555 MVA, 24 kV, 60 Hz y 3600 rpm. Muestra
cómo especificar los parámetros SI.
Circuito 1: Los parámetros fundamentales se especifican en SI. El campo nominal se especifica
corriente (ifn = 1300 A).
Ilustración 4: Ejemplo de la utilización del bloque Synchronous Machine SI Fundamental
Este ejemplo se encontró en la librería de matlab el power_SM_Fundamental ejemplo utiliza el
bloque, ademas esta simulación esta configurada para que mediante el scope poder observar la
gráfica de corriente de campo IFD y la corriente del estator is_a.
Ilustración 5: Gráfica de IFD e is_a
PRUEBAS DE GENERADOR SINCRONO
1. PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD


Se determinará una corriente de alimentación en el inductor por una fuente auxiliar
regulable de c.c., el cual me dará valores de corriente de excitación y la tensión de salida
(E0 será igual a la tensión medida dividida entre √3).
Existe entonces una característica 𝐸0 = 𝑓(𝐼𝑒)
Ilustración 6: Código de la prueba de Circuito Abierto.
Con el fin de obtener el valor de E0 se realiza un ensayo en vacío puesto que en este caso se cumple
que:
𝐼= 0
𝐸0 = 𝑉
Para poder realizar el ensayo de circuito abierto primero debemos establecer las variables tales
como son:
 F -- La frecuencia.
 R -- La resistencia en el inducido.
 Xs -- La reactancia de sincronismo.
 Nc -- El número de espiras por fase de la máquina.
 K -- Nos permite establecer los números de polos a su vez que es una constante de construcción
de la máquina.
𝑁𝑐
𝑘=
√2
Esto nos permite pasar de velocidad angular a revoluciones por minuto:
𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠
𝑟𝑝𝑚 = (𝑓 ∗ 60)/(
)
2
Una vez establecido estas fórmulas debemos saber que mi corriente de excitación va comenzar
desde 0 y va aumentando 0.1, entonces para calcular mi corriente externa de la máquina aplicamos:
𝐸𝑎 = ( 𝑘 ∗ 𝐼𝐹 ∗ 𝑤)
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
 K -- Constante de construcción de la máquina.
 IF -- Corriente de excitación.
 w -- Velocidad angular.
Después de esto se procede a utilizar la programación de for la cual me dice que si presionamos la
opción 1 va a comenzar a realizar el ejercicio entonces evalúa el circuito abierto.
Procedemos a simular la prueba de cortocircuito:
Ilustración 7: Simulación de la Prueba de Circuito Abierto.
Una vez ingresado las variables de voltaje nominal y la corriente de excitación en la siguiente
grafica se observa la curva de circuito abierto.
Ilustración 8: Característica de circuito abierto (OCC) de un generador
síncrono.
2. PRUEBAS DE CORTOCIRCUITO


Se eleva gradualmente la corriente de excitación hasta que los amperímetros del inducido
lleguen al 130% de la corriente asignada.
Se genera entonces una curva 𝐼𝑐𝑐 = 𝜑(𝐼𝑒 ) 0 y se denomina característica de cortocircuito
(típicamente una línea recta).
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
Ilustración 9: Código de la prueba de Corto Circuito.
Para el caso de cortocircuito en cambio tenemos que
𝑉 = 0 𝐸0 = (𝑅 + 𝑗𝑋𝑠) 𝐼𝑐𝑜𝑟𝑡𝑜 = 𝑍𝑠𝐼𝑐𝑜𝑟𝑡𝑜
Con lo que
𝑍𝑠 =
𝐸0
𝐼𝑐𝑜𝑟𝑡𝑜
La impedancia síncrona es el cociente entre la tensión y la corriente de
cortocircuito.
Para poder realizar el ensayo de corto circuito primero debemos establecer las variables tales como
son:
 F -- La frecuencia
 R -- La resistencia en el inducido
 Xs -- La reactancia de sincronismo
 Nc -- El número de espiras por fase de la máquina
 K -- Nos permite establecer los números de polos a su vez que es una constante de
construcción de la máquina.
𝑘=
𝑁𝑐
√2
Esto nos permite pasar de velocidad angular a revoluciones por minuto:
𝑝𝑜𝑙𝑜𝑠
𝑟𝑝𝑚 = (𝑓 ∗ 60)/(
)
2
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
Una vez establecido estas fórmulas debemos saber que mi corriente de excitación va comenzar
desde 0 y va aumentando 0.5, entonces para calcular mi corriente externa de la máquina aplicamos:
𝐸𝑎 = ( 𝑘 ∗ 𝐼𝐹 ∗ 𝑤)



