03 mayo 2012

Guía para aprender a proteger sistemas de generación distribuida basados en inversores (3ª PARTE)



Corriente de cortocircuito simétrica AC

Ver 2ª PARTE

Para explicar el comportamiento de la corriente de fallo de tal evento, necesitamos resolver la corriente cuando el interruptor está cerrado. Escribiendo una ecuación alrededor del circuito para conseguir la siguiente ecuación:


Donde R es la resistencia del circuito, i es la corriente, y L es la inductancia del circuito.  La inductancia L puede determinarse usando:
Donde,

es la frecuencia angular. Resolviendo la ecuación diferencial para la corriente de fallo estacionario de la corriente alterna o simétrica conseguimos la siguiente ecuación:

Donde:


La figura anterior muestra la corriente de fallo simétrica AC para un generador síncrono. La corriente de fallo simétrica AC se caracteriza por el flujo magnético atrapado en el devanado del estátor (principalmente inductancia) de la máquina rotatoria y no puede cambiar instantáneamente.  Esto se debe a que las máquinas síncronas bajo las condiciones de fallo se caracterizan por modelos de variación de flujo diferentes comparado con las máquinas de inducción.  La dinámica del flujo dicta  que la corriente de fallo va cayendo hasta que se alcanza el estado estacionario.
Las ecuaciones anteriores describen la constante de tiempo y la reactancia como el producto de la frecuencia angular y la inductancia.


Máquinas síncronas

Si se aplica un cortocircuito en el terminal de una máquina síncrona, la corriente comenzará muy alta y bajará a un valor estacionario. Las máquinas síncronas generalmente reparten aproximadamente seis veces la corriente nominal por varios ciclos antes de caer entre un 400 y 200 % de la corriente nominal. En una máquina síncrona generalmente se transmite alrededor de seis veces la corriente nominal en varios ciclos antes de descomponerse entre un 400 y 200 % de la corriente nominal. En una máquina síncrona la corriente de campo es suministrada por una fuente DC. Esta fuente externa continuará suministrando voltaje a los devanados de campo del generador. El impulsor continua moviendo el rotor que produce el voltaje inducido en el devanado del estator que continua suministrando una corriente de fallo continua. El valor de corriente de cortocircuito en estado estacionario persistirá a menos que se interrumpa por un dispositivo de conmutación tal como un interruptor de circuito.

Ya que la corriente de cortocircuito continua fluyendo en el circuito, la impedancia de la máquina se incrementa debido al aumento en la temperatura del devanado. La industria ha establecido tres variables de reactancia llamadas subtransitorias, transitorias y síncronas.

  • X”d = Reactancia subtransitoria. Determina la corriente durante el primer ciclo después de que ocurra el fallo. Esta condición dura aproximadamente 0,1 segundos.
  •  X”d = Reactancia transitoria. Este es el valor que determina el flujo de corriente después de que se alcance la condición estacionaria.
  • Xd = Reactancia síncrona. Este es el valor que determina el flujo estacionario después de que se alcanza una condición en estado estacionario.

La mayoría de los fabricantes incluyen dos valores para la reactancia subtransitoria del eje directo. La X”dv es a voltaje nominal, saturado, y más pequeño que Xdi que es a corriente nominal, no saturada y más grande. Durante un evento de cortocircuito el generador puede llegar a estar saturado. Por lo tanto, por conservadurismo, el valor X”dv se usa cuando se calculan las corrientes de defecto,

La característica de la descomposición de las envolventes también depende del campo magnético de la máquina. La energía magnética transmite alrededor de seis veces la corriente nominal durante ese tiempo.

Máquinas de inducción

Si un cortocircuito se aplica al terminal de una máquina de inducción, la corriente comenzará muy alta antes de caer completamente. Las máquinas de inducción transmiten alrededor de seis veces la potencia nominal en ese momento. Esta característica de fallo se genera por la inercia impulsando el motor en la presencia del flujo de campo producido por inducción del estator antes que del devanado de campo DC (máquina síncrona). Este flujo cae en la pérdida del voltaje de fuente causado por un fallo en los terminales de la máquina. Debido a que la excitación de campo no se mantiene, no hay valores estacionarios de la corriente de fallo y la corriente cae a cero.

Los valores de reactancia síncrona y transitoria se aproximan al infinito bajo condiciones de fallo de estado estacionario. Por lo tanto, los motores de inducción están asignados solo a valores subtransitorios de reactancia. Este valor varía hacia arriba de la reactancia en rotor bloqueado para considerar la caída de la corriente del motor al fallo. Para cálculos de fallo, un generador de inducción puede tratarse lo mismo que un motor de inducción. Los motores de inducción de rotor bobinado normalmente operando con los anillos del rotor cortocircuitados contribuirán la corriente de la misma manera que un motor de inducción de jaula de ardilla.

ANÁLISIS DE CORTOCIRCUITO DE DER BASADO EN INVERSOR

Antecedentes de la electrónica de potencia juega un papel significativo en los sistemas DER debido a que hacen la interconexión a la red posible para una amplia variedad de fuentes de energía. Los bloques fundamentales de la electrónica de potencia son dispositivos de conmutación basados en semiconductores tales como transistores y tiristores. En aplicaciones de potencia, estos interruptores electrónicos se usan comúnmente para crear o convertir voltaje y formas de onda de corriente. Para aplicaciones DER, los sistemas electrónicos de potencia más comúnes incluyen inversores y convertidores. Los beneficios de los interruptores electrónicos de potencia incluyen velocidad de conmutación, tamaño del paquete, y la capacidad para control fino por otros sistemas electrónicos y software. Con un diseño apropiado y usando sistemas basados en PE (electrónica de potencia) pueden aproximarse de forma modular para cubrir las necesidades totales del sistema.

Los inversores PE se basan en tres áreas tecnológicas fundamentales:


·         Dispositivos semiconductores de potencia.
·         Tecnologías de procesadores de señales digitales y microprocesador.
·         Algoritmos de control y comunicaciones.

La interface PE típicamente contiene algún nivel de funcionalidad de control y medición. Esto asegura que el sistema DER pueda operar según diseño.

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