Lineas De Trnasmision.docx

Compensación de energía reactiva en líneas de transmisión.

INDICE DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN........................................................................................................................ i

1.

COMPENSACIÓN DE ENERGÍA REACTIVA EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN. .. 1

1.1

Compensador estático de VAR ..................................................................................... 2

1.1.1 1.2

Compensador estático (SVC) ................................................................................ 2

Compensación en serie. ................................................................................................. 4

1.2.1

La aplicación más común: condensador en serie fijo ............................................ 4

1.2.2

Componentes del sistema de compensación en serie. ........................................... 5

1.3

Compensación en paralelo. ........................................................................................... 8

1.4

Compensador Síncrono Estático (STATCOM). .......................................................... 11

1.4.1

Ventajas y desventajas del STATCON ................................................................... 13

1.4.2 1.5

Características del STATCON. ........................................................................... 12

Colapso de la frecuencia y/o voltaje (Black Out). ....................................................... 14

1.5.1

El balance de reactivos del sistema..................................................................... 15

1.5.2

Estado de los sistemas de control y protección .................................................. 15

CONCLUSIÓN .......................................................................................................................... 17

BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 18

INTRODUCCIÓN Los sistemas eléctricos de potencia han visto limitado su crecimiento debido a diversos factores entre ellos del tipo ambiental, económico y operativo. Con la liberación del sector eléctrico los diferentes entes generadores, y distribuidores deben aprovechar mejor la infraestructura existente y a la vez mejorar la confiabilidad en la prestación del servicio. Esto lleva a que el sistema trabaje en puntos cercanos a su límite de operación, por lo que es necesario utilizar dispositivos que permitan no sólo ampliar los límites de estabilidad del sistema sino a la vez mejorar algunos de los parámetros de operación. Los compensadores de VARs estático han sido una alternativa para alcanzar los objetivos planteados en el párrafo anterior. Estos están basados en dispositivos de estado sólido, que los hace más económicos, confiables y de operación rápida y se han venido aplicando cada vez más en los sistemas eléctricos de potencia. La implementación de nuevos sistemas de transmisión y sus componentes, es una estrategia a largo plazo que deberá cumplir con estos desafíos. Para el corto y mediano plazo pueden ser empleadas tecnologías de transmisión modernas que comparativamente son de menores costos, y mejorar sustancialmente la calidad del suministro. Esto hace posible posponer las inversiones en nuevas plantas e infraestructuras, dando ventajas en el mercado no regulado donde existen grandes presiones con los precios de la energía. Esto significa que, con los FACTS, las compañías de potencia están aptas para utilizar mejor sus redes de trasmisión existentes, sustancialmente incrementar la disponibilidad y confiabilidad de sus redes. Los FACTS se dividen en dos categorías, determinados por la forma en que están conectados al sistema de potencia: Compensación en Paralelo (que sigue siendo el más común) y Compensación Serie. Además de estas formas de compensar la energía reactiva de las líneas de transmisión, estaremos abordando el tema de Colapso de la frecuencia y voltaje. El denominado Black Out sucede cuando el suministro falla en parte o la totalidad de una interconexión. En el caso extremo, toda la generación habrá acabado, aunque dependiendo de los mecanismos de control y protección, permanecerán algunas fuentes de generación alimentando consumos aledaños.

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1. COMPENSACIÓN DE ENERGÍA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.

REACTIVA

EN

La compensación de potencia reactiva es indispensable para una correcta gestión técnica y económica de un sistema eléctrico en MT. Los beneficios obtenidos son: Optimización técnica •

Ayuda al control de la tensión a lo largo del sistema de transporte y distribución

•

Descarga de las líneas de transporte y los transformadores de potencia

•

Reducción del nivel de pérdidas del sistema

Optimización económica •

Reducción del coste de la energía reactiva facturable (recargo según país y tarifa)

•

Reducción del coste económico oculto por efecto Joule en las líneas de transporte

