GENERADOR ASÍNCRONO DE DOBLE ALIMENTACIÓN (DFIG)

El generador utilizado en este modelo será el DFIG (Doubly fed induction generator). Es una máquina de inducción de velocidad variable, ampliamente utilizada en generadores eólicos. Su principal característica es que puede generar electricidad de una tensión de valor eficaz y frecuencia constante a diferentes velocidades de giro.

Esto es posible gracias a que el rotor devanado es alimentado con un convertidor back to

back, este convertidor está compuesto a su vez por dos convertidores CC/CA reversibles.

Este convertidor permite controlar todas las características de la electricidad que alimenta al rotor. Al variar estas características es posible mantener la tensión eficaz y la frecuencia de la electricidad generada en el estátor en unos valores constantes.

A su vez, como el convertidor es reversible es posible también controlar las características de la electricidad que sale del rotor hacia la red y adecuarla a sus características.

Figura 51. Esquema de un generador eólico con DFIG [11].

Es posible tanto alimentar al rotor como obtener potencia de él gracias al propio convertidor. Cuando el generador trabaja en régimen subsíncrono se alimenta el rotor con electricidad de unas ciertas características; mientras que si el generador se encuentra en régimen supersíncrono es posible obtener también potencia del rotor (a parte de la potencia que ya se extrae del estátor).

En ambos casos el convertidor back to back se encarga de adecuar las características eléctricas de las corrientes en el rotor:

• Se adecúan a las propiedades de la red eléctrica cuando se capta potencia del rotor (régimen supersíncrono)

• Se adecúan a las características eléctricas necesarias para mantener la tensión eficaz y la frecuencia de las corrientes del estátor a las de la red. Las características de las

corrientes que se alimentan al rotor dependen, en cada instante, del régimen de giro de la turbina eólica.

El principio de funcionamiento es el siguiente: la alimentación del estátor crea un campo magnético giratorio en el interior del generador cuya velocidad está determinada por la siguiente ecuación:

𝜔𝑠 =

2 · 𝜋 · 𝑓𝑠

𝑝

( 36)

Donde 𝜔𝑠 es la velocidad angular de giro del campo magnético creado por el estátor, 𝑓𝑠 es la

frecuencia de la electricidad que alimenta el estátor, que es la frecuencia de la red eléctrica; 𝑝 es el número de par de polos del generador.

Si el rotor es alimentado también por una corriente alterna crea un campo magnético cuya velocidad angular de giro se calcula como:

𝜔𝑟 =

2 · 𝜋 · 𝑓𝑟

𝑝

( 37)

Donde el número de pares de polos 𝑝 son los mismos que los del estátor; y donde 𝑓𝑟 es la

frecuencia de la corriente alterna que alimenta el rotor, que no es la misma que la de la red. Esa frecuencia será la que haya sido determinada por el convertidor CC/CA reversible que está del lado del rotor.

De tal forma, la combinación de ambas velocidades angulares será la velocidad angular mecánica del eje:

𝜔𝑚 = 𝜔𝑠− 𝜔𝑟 ( 38)

Como se puede apreciar en la ecuación (38), el hecho de poder controlar la velocidad angular de rotación del campo magnético del rotor hace posible que el DFIG pueda operar en condiciones de subsincronismo y aun así poder aportar potencia a la red.

A partir de estos valores es posible determinar el deslizamiento: 𝑠 =𝜔𝑠− 𝜔𝑚

𝜔𝑠

=𝜔𝑟 𝜔𝑠

( 39)

Como se deduce de la ecuación (39) el deslizamiento es totalmente controlable. Y según el deslizamiento el par resistente del generador cambia de valor, como se muestra en la siguiente imagen. Por lo que, en última instancia el par resistente del generador es controlable.

Figura 52. Curva de régimen par-velocidad de un generador asíncrono [11]

De la anterior ecuación se puede deducir que:

𝑓𝑟 = 𝑠 · 𝑓𝑠 ( 40)

Cuando la velocidad angular del rotor es mayor que la velocidad síncrona, el deslizamiento es negativo. En este caso el rotor entrega energía eléctrica, es lo que se conoce como modo de generación supersíncrono.

En el caso contrario, cuando la velocidad del rotor es menor que la velocidad de sincronismo, la velocidad angular de deslizamiento es positiva por lo que el rotor recibe energía eléctrica de la red. Este hecho es conocido como modo de generación subsíncrono.

El convertidor también permite controlar la potencia activa y reactiva que se suministra a la red a través del rotor o viceversa.

En cuanto a la potencia activa que es entregada a la red, si el deslizamiento es positivo (𝑠 > 0; régimen subsíncrono), el signo de la potencia activa del rotor es negativa, es decir, el rotor consume potencia de la red. Pero a su vez el estátor aporta potencia a la red. Y en un balance neto de potencias el aerogenerador en su conjunto aporta potencia a la red.

Mientras que si el deslizamiento es negativo (𝑠 < 0; régimen supersíncrono), el signo de la potencia activa del rotor es positiva, es decir, tanto el rotor como el estátor aportan potencia a la red. Y, obviamente, el balance neto de potencias es positivo y el aerogenerador aporta potencia a la red.

Por tanto, si la potencia activa recogida del viento es:

𝑃𝑚 = 𝑀𝑚· 𝜔𝑚 ( 41)

Siendo 𝜔𝑚 la velocidad de rotación del rotor; y siendo 𝑀𝑚 el par resultante después de la caja

multiplicadora (𝑀𝑚= 𝜂𝑔𝑒𝑎𝑟𝑏𝑜𝑥· 𝑀𝑤).

𝑀𝑚= 𝑀𝑔𝑒𝑛 ( 42)

𝑃𝑚 = 𝑃𝑠+ 𝑃𝑟 ( 43)

El par mecánico es igual al electromagnético en un régimen estático. La potencia activa mecánica es igual a la potencia activa del estátor y del rotor. Como sabemos que la potencia del estátor es:

𝑃𝑠 = 𝑀𝑔𝑒𝑛· 𝜔𝑠 ( 44)

Podemos despejar la expresión de la potencia activa del rotor:

𝑃𝑟 = 𝑀𝑚· 𝜔𝑚− 𝑀𝑔𝑒𝑛· 𝜔𝑠 ( 45)

Como en régimen estático el par mecánico y el par electromagnético coinciden según la ecuación (42) se obtiene que:

𝑃𝑟 = −𝑠 · 𝑃𝑠 ( 46)

Como conclusión, el generador DFIG permite un control del aerogenerador en un amplio rango de velocidades del rotor debido a sus características. Por lo que es una de las opciones más atractivas actualmente para elegir como generador de una turbina eólica.