Generadores Electricos

Instituto Tecnologico Superior Progreso

Ingenieria En Energias Renovables

Sistemas de Generacion de Energia Eolica

Investigacion: Tipos De Generadores Para Sistemas Eolicos

Elaborado por:

Br. Sanchez Esquivel Roger Armando

Noveno semestre

Docente: Ing. David Balam

E-mail de docente: dbalam@itsprogreso.edu.mx

Fecha De Entrega: Progreso, Yuc. A Martes 30 De Septiembre De 2014

SISTEMAS DE GENERADCIÓN ELECTRICA PARA AEROGENERADORES

Generalidades de la conversión de energía eléctrica en mecánica.

En un aerogenerador se transforma energía cinética del viento en energía mecánica mediante el giro del rotor eólico. Esta energía mecánica que aparece en el eje de éste rotor en forma de par y vueltas por unidad de tiempo, se transforma en energía eléctrica mediante una máquina eléctrica, que opera en modo generador de energía eléctrica, gracias al giro del eje del rotor del aerogenerador, provocado por la acción del viento sobre las palas.

La máquina eléctrica puede ser de distinto tipo dependiendo del tipo de aerogenerador y su modo de operación (operación a velocidad de rotación del rotor cuasi-constante o a velocidad de rotación variable). La velocidad de rotación típica del rotor de un aerogenerador se encuentra en el rango de 20 a 100 rpm para aerogeneradores de gran potencia y de entre 100 y 400 rpm para aerogeneradores de pequeña potencia. Las máquinas eléctricas convencionales (con bajo número de polos) suelen tener velocidades de sincronismo de entre 750 y 3000 rpm. La solución de acoplamiento pasa por utilizar una transmisión o caja multiplicadora que acople la relación par/vueltas del rotor de la turbina y del generador eléctrico o utilizar generadores eléctricos específicos que tengan velocidades de sincronismo bajas equivalentes al rango de velocidades de rotación del rotor (generadores con gran número de polos). La generación de energía eléctrica se hace normalmente con máquinas que generan corriente eléctrica alterna (doble polaridad) descartándose totalmente hoy en día las máquinas de corriente continua.

Generalidades

• Actualmente existe un gran impulso en la introducción de energías renovables en las redes de transporte

• De todas las fuentes de energía renovables, la eólica es la tecnología más viable

• En el pasado los parques eólicos eran generalmente pequeños (pocos MW) y conectados principalmente a las redes de distribución

• Hoy en día los parques eólicos previstos se encuentran por encima de 100 MWs y muchos conectados directamente a las redes de transporte

• Aparece la necesidad de realizar análisis de los sistemas en las fases iniciales de desarrollo de los parques eólicos con el fin de asegurar su correcta integración en las redes de transporte.

Características de la generación eólica

Tipos de generadores eólicos

Los generadores eléctricos se pueden clasificar básicamente de acuerdo al tipo de señal eléctrica que producen: continúa o alterna.

Los aerogeneradores con generador eléctrico de corriente continua o dinamos están totalmente descartados para máquinas de alta potencia, ya que sólo se pueden conectar a la red eléctrica mediante convertidores electrónicos que conviertan la corriente continua a alterna. Unicamente, en aplicaciones aisladas de baja potencia, en las cuales el sistema de acumulación eléctrica utilizado sea una batería se han utilizado. El alto precio de la máquina y el alto coste de mantenimiento (cambio de escobillas, etc) hacen también que su uso sea marginal y hayan sido sustituidos por alternadores síncronos de imanes permanentes que junto a un puente rectificador son muy útiles para aplicaciones en corriente continua.