• Permite una mejor ratio (kW/kVA) de utilización de las instalaciones ¿Dónde y cuándo compensar en MT? Básicamente debemos compensar en MT cuando se trate de: Sistemas de generación, transporte y distribución Los puntos más usuales donde se realiza la compensación de energía reactiva son las líneas de evacuación de centrales de generación (parques eólicos, hidroeléctricas, etc.), subestaciones receptoras o de distribución, y nudos de distribución. Instalaciones industriales con distribución y consumo en MT Por regla general, las instalaciones que distribuyen y consumen energía en MT son susceptibles de ser compensadas, como por ejemplo centros de bombeo, desalinizadoras, papeleras, cementeras, industria petroquímica, acerías, etc. Instalaciones industriales con distribución en MT y consumo en BT Normalmente se realiza la compensación en BT debido a que se trata de potencia pequeñas y con un nivel de fluctuación de la demanda rápida en comparación con MT. No obstante, si el número de centros de transformación y el consumo de energía reactiva

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son elevados y presentan poca fluctuación de carga, se debe proponer la compensación de energía reactiva en MT.

1.1 Compensador estático de VAR Los dispositivos de compensación estáticos son aquellos formados por capacitores y(o) bobinas estacionarias. El empleo de la compensación fija a través de capacitores en la industria y en los sistemas de potencia data de principios del siglo XX. Como en los sistemas eléctricos predomina la carga inductiva por la propia composición de las instalaciones (líneas, máquinas eléctricas, etc.), la compensación de reactivo se realiza por la asociación de un banco de capacitores de compensación, generalmente en paralelo con el receptor, de forma tal, que el conjunto se aproxime lo más posible al comportamiento resistivo puro. El fundamento de los dispositivos de compensación se encuentra en los efectos opuestos de las bobinas y capacitores. Actualmente, en la industria está muy difundido el empleo de los dispositivos estáticos de compensación fija. Sin embargo, como lo indica su nombre, solo pueden entregar una potencia reactiva de compensación única, por lo que su empleo en cargas variables no es totalmente eficiente. Su aplicación actual está más relacionada con la compensación de receptores individuales de carga constante.

1.1.1 Compensador estático (SVC) Desde hace un tiempo se han planteado diferentes esquemas para los compensadores de VARs estático, encontrándose entre ellos el SVC basado en un condensador fijo y una reactancia cuya corriente es regulada en ambos semiciclos por medio de dos tiristores conectados en paralelo.

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La función primaria de este SVC es controlar la potencia reactiva y estabilizar el voltaje del sistema. La señal auxiliar U es aplicada a la entrada del controlador del SVC y al sistema de excitación de la máquina para amortiguar las oscilaciones del sistema cuando aparecen perturbaciones. El SVC está equipado con un regulador de tensión el cual incrementa el torque sincronizador. En general, la contribución al torque amortiguador con sólo el regulador de tensión es pequeña. Si se quiere amortiguamiento adicional, se requiere una acción de control suplementario, que en este caso es realizada por el controlador PI y el término “washout” para evitar que opere en régimen permanente. La señal usada como entrada es la velocidad, pero pueden usarse otras tales como la potencia eléctrica, la frecuencia o una combinación de varias señales.

En la práctica, el dispositivo SVC suele estar compuesto por una capacitancia C en paralelo con una reactancia XR gobernadas por controladores o interruptores a base de tiristores e interruptores mecánicos. Estos compensadores pueden entregar (capacitivo) o absorber (inductivo) potencia reactiva de la red, para poder regular el voltaje, mejorar la estabilidad (estado estable y dinámico), evitar sobre voltajes, reducir “flicker”, reducir desbalances de corriente y en HVDC provee la potencia reactiva y el amortiguamiento ante oscilaciones subarmónicas. La utilidad o ventaja del SVC estriba en su capacidad para cambiar su capacitancia-inductancia a alta velocidad, haciendo uso de electrónica de potencia. La Fig. 1 muestra un dispositivo SVC monofásico básico compuesto en este caso por una capacitancia C con interruptor de tiristores TS en paralelo con una reactancia XR controlada por tiristores TC. Su denominación es SVC/TCR-TSC (Static Var Compesators, Thyristor Controlled Reactor Thyristor Switched Capacitor).

