Generador Asincrónico

Rotor Bobinado - Forma Constructiva

0

0,5

1

0 50 100 150

velo

cida

d (p

u)

estado de carga (%)

3 al 5 %

Variación cupla - velocidad• Reemplazando en la expresión de cupla la corriente en base al

equivalente Thevenin:

• Expresando I2 como V1a dividida por la impedancia:

• Que gráficamente resulta:

Tq V r

s

Rrs

X xs

a

1

12 1 2

1 12 2

22

( )

( ) ( )

Ya vista: T = 1/ωs q1 I22 r2/s

Efecto de la resistencia rotórica• Rotor bobinado, con resistencias externas a través de anillos rozante.

• Rotor jaula modificada: barra profunda y doble jaula.

Efecto del tipo de rotor y su resistencia

Clase A: Cupla de arranque normal, corriente de arranque normal.

Clase B: Cupla de arranque normal, corriente de arranque baja.

Clase C: Cupla de arranque alta, corriente de arranque baja.

Clase D: Cupla de arranque alta, deslizamiento alto.

Control de velocidad del motor de inducción

• La velocidad de un motor de inducción, puede ajustarse cambiando el deslizamiento o la velocidad sincrónica (número de polos y/o frecuencia)

Implementación del variador de velocidad

Principio PWM (Pulse Width Modulation)

Métodos de arranque

(soft starters)

Calentamiento durante el arranque

Ciclo: arranque 5 s y plena carga 2200 s; sobrecarga fuerte de 5 s y detenciónpor 1200 s (fuerte enfriamiento), seguido de nuevo arranque con plena carga.

Arrancadores suaves (AS) IValor eficaz

Diagrama completo de círculo, para motor

Diagrama de círculo como generador

Línea T Ms, porcentaje de deslizamiento

Curvas características motor - generador

Fenómeno de autoexcitación

Curva del motor

Rectas de los capacitores

Motor Inducción

Fuente

Motor 5,5 kW con capacitores de 2 x 5 kVAr

1,35 pu

Excitación por capacitores

Generador asincrónico moderno

Generalidades I• Las máquinas eléctricas de ca pueden solo

funcionar a ciertas velocidades fijadas por el número de polos.

• El deslizamiento de la máquina de inducción es usualmente muy pequeño debido al rendimiento, variando no más del 3 % entre vacío y plena carga.

• El deslizamiento es función de la resistencia rotórica

• A mayor resistencia, mayor es el deslizamiento.

Generalidades II• Uno de los métodos empleados para variar el deslizamiento es

variando la resistencia rotórica, pudiendo aumentar el deslizamiento hasta un 20 %.

• Para ello se requiere rotor bobinado, que con anillos rozantes y mediante control electrónico conecta resistencias externas.

• Los anillos y escobillas representan una importante desventaja frente al rotor de jaula.

• Este contacto anillos – escobillas sufre desgaste y chispas, requiriendo de mantenimiento.

Generalidades III• La potencia en ca a frecuencia variable no

puede ser inyectada a la red,• La potencia a frecuencia variable puede

convertirse fácilmente a cc usando tiristores y últimamente con transistores de potencia,

• Los inversores convierten la energía de cc fluctuante en ca con la frecuencia de la red,

• La conversión no se realiza en forma uniforme sino con grandes variaciones de tensión y corriente.

Clasificación de las turbinas eólicas

• Tipo A: Velocidad fija• Tipo B: Velocidad variable limitada• Tipo C: Velocidad variable con convertidor

parcial de potencia• Tipo D: Velocidad variable con convertidor

pleno de potencia

Esquema de operación de las turbinas

Tipo A: Velocidad fija

• SCIG (Squirrel cage induction generator), generador de inducción con jaula de ardilla conectado a la red vía transformador.

• Extrae la potencia reactiva de la red, con compensación por banco de capacitores (sin capacitores las fluctuaciones de tensión y las pérdidas en las líneas son inevitables).

• Las variaciones de la velocidad del viento impone grandes solicitaciones a la estructura de la turbina.

Tipo B: Velocidad variable limitada

• WRIG (Wound rotor induction generator) generador de inducción de rotor bobinado, con banco de capacitores, conectado directamente a la red.

• Con arrancador suave, que asegura conexión suave a la red.• Controlando la resistencia rotórica, puede controlarse la

potencia de salida.• La resistencia rotórica se cambia por medio de un

convertidor de control óptico sobre el eje (Opti Slip).• El rango de control de velocidad es de 0 al 10 % sobre la

sincrónica y es función del tamaño del rotor.

Tipo C: Velocidad variable con convertidor parcial de potencia• DFIG (Double fed induction generator) generador de

inducción de doble alimentación, corresponde a un WRIG con convertidor de frecuencia de potencia parcial.

• El convertidor de frecuencia realiza la compensación de potencia reactiva y asegura conexión suave a la red.

• El generador posee un rango de control de velocidad de -40 % a +30% respecto a la sincrónica.

• Los principales inconvenientes son la necesidad de anillos rozantes y el requerimiento de protección por fallas en red.

Tipo D: Velocidad variable con convertidor de potencia total• Puede usar generadores PMSG (permanent magnet squirrel

cage generator) generador de magnetismo remanente con jaula, WRSG (wound rotor synchronous generator) generador sincrónico con rotor bobinado y WRIG.

• El convertidor de frecuencia de potencia plena realiza la compensación de potencia reactiva y asegura conexión suave a la red.

• Puede no requerir caja multiplicadora.

Operación con velocidad variablepor control de ángulo de hélice

• Al controlar la cupla por ángulo de pala se reduce la sobrecarga sobre la caja y generador,

• El tiempo de reacción del mecanismo de ajuste del ángulo de ataque se transforma en crítico,

• El generador de deslizamiento variable permite incrementar el mismo al acercarse a su potencia nominal,

• Una estrategia muy empleada es operar al 50% del deslizamiento máximo en condiciones nominales, frente a la ráfaga el control aumenta el s, girando un poco más rápido, inclinando las palas fuera del viento; con lo que la velocidad desciende,

• Si el viento cae, se procede a la inversa,• Operando a altos s, hay mayor liberación de calor y menor rendimiento,• El control ángulo – s mejora la calidad de potencia ya que reduce las

fluctuaciones de potencia generada.

Conexión indirecta, conversión plena

• Permite la variación de la frecuencia del generador.

• Pueden usarse generadores sincrónicos y asincrónicos.

• Puede o no tenerse caja multiplicadora.• Se requiere elevado número de polos.

Ventajas de conexión indirecta• Permite operar la turbina con velocidad variable,• Las ráfagas aceleran al rotor almacenando el exceso de

energía, que luego es convertido,• Se requiere de control inteligente que diferencie ráfagas de

vientos excesivos sostenidos,• Reduce picos de cupla (en caja y generador) y reduce

carga de fatiga en la torre y hélice,• La electrónica de potencia permite controlar el factor de

potencia, especialmente necesario en redes débiles,• Mejora la producción anual de energía, por mayor

explotación de las diferentes velocidades de viento.

Desventajas de conexión indirecta• Principal desventaja, es el costo,• Se requiere de un rectificador y dos inversores, uno para

controlar la corriente estatórica y otro para generar la corriente de salida,

• El costo de la electrónica puede anular las ventajas constructivas de la turbina, pero el avance de la electrónica baja su precio,

• La experiencia actual indica que el número de horas de la operación de estas turbinas es menor que la convencional debido a fallas de la electrónica,

• Pérdidas en la conversión ca-cc-ca, e • Introducción de armónicas en la red, de filtrado

dificultoso.