Inserción de una resistencia

Otra manera de incrementar la impedancia de la máquina es añadir una resistencia entre el rotor y el convertidor. Su principal ventaja respecto a la bobina es su menor coste. Sin embargo, la presencia de una resistencia resulta molesta al funcionamiento normal de la máquina ya que disipa energía generando calor y empeorando el rendimiento del aerogenerador. Para evitarlo se puede colocar en paralelo un interruptor que permita cortocircuitar la resistencia en condiciones normales y dejarla conectada en caso de hueco de tensión, tal y como aparece en el esquema siguiente.

vconv r r ir r r vr MADA r ro vr r R′ L′r convertidor rotórico R’serie

Fig. 7.5, Esquema equivalente del rotor con resistencias en serie

La manera más sencilla de cortocircuitar la resistencia es utilizando un relé. Desafortunadamente, los relés suelen tardar en abrirse alrededor de 50 ms, tiempo demasiado largo para proteger a la máquina. El interruptor debe poder abrirse en menos de unos pocos milisegundos, antes de que la corriente crezca lo suficiente como para dañar el convertidor. La solución pasa por tanto en emplear semiconductores cuya apertura pueda ser controlada, tales como GTO, IGBT o interruptores semejantes.

Al ser la corriente del rotor alterna, el esquema debe contar con dos semiconductores en antiparalelo por cada fase, sumando un total de seis elementos. El número de interruptores comienza a ser demasiado elevado, haciendo que el sistema de protección resulte excesivamente aparatoso. Una posible solución para simplificarlo consiste en colocar resistencias únicamente en dos fases a costa de degradar ligeramente la función de protección.

En las máquinas cuyo rotor está conectado en estrella puede pensarse en una alternativa más interesante, ya que con un único interruptor consigue las mismas prestaciones que con los tres anteriores. La solución consiste en sustituir la conexión del neutro por un puente de diodos, tal y como aparece en la siguiente figura.

rotor de la MADA conv. rotor neutro rotor

Conexión habitual Esquema propuesto

puente de diodos rotor de la MADA conv. rotor

Fig. 7.6, Esquema alternativo para la adición de resistencias en serie

La salida en continua del puente de diodos se conecta con una resistencia que, al igual que en el esquema anterior, dispone de un interruptor en antiparalelo para cortocircuitarla. En funcionamiento normal el interruptor estaría cerrado, con lo que no habría tensión en el puente de diodos. La situación sería entonces la misma que si el rotor estuviese conectado en estrella. En caso de detectarse un hueco el interruptor se abriría obligando a la corriente rectificada a pasar por la resistencia. El efecto que esto produce es muy similar a la inserción de resistencias en las tres fases.

puente de diodos conv. rotor

º

Fig. 7.7, Equivalencia entre las dos formas de conectar resistencias

En ciertas ocasiones no se tiene acceso al neutro del rotor. En caso de que esto ocurriera no sería posible aplicar la solución propuesta. Afortunadamente, prácticamente en todas las máquinas sí se tiene acceso al neutro del estator, por lo que el puente de diodos puede conectarse en el estator en vez de en el rotor. En la siguiente figura se muestra como quedan los esquemas totales con las dos variantes propuestas.

conv. rotor conv. rotor red eléctrica MADA MADA red eléctrica conexión en el estator conexión en el rotor

Las dos alternativas son igualmente efectivas a la hora de frenar las corrientes del rotor. En el primer caso, la resistencia del puente de diodos tiene como efecto el aumento de la resistencia del rotor Rr. En el segundo caso es la resistencia del estator Rs la que aumenta. El resultado final, en cualquiera de los dos casos, es un aumento de la resistencia vista desde el rotor, R’r, ya que esta resistencia, como se dedujo en la sección 4.2.3, esta formada por la suma de las otras dos:

(

)

r

r R L L R

R′ = + 2

Afín de comprobar la validez de la solución propuesta se ha simulado el comportamiento ante un hueco de la máquina del anexo B con y sin resistencias. Las resistencias se han insertando según el esquema de la Fig. 7.1, aunque se obtienen resultados muy similares si se conectan siguiendo cualquiera de los esquemas de la Fig 7.8.

Las resistencias, de valor igual a 0,5Ω (20Ω referidos al estator), se mantienen cortocircuitadas por medio de un interruptor que se abre durante 20 ms cuando se dan cualquiera de las siguientes circunstancias:

ƒ La corriente del bus supera los 1.400A, que referidos al estator equivalen a 220A

ƒ La tensión del bus supera un 8% su valor nominal, llegando a los 2.070V. En la siguiente gráfica se muestra la corriente que se obtiene sin y con la protección de las resistencias ante un hueco trifásico con un 80% de profundidad cuando la máquina gira un 15% por encima de su velocidad nominal. Puede observarse que en todo momento la corriente se mantiene por debajo del límite máximo que se ha establecido (220A). -0.10 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 50 100 150 200 250 300 350 400 tiempo (s) am plit ud de i r , r e f a l e s ta to r ( A ) conexión de la resistencia

insertando Rser=0,5 Ohm sin impedancia

Fig. 7.9, Amplitud de la corriente en el rotor con una resistencia en serie

Como puede apreciarse, el sistema logra frenar con bastante efectividad las corrientes en el rotor protegiendo así el convertidor.