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1.2 Compensación en serie. Consiste en la inserción de componentes de potencia reactiva en las líneas de transmisión de energía. Típicamente los dispositivos de compensación de serie están conectados directamente al alto potencial de voltaje en plataformas aisladas. 1.2.1 La aplicación más común: condensador en serie fijo Beneficios • Reducción de la reactancia de la línea de transmisión. • Reducción de las pérdidas y la caída de tensión. • Aumento de la capacidad de transmisión. • Mejorar la estabilidad del sistema. • Disminución de necesidades de equipos de control de tensión, tales como capacitores en derivación ya que la caída de tensión en la línea se reduce. • Economía de costos comparado con otras alternativas técnicamente posibles como otras líneas de transmisión. Se aplican desde hace más de 50 años. Los capacitores en serie presentan la peculiaridad de ser en realidad un sistema compuesto por otros equipos diversos con la función exclusiva de proteger las unidades capacitivas contra sobretensiones. La necesidad de esta protección es por razones económicas de las unidades capacitivas, ya que la reactancia negativa del capacitor puede causar el aparecimiento de corrientes de cortocircuito muy elevadas, superiores a las normalizadas y como consecuencia sobretensiones a través de 4

los capacitores que impondrían necesidades de aislamientos inviables. Los tipos más usuales son usando varistores de óxido metálico (descargadores) solamente y el tipo adicionando centelladores. Los varistores metálicos con resistencias no lineales y tienen como característica una alta no linealidad funcionando como circuito abierto hasta tener la tensión de conducción. Des pues de una falla próxima al capacitor, con una sobretensión a través de capacitor igual o superior al nivel de disparo, el varistor pasa a conducir desviando la corriente del capacitor. Después de eliminar la falla, el varistor para de conducir y restablece la capacitancia para operación. El varistor puede ser dimensionado para disipar toda la energía de cualquier defecto en el sistema, pero una gran economía se puede hacer si se usan centelladores. En este caso el centellador se dispara primero y el interruptor de bypass es cerrado para proteger el centellador. Sistema de Compensación de la serie de permite a las empresas eléctricas aumentar la capacidad de transferencia de potencia de su infraestructura existente y las nuevas líneas de transmisión, lo que incrementa su rentabilidad. Los sistemas de compensación serie se instalan en serie con la línea de transmisión de alto voltaje, y consisten en un sistema integrado, diseñado a medida con muchos condensadores de potencia dispuestos en serie y en paralelo. El equipo más crítico es el sistema de protección paralelo que evita daños a los condensadores durante las fallas del sistema eléctrico. 1.2.2 Componentes del sistema de compensación en serie. El sistema de compensación de la serie de GE está compuesto por tecnología patentada y líder en la industria, lo que ayuda a los clientes a lograr una alta confiabilidad y las menores pérdidas posibles en sus líneas de transmisión. Los componentes principales del sistema de compensación de la serie incluyen condensadores, varistores de óxido metálico, brecha de aire activada e interruptores de paso rápido.



Condensadores

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Los condensadores se colocan en serie en un circuito de transmisión destinado a reducir la impedancia total de la línea y ofrece una mejor división de carga en circuitos paralelos, estabilidad transitoria del sistema y estabilidad del sistema en estado estacionario, lo que permite una mayor capacidad de transferencia de potencia.



Varistor de óxido metálico (MOV)

Los MOV son el dispositivo primario que protege a los condensadores de sobretensión desviando la corriente de falla. Los MOV son semiconductores que conducen por encima de un voltaje específico, conocido como Voltaje de Nivel de Protección. El MOV limita el voltaje a través del banco de condensadores a un valor seguro para los condensadores que manejan una corriente muy alta por períodos cortos de tiempo y protege los condensadores hasta que se establezca otra ruta de derivación.



Separación de Aire Disparado por Arco Modular (MACTAG)

Un MACTAG se utiliza a menudo como dispositivo intermedio de derivación y es más rápido que el interruptor de derivación, pero no es instantáneo como el varistor de óxido metálico (MOV). El diseño patentado de GE utiliza la inyección de plasma para establecer un arco que pasa por alto los condensadores y el MOV hasta que el interruptor de 6

derivación puede cerrarse. El MACTAG de GE es el más rápido de la industria (< 0.3 ms) ya que no se basa en controles terrestres para iniciar un bypass. Un MACTAG reduce el coste de los MOV al reducir la absorción de energía requerida.



