Generador Asincrónico
velocidad (pu)
Rotor Bobinado - Forma Constructiva
1
0,5
3 al 5 %
0
0
50
100
estado de carga (%)
150
Variación cupla - velocidad
• Reemplazando en la expresión de cupla la corriente en
base al equivalente Thevenin:
Ya vista: T = 1/ωs q1 I22 r2/s
• Expresando I2 como V1a dividida por la impedancia:
T 
1
s

q 1  V 12a  (
( R 1
r2
s
r2
)
s
2
)  ( X 1 x 2 )
• Que gráficamente
resulta:
2
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 detención
por 1200 s (fuerte enfriamiento), seguido de nuevo arranque con plena carga.
Arrancadores suaves (AS) I
Valor eficaz
Diagrama completo de círculo,
para motor
Diagrama de círculo como generador
Línea T Ms,
porcentaje de deslizamiento
Curvas características motor - generador
1,35 pu
Fenómeno de autoexcitación
Fuente
Motor Inducción
Rectas de los capacitores
Curva del
motor
Motor 5,5 kW con capacitores de 2 x 5 kVAr
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 variable
por 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.
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Presentación 5.