Al limitar la corriente del rotor se logra al mismo tiempo reducir el golpe de par que se produce en el eje mecánico. Esto se demuestra en la siguiente gráfica, donde se compara el par que se obtiene:

ƒ insertando resistencias en serie ƒ sin ningún sistema de protección

ƒ utilizando el crowbar descrito en el capítulo 6

-0.05-3 0 0.05 0.1 0.15 0.2 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 tiempo (s) par elec tr om agnét ic o ( p. u .)

insertando Rser=0,5 Ohm sin impedancia crowbar Rcrow=0.15

Fig. 7.10, Comparación del golpe de par con y sin protección

En el ajuste del valor de la resistencia se deben tener en cuenta dos factores:

ƒ Una resistencia pequeña no es suficiente para frenar la corriente, que llega a superar el valor límite establecido. El convertidor queda entonces mal protegido.

ƒ Una resistencia demasiado grande hace que la tensión en sus bornes sea demasiado elevada. No debe olvidarse que esta tensión es la misma que aparece en el interruptor situado en paralelo con la resistencia. Un valor de resistencia alto exigirá por tanto el uso de interruptores de elevada tensión. En el ejemplo anterior, el valor escogido de 20Ω resulta ser suficiente como para limitar la corriente a su valor máximo de 220A. En estas circunstancias la tensión máxima que aparece en bornes de las resistencias puede calcularse como:

serie

Rserie i R

v′ ,max = max⋅ ′

La tensión está referida al estator; resulta más interesante expresarla en el rotor donde físicamente están colocadas las resistencias. Debido al convenio usado en la transformación de Park, el resultado debe multiplicarse por 23 para obtener el valor pico por fase:

3 2 _ ˆ _,max, =i_max⋅R′ ⋅Ns Nr⋅

vRserie fase serie

En el ejemplo el valor máximo de la tensión queda igual a 4.400V que referidos al rotor dan 566V pico por fase como se aprecia en la siguiente figura.

-0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 -600 -400 -200 0 200 400 600 tiempo (s) te n s iones en la s r e s is tenc ias ( V ) fase A fase B fase C

Fig. 7.11, Tensión en bornes de las resistencias serie

En el caso de que la resistencia se haya conectado a través de un puente de diodos siguiendo los esquemas de la Fig. 7.8, la tensión en bornes de la resistencia y del interruptor quedaría algo mayor:

6 _ ˆ _,max, =i_max⋅R′ ⋅Ns Nr⋅ π v_{Rserie DC serie}

7.2.3 Resumen

La inserción de una impedancia en serie entre el rotor y el convertidor demuestra ser efectiva para frenar la corriente y poder mantener el convertidor en funcionamiento. Respecto al crowbar, este sistema de protección logra reducir las corrientes del rotor, moderando el golpe de par que sufre el eje mecánico y los flujos de potencia en el estator hacia la red.

Se han analizado dos posibilidades para añadir una impedancia en serie con el rotor: ƒ Colocando una bobina. Es la opción más sencilla, ya que puede estar colocada

permanentemente, tanto durante el hueco –realizando su función de protección– como en el funcionamiento normal de la máquina –cuando no tiene efecto apreciable. El inconveniente principal es su tamaño ya que para proteger adecuadamente la máquina suele ser necesario una bobina de inductancia elevada, en torno a la inductancia de fugas de la máquina.

ƒ Añadiendo una resistencia. Resulta una opción más barata, pero más complicada ya que necesita ser cortocircuitada en el funcionamiento normal de la máquina. Para ello se hace necesario colocar un interruptor en antiparalelo que normalmente esté cerrado y que se abra en caso de hueco de tensión. En funcionamiento normal la corriente circulará por este interruptor, generando pérdidas que, aunque generalmente son pequeñas, pueden restar atractivo a la solución.

En cualquiera de los dos casos es inevitable que el convertidor pierda el control de la corriente durante un breve periodo de tiempo. Esta pérdida no es molesta salvo por el

hecho de que durante este tiempo el convertidor se comporta como una resistencia, absorbiendo mucha potencia. Ello provoca que la tensión de bus suba peligrosamente, haciendo necesario añadir un reostato de frenado en el bus tal y como se muestra en el siguiente esquema. conv. rotor _chopper conv. red red eléctrica MADA

Fig. 7.12, Estructura de conversión con impedancias en serie y reostato