Interruptor de By-Pass rápido (cierre prioritario)

El Fast By-Pass Switch se cierra rápidamente para limitar la energía MOV y TAG, eliminando los condensadores de la serie del servicio. Este conmutador también se utiliza para la conmutación normal para insertar los condensadores en serie o derivarlos.

Serie Banco de condensadores – Diagrama de una línea

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1.3 Compensación en paralelo.

La compensación paralela, es una alternativa viable para reducir los requerimientos de capacidad de corriente de un campo de pruebas de cortocircuito. 8

Soluciones en Compensación Paralela •

MSC Mechanical Switched Capacitors

•

MSR Mechanical Switched Reactors

•

TSC Tyhristor Switched Capacitors

•

TCR Thyristor Controlled Reactors

•

SVC Static Var Compensation (Combinación de ramas de TSCs y TCRs + filtros)

•

STATCOM Capacitores soportan el voltaje con carga pesada Reactores en paralelo reducen los sobrevoltajes con carga baja

•

Capacitores maniobrados por tiristores TSC

•

Reactores controlados por tiristores

•

Complementados con filtros de armónicos

Los SVC Classic constan de ramas de Reactores controlados por Tiristores (TCR), Capacitores maniobrados por Tiristores (TSC) y ramas de filtros. Los TCR controlan y compensan la tensión local (por ej en casos de inestabilidad de la tensión, sobretensiones transitorias etc.) en forma continúa absorbiendo la potencia reactiva inductiva de cero al máximo, dependiendo de los requisitos y además reduciendo oscilaciones en el sistema. Las siguientes tareas son llevadas a cabo por los SVCs •

Control del Voltaje en estado estacionario y dinámico

•

Control de Potencia Reactiva con Cargas Dinámicas

•

Atenuación de Oscilaciones de Potencia Activa (Se requiere estudios del sistema)

•

Mejora de la estabilidad del sistema

MSC Usados también para suministrar compensación reactiva y corregir el factor de potencia. Bancos de Capacitores en derivación son relativamente económicos y pueden ser fácilmente instalados en cualquier punto de la red, mejoran la utilización de la red, reduce perdidas y pospone inversiones en transmisión. También controlan tensión, corrigen el factor de potencia, elevan la capacidad de la red y filtran armónicos cuando se usan como filtros pasivos. Compensación Paralela, componentes, tiempos de respuesta, número de maniobras, rangos:

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Debido a que el diseño de compensación paralela en controlador (o compensador) se encuentra en un lazo secundario, el diseño parece más complicado que el caso de la compensación en serie. Sin embargo, no será complicado si se reescribe la ecuación característica para que tenga la misma forma que la ecuación característica para los sistemas de compensación serie. Ecuación 1: Ecuación característica serie

Dadas G y H, el problema de diseño consiste en determinar Ge que satisfaga la especificación. La función de transferencia para lazo cerrado para el sistema de compensación paralela es:

La ecuación característica es 10

Ecuación 2:ecuación característica paralelo

Dividiendo esta ecuación característica en la suma de los términos que no contiene G e se obtiene.

Como Gf es una funcion de transferencia fija, el diseño de Ge lega a ser igual que en el caso de

la compensación en serie. Por lo tanto, el mismo método de diseño se aplica al sistema de compensado paralelo.

1.4 Compensador Síncrono Estático (STATCOM).

El Condensador de Distribución Estático conocido también como STATCON o DSC es un dispositivo que inyecta energía reactiva a la red de distribución en la cual está conectado. En su forma más simple el DSC inyecta un voltaje en fase con la red proveyendo de esta forma regulación del voltaje y la potencia reactiva. Su operación se 11

fundamenta en que al controlar el flujo de potencia reactiva ayuda a reducir las corrientes de línea y por consiguiente las pérdidas totales del sistema. Simula condiciones reales de operación utilizando algoritmos matemáticos, mejorando la magnitud del voltaje además del margen de estabilidad, pero no ayuda a corregir desequilibrios reales del sistema. Debido a que este dispositivo genera una forma de onda sincrónica, es capaz de generar continuamente compensación variable capacitiva o reactiva hasta un nivel de potencia igual a la nominal del inversor. La Fig. 3 muestra la conexión de un STATCON a la red de distribución.