Dentro de los generadores de corriente alterna se puede establecer una clasificación de acuerdo a los generadores autoexcitados (síncronos) bien sea con corriente eléctrica continua inyectada en las bobinas del rotor o excitados mediante imanes permanentes y excitados a partir de la red eléctrica conectada a las bobinas del estator de la máquina (asíncronos)

Los más comunes son el generador asíncrono de inducción ‘‘convencional’’ y el generador asíncrono de inducción doblemente alimentado (DFIG)

Otros tipos: Unidades ‘‘Full converters’’ (generadores síncronos)

Generador de corriente alterna síncrono

Si mantenemos los conductores o espiras en reposo (estator) y hacemos que sea el campo magnético el que experimente un movimiento giratorio relativo respecto al conductor, mediante el giro de un rotor con múltiples polos, obtenidos mediante espiras por las que pasa una corriente continua de excitación o por imanes permanentes, se produce una fuerza electromotriz inducida en los conductores que están en reposo, cuya amplitud dependerá del nivel de corriente de excitación y su frecuencia de la velocidad mecánica de giro del rotor.

La ventaja que se obtiene estriba en que la corriente alterna se puede extraer de los bornes fijos y no de las escobillas sometidas continuamente a rozamiento. La corriente inducida se produce en este caso en los devanados con núcleo de hierro, que están en reposo y se encuentran distribuidos en la parte interior del estator, de manera que la tensión y la corriente inducidas sean perfectamente sinusoidales.

Los electroimanes en unos casos o los imanes, también llamados polos generadores del campo magnético se encuentran en la parte giratoria -rotor- del generador eléctrico. Los polos se realizan sobresaliendo de la superficie de rotor para máquinas de más de cuatro polos o a ras de superficie para máquinas de 2 ó 4 polos. Estos polos, compuestos por electroimanes, dispondrán de corriente continua de excitación suministrada desde el exterior, mediante anillos rozantes y escobillas o interna, mediante corriente continua obtenida a partir de una dinamo o mediante un pequeño alternador situado sobre el mismo eje del generador, rectificando la corriente obtenida.

Normalmente, los generadores síncronos son trifásicos. Un generador síncrono trifásico dispone de tres devanados iguales en el estator, dispuestos de forma que queden desplazados entre sí 120o. Durante una vuelta del rotor, los polos Norte y Sur pasan frente a los tres devanados del estator. Por ello, se habla de campo magnético giratorio. Durante éste proceso, en cada uno de los devanados se genera una tensión alterna monofásica. Las tres tensiones alternas monofásicas tienen el mismo ciclo en el tiempo, pero desplazadas entre sí en la tercera parte de una vuelta, por lo que se dice que tienen la misma "fase de oscilación".

Por coincidir siempre el desplazamiento del campo magnético giratorio con el desplazamiento del rotor (rueda polar) es por lo que se denominan generadores síncronos.

En los generadores síncronos la velocidad de rotación del rotor que genera el campo magnético y la frecuencia de la señal eléctrica inducida están relacionadas a través de la ecuación:

Siendo el número "p" el número de pares de polos que generan el campo magnético, "n" el número de revoluciones por minuto que da el eje del rotor del generador y "f" la frecuencia de la señal eléctrica de salida (ciclos/s o Hercios).

En nuestro país la frecuencia de la tensión de red es 50 ciclos/segundo (Hz), por lo tanto, si se desea conectar a la red un generador síncrono compuesto por dos pares de polos en su rotor, la velocidad de sincronismo será 1500 rpm, a ésta velocidad girará siempre el rotor mientras el generador esté conectado a la red, ya que se supone que la red es de potencia infinita frente a la potencia del generador conectado a ella.

Es evidente que si un aerogenerador de eje horizontal de rotor rápido, por ejemplo un tripala de 40 metros de diámetro se diseña para girar, cuando está acoplado a la red a 30 rpm deberá de disponer de una caja multiplicadora de relación de transformación 1:50, que haga el acoplamiento entre el eje de la pala y el eje de generador eléctrico.

