Efectos de la excentricidad en la estabilidad transitoria de la máquina síncrona de polos salientes

Abstract

El fenómeno de la excentricidad está presente en todas las máquinas eléctricas rotatorias, incluso cuando éstas son nuevas. Tal situación indeseable resulta en un entrehierro no uniforme, el cuál produce variaciones en las inductancias de la máquina eléctrica rotatoria que conducen a un comportamiento, eficiencia y desempeño diferentes de la misma. Por otro lado, las máquinas síncronas de polos salientes son vitales para los sistemas eléctricos de potencia, por lo que el estudio de cualquier problema que pueda afectar su buen funcionamiento debe ser tomado en cuenta. Por esta razón, en este trabajo se estudia el efecto de la excentricidad estática, dinámica y mixta en los generadores síncronos de polos salientes por medio de simulaciones y pruebas experimentales enfocadas a evaluar el impacto sobre la estabilidad transitoria ante grandes disturbios (cortocircuito trifásico). Para ello se decidió utilizar el Método de la Función de Devanado Modificada (MWFM) en la determinación de las inductancias del generador puesto que requiere pocos datos acerca de la estructura física de la máquina (distribución de devanado y entrehierro). Con el fin de llevar a cabo las simulaciones se desarrolló un programa de computadora en lenguaje FORTRAN 90 para calcular las inductancias de la máquina síncrona de polos salientes empleando el MWFM y simular su comportamiento transitorio bajo un cortocircuito trifásico incluyendo sus controles primarios y una red externa bajo diferentes condiciones de excentricidad. Se realizó el análisis de tres casos de estudio empleando el programa antes mencionado y al cuál se le denominó EEETMSPS (Efectos de la Excentricidad en la Estabilidad Transitoria de la Máquina Síncrona de Polos Salientes). El primer caso de estudio consiste en una máquina síncrona sobre la cual existen numerosos trabajos publicados por lo que se empleó para validar al programa EEETMSPS en cuanto al cálculo de inductancias bajo los efectos de la excentricidad. Por otro lado el segundo caso bajo estudio consiste en un generador síncrono de polos salientes incluyendo sus lazos de control primarios y conectado a un bus infinito a través de una red externa para el cuál se presenta el cálculo de sus parámetros bajo condiciones excéntricas y un análisis del impacto de la excentricidad sobre su estabilidad transitoria ante una falla trifásica en la red externa la cual es posteriormente liberada. Finalmente, para el último caso se diseñaron y construyeron dos prototipos de máquinas síncronas de polos salientes para contar con datos que permitieran comparar resultados experimentales con cálculos empleando el MWFM y simulaciones con Elemento Finito (FE). El primer prototipo sirvió para brindar experiencia en el diseño y construcción de máquinas rotatorias, siendo el segundo prototipo una versión mejorada y adecuada para el estudio de la excentricidad. Como resultado principal de esta tesis en cuanto a la estabilidad transitoria de la máquina síncrona de polos salientes, se encontró que se incrementa el tiempo crítico de liberación de la falla conforme aumenta el grado de excentricidad del rotor cuando se considera el impacto sobre todas las inductancias de la máquina y se desprecian efectos tales como la saturación de los núcleos magnéticos, el efecto de ranuras y las corrientes de Eddy.