El principal objetivo de un Statcon en un sistema de potencia es incrementar la capacidad de transmisión de potencia de una red de transmisión dada (desde los generadores hasta la carga), recordando que estos compensadores no pueden generar ni absorber potencia activa y el sistema de transmisión resulta afectado por el control de voltaje. Para esto, el STATCON utiliza el conversor de voltaje SVC (static var compensator) como componente electrónico básico en el que se convierte el voltaje DC de un punto al voltaje trifásico con el rendimiento, amplitud, frecuencia y fase requerida.

1.4.1 Características del STATCON.

Si se controla un compensador estático para regular el voltaje terminal, este puede aumentar la estabilidad transitoria, manteniendo el voltaje de transmisión (en algún punto intermedio apropiado) frente al incremento del flujo de potencia que aparece inmediatamente después que se elimina una falla. La Fig. 4 es la curva de inyección de corriente reactiva de un STATCON. La

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corriente ISTATCON es perpendicular al voltaje de suministro (VUTILITY). Ya que la magnitud del voltaje del convertidor (Vi) es controlable, es posible controlar también la potencia reactiva Q entregada o sumida de la red (Grünbaum, 2001). La operación básica del STATCON indica que si Vi > VUTILITY, el dispositivo entrega potencia al sistema. Por el contrario, si VUTILITY > Vi el STATCOM consume reactivo.

La conexión a la red de distribución se hace mediante transformadores de distribución ordinarios permitiendo la utilización de estos dispositivos en diferentes niveles de voltajes. Debido a que el STATCON controla en forma independiente el intercambio de potencia activa y reactiva también permite la amortiguación de las oscilaciones de potencia. La topología utilizada en el dispositivo está diseñada principalmente para eliminar bajas de tensión debidas a fallas en alimentadores cercanos, reconfiguraciones de las redes de distribución y arranque de motores.

1.4.2 Ventajas y desventajas del STATCON

Ventajas • No requieren de componentes inductivos o capacitivos grandes para proveer de potencia reactiva a las líneas de transmisión. Esto resulta en espacios físicos menores que los 13

utilizados con tecnologías como compensadores estáticos de energía reactiva VAR (SVC). • EL STATCON tiene una capacidad simétrica con respecto a la potencia reactiva inductiva y capacitiva, que en ambos casos es del 50% cada una en forma idéntica. • Un mismo STATCON puede ser adaptado a diferentes voltajes de distribución. • El riesgo de condiciones resonantes es muy pequeño a diferencia de los bancos de condensadores u otros medios de corrección de factor de potencia. • Pueden ser reubicados debido a su notoria independencia de la red de distribución en la que se conectan. • Pueden operar en dos modos: Control de Corriente y Control de Voltaje. El primero de estos modos le permite operar como regulador de carga, trabajando como filtro activo, corrector de factor de potencia e incluso balancear la carga. Al efectuar control del voltaje, protege contra las perturbaciones, sags, swells, desbalance e inclusos breves interrupciones. • Pueden controlar tanto potencia reactiva como activa. • Permiten un mejoramiento general de la eficiencia del sistema. • Son equipos construidos de fábrica de forma modular, esto reduce el trabajo en el campo al momento de su instalación. Limitaciones • El sumamente sensible a los desbalances de voltaje. Pequeños desbalances producen corrientes grandes en el compensador. • Es una solución costosa en algunos casos frente a tecnologías como los SVC así que su uso requiere de un estudio que incluya un análisis del impacto económico.