Si el eje de la Aero turbina está solidariamente unido con el eje del generador, las bajas vueltas de la Aero turbina obligan a diseñar el rotor del generador con muchos polos. Este tipo de generadores con gran número de polos (hasta 90 o más) se utilizan en aerogeneradores de velocidad variable de gran potencia.

Generadores síncronos multipolares.

El inconveniente principal del uso de generadores de bajo número de polos (2, 4, 6 etc.), es la necesidad de implementar una caja multiplicadora, la cual incrementa el peso razonablemente, genera ruido, demanda un mantenimiento regular e incrementa las pérdidas del aerogenerador. El incremento del coste no es significativo, pero es un elemento que en algunos aerogeneradores ha sido fuente de graves problemas. Por ello se utilizan cada vez más sobretodo en aerogeneradores de velocidad variable, generadores síncronos con alto número de polos bien sean electroimanes o imanes permanentes.

Generador síncrono multipolar excitado eléctricamente.

Este tipo de generador evita el uso de caja multiplicadora debido a que al disponer de un gran número de polos, su velocidad de sincronismo es baja y perfectamente compatible con la velocidad del rotor del aerogenerador.

Generadores síncronos multipolares con imanes permanentes. En aerogeneradores de pequeña potencia (hasta 12 kW) se utilizan mayormente generadores síncronos de imanes permanentes. Esto es debido principalmente a su robustez y su bajo mantenimiento, evitan el uso de cajas multiplicadoras, aunque su precio es algo mayor. Este tipo de generadores se está utilizando cada vez más en aerogeneradores de gran potencia debido a lo reducido de su peso y volumen al utilizar imanes de alto magnetismo.

Existen múltiples tipos de materiales para sintetizar los imanes siendo los más importantes los siguientes:

• Alnico: Estos imanes están fabricados por fundición o sinterización. Poseen el mejor comportamiento a temperaturas elevadas. Tienen una elevada remanencia, pero su coercitividad es bastante baja.

• Ferrita: Este tipo de imanes se obtienen sobre todo por sinterización. Son los más utilizados por su relación calidad/precio. Existen muchas calidades diferentes. Presentan buena resistencia a la desimantación. − Neodimio-Hierro-Boro: Son los imanes con las mejores características magnéticas existentes en la actualidad. Su comportamiento en función de la temperatura ha mejorado bastante. Se pueden utilizar para aplicaciones de hasta 150ºC. − Samario-Cobalto: Estos imanes están fabricados a partir de elementos de la familia de las tierras raras. Sus características magnéticas permiten reducir sus medidas. Su producto de energía es considerablemente elevado Tienen un comportamiento muy bueno a temperaturas elevadas.

Es típico ver generadores de imanes permanentes de dos, de tres y de hasta seis o más fases. Sin embargo el número de imanes es mucho más flexible, desde 2 a 30 en generadores de pequeña potencia, debido a su geometría y de hasta 90 imanes en generadores de gran potencia. Hay que tener en cuenta que un mayor número de imanes ofrece un mayor par para el mismo nivel de corriente. Por otro lado, un mayor número de imanes implica un menor sitio para implementarlo. El número ideal de imanes dependerá de la geometría del generador y de las propiedades de los materiales utilizados.

Operación y modelado

Generador de Inducción Convencional

La utilización de la máquina asíncrona o de inducción en generación de energía eléctrica mediante aerogeneradores es actualmente mayoritaria

En este tipo de máquina eléctrica, el campo magnético giratorio se crea a través del estator, cuyos devanados deberán estar conectados a una fuente exterior de tensión alterna. Esta es la razón básica por la que la máquina asíncrona es consumidora de energía reactiva, ya que al ser el bobinado una carga inductiva, para generar el campo magnético consumirá corriente desfasada de la tensión.