K -- Constante de construcción de la máquina
IF -- Corriente de excitación
W -- Velocidad angular
Es la corriente del inducido el cual toca primero determinar un valor y mediante la ecuación:
𝐼𝑎 =
𝐸𝑎
2
((𝑅 ) + (𝑋𝑆 5 ))
Procedemos a simular la prueba de cortocircuito:
Ilustración 10: Simulación de la Prueba de Corto Circuito.
De la misma forma primero procedemos a ingresar variables para que se realice nuestra simulación
y el resultado es la siguiente gráfica:
Ilustración 11: Característica de cortocircuito (SCC) de un
generador síncrono
3. PRUEBAS DE DC
Previamente no se habló nada de la resistencia del inducido, pero se puede obtener un valor
aproximado de la resistencia por medio de la aplicación de un voltaje de DC a los devanados
mientras la máquina está estacionaria y midiendo el flujo de corriente resultante.
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
La utilización de un voltaje de DC significa que la reactancia de los devanados será igual a cero
durante el proceso de medición.
𝑅=
𝑉𝐷𝐶
𝐼𝐷𝐶
Ilustración 12: Código de prueba DC
Una vez ingresado los valores de Corriente DC y el Voltaje DC se procede a calcular la Resistencia
mediante la simulación:
Ilustración 13: Código de resistencia de prueba DC
BIBLIOGRAFÍA
[1] MATHWORKS,
«MATHWORKS,»
[En
línea].
Available:
https://es.mathworks.com/help/sps/powersys/ref/synchronousmachinesifundamental.html?s
earchHighlight=Synchronous%20Machine%20SI&s_tid=srchtitle_Synchronous%20Machi
ne%20SI_1. [Último acceso: MARTES DICIEMBRE 2022].
ANEXOS
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%%%%%%%%%
%
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI (SEDE LATACUNGA)
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
%
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA Y APLICADAS
%
%
INTEGRANTES:
%
WIDYNSON CHARIGUAMAN
%
JORGE CHICAIZA
%
KEVIN MAIQUIZA
%
HUGO YUGSI
%
TEMA:
% MEDIANTE EL MODELO MATEMÁTICO DE UN GENERADOR SÍNCRON0 REALIZAR LAS
% PRUEBAS DE VACIO, CORTOCIRCUITO Y DC
% INICIO DEL CODIGO
clc
clear all
disp('PRUEBAS DE GENERADOR SINCRONO');
disp('1.-PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO')
disp('2.-PRUEBAS DE CORTOCIRCUITO')
disp('3.-PRUEBAS DE DC')
selet=input('INGRESE UNA OPCION: ')
% A) PRUEBA EN CIRCUITO ABIERTO
if(selet==1)
% VALORES A INGRESAR
Ean=input ('INGRESE VOLTAJE NOMINAL: ')
ifs=input(' INGRESE CORRIENTE DE EXITACIÓN: ')
%Ean=500
f=60
% FRECUENCIA
R=0.1
% RESISTENCIA DEL INDUCIDO
Xs=1.1
% REACTANCIA DEL INDUCIDO
Nc=20
k=Nc/sqrt(2);
Polos=2;
% CONSTATE DE CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA
% NÉMERO DE POLOS
rpm=(f*60)/(polos/2); % VELOCIDAD SINCRONA
w=rpm*(2*pi)/60;
IF=0:0.1: ifs;
Ea= (k*IF*w);
% VELOCIDAD ANGULAR
% CORRIENTE DE CAMPO
% TENSIÓN INTERNA DE LA MÁQUINA
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
lm=length(Ea);
j=0
for i = 1:lm
if(Ea(i)>=Ean)
Ea(i)=Ean+j
disp('dada')
j=j+1
else
Ea(i)=Ea(i)
end
end
for i = 1:lm
if(Ea(i)==Ean)
Ea(i)=Ean-10
end
end
% CODIGO PARA GRAFICAR LA CURVA
plot(IF,Ea);
hold on
title('PRUEBA EN CIRCUITO ABIERTO')
end
%
B)PRUEBAS EN CORTO CIRCUITO
if(selet==2)
% VALORES A INGRESAR
Ean=input('INGRESE VOLTAJE NOMINAL: ')
ifs=input('INGRESE CORRIENTE DE EXITACIÓN: ')
%Ean=500
f=60
% FRECUENCIA
R=0.1
% RESISTENCIA DEL INDUCIDO
Xs=1.1
% REACTANCIA DEL INDUCIDO
Nc=20
% NÚMERO DE ESPIRAS POR FASE
k=Nc/sqrt(2);
% CONTASTE DE CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA
UNIVERSIDAD TÉCNICA DE COTOPAXI
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA Y APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRICIDAD
polos=2;
% NÚMERO DE POLOS
rpm=(f*60)/(polos/2); % VELOCIDAD SINCRONA
w=rpm*(2*pi)/60;
IF=0:0.5:ifs;
Ea=k*IF*w;
% VELOCIDAD ANGULAR
% CORRIENTE DE CAMPO
% TENSIÓN INTERNA DE LA MÁQUINA
Ia=Ea/((R^2)+(Xs^5)); % CORRIENTE DEL INDUCIDO
% CODIGO PARA GRAFICAR LA CURVA
figure
plot(IF,Ia);
title('CURVA EN CORTOCIRCUITO')
end
% PRUEBA DE DC
if(selet==3)
disp('PRUEBA DE CORRIENTE CONTINUA ')
i1=input('INGRESE LA CORRIENTE DC: ');
v1=input('INGRESE LA VOLTAJE DC: ');
R=v1/i1; % FORMULA
disp('LA RESISTENCIA DEL INDUCIDO ES:')
dR=['R=', num2str(R),'ohm'];
disp(dR)
end