1.5 Colapso de la frecuencia y/o voltaje (Black Out).

El denominado Black Out sucede cuando el suministro falla en parte o la totalidad de una interconexión. En el caso extremo, toda la generación habrá acabado, aunque

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dependiendo de los mecanismos de control y protección, permanecerán algunas fuentes de generación alimentando consumos aledaños. No obstante, la mayoría de los sistemas eléctricos realizan sus planes de contingencia asumiendo que podría ser necesario reiniciar el sistema desde cero. Las fuentes de potencias pequeñas (baterías, turbinas diésel), las cuales serán requeridas normalmente en esta situación, deberán ser consideradas durante la planificación del sistema y serán costosas. Algunas centrales puede que requieran apoyo de parte de vecinos. Los sistemas con centrales hidráulicas cuentan con fuentes de grandes magnitudes de potencia en casos de apagones. Se ha sugerido que existen tres áreas funcionales a considerar durante el proceso de restauración: el balance de potencia activa; el balance de potencia reactiva; y el estado de los mecanismos de control y protección. La primera será determinada principalmente por la evolución de la generación y la demanda, la segunda por las fuentes de potencia reactiva en la red y la demanda de esta, y la tercera por la operatividad de los equipos de control y protección luego de la perturbación. 1.5.1 El balance de reactivos del sistema El balance de reactivos del sistema estará determinado por la capacidad de entregar reactivos de las unidades generadoras que se encuentren en operación, por la componente reactiva de la demanda que ya ha sido recuperada, por las características reactivas de la red y de las unidades de compensación shunt del sistema, cuya capacidad de compensación varía con el cuadrado del voltaje del sistema. Uno de los problemas más comunes durante las etapas tempranas de la reposición del servicio, es la prevención de sobre voltajes. Para ello se debe minimizar el número de circuitos que se conectan, los generadores en operación deben mantener sus niveles de voltaje en el mínimo, se debe minimizar la capacitancia shunt y maximizar la reactancia shunt, los taps de los transformadores deben ser ajustados convenientemente y las cargas que se reponen deben tener un factor de potencia en atraso en las fases tempranas de reposición.

1.5.2 Estado de los sistemas de control y protección Será necesario activar numerosos procedimientos organizativos cuando se presenta un Black Out. Estos procedimientos estarán determinados a priori para efectos de enfrentar 15

la contingencia. La estructura general de los procedimientos dependerá del tipo de sistema, variando para esquemas centralizados, sistemas separados en áreas de balance, etc. Independiente de la estructura, habrá que poner especial atención en los siguientes aspectos durante la etapa temprana de restauración: (1) Niveles de fallas serán bajos, por lo que puede ser necesario ajustar los parámetros de los equipos de protección para garantizar su operación frente a una eventual falla. (2) Al menos una parte de la demanda restaurada debe estar protegida con relés de baja frecuencia. (3) Plantas generadoras deben operar en modo sensible a frecuencia, a menos que su estado luego de la contingencia exija lo contrario. (4) El estado de los esquemas de conexión automático debe ser revisado.

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CONCLUSIÓN

La compensación de potencia reactiva es indispensable para una correcta gestión técnica y económica de un sistema eléctrico, ya que Ayuda al control de la tensión a lo largo del sistema de transmisión y distribución, además que reduce el costo económico oculto por efecto joule en las líneas de trasporte permitiendo así una mejor ratio (kW/kVA) de utilización de las instalaciones. La carga requiere de potencia reactiva que varía continuamente e incrementa las pérdidas de transmisión afectando los voltajes de la red. Para prevenir fluctuaciones inaceptables de voltajes y dar como resultados fallas de la red, la potencia reactiva tiene que ser compensada y mantenida en balance. La compensación paralela proporciona una mejor utilización de la red actuado en la calidad de la energía y reducción de costos a los consumidores. La compensación serie se utiliza en las líneas de transmisión para disminuir su reactancia serie y por lo tanto la distancia eléctrica entre sus barras terminales. El propósito del SVC es del mantener un perfil adecuado de tensión en el sistema eléctrico, proveer de un medio de generación o absorción de reactivos, y a la vez, ampliar los límites de estabilidad del sistema eléctrico. También se puede pensar en el SVC como una alternativa para mejorar el amortiguamiento del sistema y tener una buena regulación de la tensión.

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BIBLIOGRAFÍA

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torque coefficient”. Electric Machines and Power Systems, vol 25, pp 371 – 386, 1997. 2. ALZATE G. Alfonso. Dinámica de sistemas eléctricos: Estabilidad y control.

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infotrifasicos.pdf

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