Si partimos de una máquina asíncrona con el rotor en reposo, la acción del campo magnético giratorio sobre las bobinas de rotor induce una fuerza electromotriz en las mismas. Esta fuerza electromotriz inducida motiva el paso de corrientes por las bobinas del rotor, las cuales normalmente están cerradas en cortocircuito (máquina de jaula de ardilla) presentando apenas resistencia. El campo giratorio ejerce fuerzas sobre los conductores recorridos por una corriente eléctrica, originándose un par de giro que pone en movimiento al rotor en el mismo sentido que el campo magnético giratorio. El rotor irá girando cada vez más rápido reduciéndose la diferencia de velocidades de giro entre el campo magnético y el rotor. Al disminuir la diferencia de velocidad, las tensiones inducidas, al igual que las corrientes en el rotor decrecen llegando a ser nulas cuando el rotor alcanza casi la velocidad de rotación del campo giratorio, denominada velocidad de sincronismo.

La velocidad de sincronismo vendrá definida al igual que en las máquinas síncronas por la frecuencia de la señal eléctrica externa y por el número de pares de polos alojados en este caso en el estator.

A la diferencia entre la velocidad de giro del campo magnético y del rotor se le denomina deslizamiento (S).

A medida que aumenta la diferencia de velocidad de giro entre el rotor y el campo magnético producido por el estator, se produce una mayor tensión en el rotor y, consiguientemente crece la corriente que circula por él. Con mayor corriente, el campo magnético debido al rotor también crece y el flujo de potencia activa hacia la red eléctrica será mayor, al igual que el consumo de potencia reactiva por parte de la máquina. Esta tendencia se mantendrá hasta llegar al par resistente máximo del generador.

Para mejorar el rendimiento del aerogenerador con generador de inducción (velocidad constante), la mayoría de los fabricantes diseñan el sistema de generación con dos velocidades de sincronismo, de forma que el sistema opere a una velocidad de rotación menor para bajas velocidades de viento y mayor para altas velocidades de viento.

Hay varias formas para obtener la operación a doble velocidad:

1. Caja multiplicadora dos doble eje de salida con distinta relación Par/vueltas.

2. Dos generadores de distinta potencia y número de polos instalados sobre el mismo eje y sistema de conmutación de las conexiones.

3. Generador de doble bobinado, la más utilizada. (ABB, SIEMENS etc.)

Características

• Alta eficiencia de un motor de inducción operando con pequeño deslizamiento negativo (super-sincrono)

• Absorbe energía reactiva del sistema (sin compensación ~0.9pf)

• Requiere de compensación (baterías de condensadores) a nivel máquina

• Una perturbación puede llevar a la máquina a la inestabilidad al sobrepasar su par máximo, acelerándose hasta que dispara la protección (colapso de tensión)

• Las fluctuaciones de viento repentinas se transmiten rápidamente a fluctuaciones en la potencia eléctrica

• Se emplean modelos convencionales de motores de inducción para análisis de estabilidad transitoria.

Operación y modelado

DFIG/Full Converter

• Operación de velocidad variable => mayor aprovechamiento del viento.

• Capacidad de generar o absorber energía reactiva (0.9pf inductivo/capacitivo).

• Pares transitorios más pequeños.

• Las fluctuaciones de viento repentinas no se transmiten en fluctuaciones en la potencia eléctrica.

• Diseño eléctrico y control más complejo con electrónica de potencia.

• Se emplean modelos específicos para el análisis de estabilidad transitoria (RMS).

• Para análisis más en profundidad de la interacción del control son necesarios modelos más detallados por fases (EMT).

BIBLIOGRAFIA.

• “Convertidores Electromecánicos de Energía”. G. Herranz. Ed. Marcombo. Boizareau Editores. “Brushless Permanent Magnet Motor Design”. Duane C. Hanselman. Ed McGraw – Hill Inc.

• “Curso Moderno de Máquinas Electricas Rotativas” Tomos I,II,III,IV y V. M Cortes Cherta. Editorial Técnicos Asociados.

• “Power Electronics”. Mohan, Undeland, Robbins. Ed. John Wiley and Sons.

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