SEGÚN EL TIPO DE GENERADOR

Dependiendo del tipo de generador que se utilice para la generación eléctrica en u aerogenerador la estrategia de control y los límites de funcionamiento serán diferentes. Por esta razón la elección de un generador adecuado en función de cómo se quiere aprovechar un aerogenerador determinado es muy importante.

Los generadores se pueden dividir en generadores síncronos y en generadores asíncronos. Los generadores síncronos generan una corriente alterna con una frecuencia que es función de su régimen de giro. Mientras que los generadores asíncronos conectan su estátor directamente a la red, por lo que se impone la frecuencia de la corriente alterna que generan al aplicarse un par sobre su rotor.

Debido a esta diferencia se puede decir que los generadores asíncronos se conectan directamente a la red eléctrica mientras que los generadores síncronos se conectan indirectamente a la red. Es decir, como la electricidad generada por un generador síncrono no tiene por qué tener las mismas características que la electricidad de la red (frecuencia), es necesario hacer pasar esa electricidad a través de una serie de componentes electrónicos que adecúan esa electricidad a la red. Se evita de ese modo problemas de acoplamiento a la red o de picos de tensión.

Antes de comenzar la clasificación de los generadores es necesario saber que existen dos tipos de turbinas eólicas: las de velocidad constante y las de velocidad variable. Las diferencias entre ellas afectan a su estrategia de control, así como a la elección de generador que deben utilizar.

Las turbinas de velocidad constante sólo pueden trabajar en un rango de velocidad muy limitado. En ese rango de funcionamiento la velocidad del rotor se mantiene constante debido a las necesidades de generación eléctrica correspondiente al circuito de aerogenerador, para poder suministrar esa electricidad a la red.

Por otro lado, las turbinas de velocidad variable pueden trabajar en un rango de velocidades aún mayor ya que el aerogenerador produce potencia a diferentes velocidades del rotor (dentro de unos límites). La estrategia de control de estas turbinas, el esquema eléctrico y el generador que necesitan serán diferentes a los que son necesarios en una turbina de velocidad constante.

Comenzando con los aerogeneradores asíncronos: a) Generador asíncrono de jaula de ardilla

Es llamado así porque el rotor consta de dos partes. Primero consiste en un núcleo de hierro formado por placas separas por un espacio muy pequeño. Este núcleo cuenta con una serie de ranuras que han sido practicadas para introducir unas serie de barras de cobre o aluminio que están unidas en sus extremos a unos anillos, cerrando así un circuito eléctrico que posibilita que circule la corriente eléctrica por ella.

Recibiendo el nombre de “jaula de ardilla” debido a esta estructura de barras unidas por anillos en los extremos.

Figura 23. Jaula de ardilla de un rotor de una máquina de inducción asíncrona [8]

La razón de por qué las barras de la jaula de ardilla del motor están levemente inclinadas y no siguen la dirección del eje de revolución del anillo es la siguiente:

• Evita el ruido (zumbido electromagnético). • Evita las vibraciones del motor.

El generador asíncrono de jaula de ardilla puede utilizarse para los dos tipos de turbina: las turbinas de velocidad constante, y las turbinas de velocidad variable.

i. Turbina de velocidad constante con generador de jaula de ardilla:

El generador de jaula de ardilla usado para la generación de electricidad en aerogeneradores de velocidad constante es el modelo más antiguo que se empezó a usar en energía eólica.

Este tipo de generador presenta la ventaja de tener la mayor fiabilidad, robustez y menor precio de entre el resto de generadores. Debido a la sencillez del rotor y a la ausencia de contactos rozantes (propio de los rotores bobinados). Esta máquina eléctrica sólo permite alrededor de 6% [9] de deslizamiento cuando se conecta directamente a la red. Esto es debido a que si se supera este rango de deslizamiento las características de la corriente generada en el estátor pueden variar con respecto a la de la red (frecuencia).

Pero esto supondría que sólo puede actuar en un rango muy pequeño de velocidades del viento, ya que la velocidad del viento no puede variar mucho para mantener la velocidad del rotor prácticamente constante.

Para solucionar esto se suele aprovechar el efecto “stall” o entrada en pérdidas. Este efecto ocurre en las palas del rotor de la turbina. Consiste fundamentalmente en una disminución de la fuerza de sustentación aerodinámica que ejerce el viento en las palas. Esta pérdida de fuerza de sustentación provoca que el rotor baje su velocidad de giro.

Las palas de la mayoría de aerogeneradores de velocidad constante están diseñadas con objeto de entrar en pérdidas a una cierta velocidad del viento. Esta pérdida va aumentando a medida que aumenta la velocidad del viento. De ese modo el rotor es capaz de mantenerse prácticamente a velocidad constante en un rango mayor de velocidades.

El esquema eléctrico de un generador de jaula ardilla para un aerogenerador de velocidad constante es el siguiente.

Figura 24. Esquema eléctrico de un generador de jaula de ardilla en un aerogenerador de velocidad constante [9]

El rotor capta la energía eólica del viento dentro del rango de funcionamiento determinado por la velocidad del viento. La caja multiplicadora permite que la velocidad de giro del rotor del generador sea el adecuado, cercano al de sincronismo.

El contactor o “triacs” sirve para la conexión eléctrica de la máquina eléctrica a la red. Evitando de ese modo su acoplamiento fuera del rango de funcionamiento con objeto de no producir picos de tensión u otros problemas que puedan afectar a la red.

El banco de capacitadores es necesario ya que la potencia reactiva producida por el aerogenerador no es controlable. En necesario disponer de este banco de capacitadores para corregir esta potencia reactiva y adecuarla a la red de suministro eléctrico.

El transformador es necesario para la conversión de la tensión de la electricidad generada en el aerogenerador para poder ser distribuida a largas distancias hacia los núcleos o puntos de consumo.

El rotor dispone de unas palas que aprovechan el efecto “stall” para ampliar el rango de velocidades del viento en el que la turbina puede trabajar y generar potencia. A partir de un valor nominal del viento este efecto comienza a producirse, de este modo el rango de funcionamiento comienza en la velocidad nominal que se ha establecido durante el diseño de las palas.

El inconveniente de estos aerogeneradores es que es necesario que se paren o se desacoplen durante los huecos de tensión. Los huecos de tensión son reducciones bruscas de la tensión de la red eléctrica desde un 1 hasta un 90% de la tensión declarada. Pueden tener duraciones de entre 10 milisegundos hasta 1 minuto. Los huecos se pueden producir en una fase, en dos o en las tres fases a la vez.

ii. Turbina de velocidad variable con generador de jaula de ardilla:

Un aerogenerador capaz de generar electricidad independientemente de la velocidad angular del rotor supone que el rango operativo de la turbina es mucho más amplio que el del anterior ejemplo.

Es posible que el aerogenerador aporte energía a la red eléctrica por debajo de la velocidad de sincronismo. Esto se consigue gracias a un convertidor de tipo back to back, el cual permite controlar la potencia activa y reactiva que se suministra a la red. Y permite realizar esto a diferentes velocidades del rotor. Aunque obviamente la cantidad de energía extraída del viento bajará con la velocidad del propio viento.

Aun así, debido a que toda la energía que transmite la turbina a la red pasa por este convertidor, los componentes del mismo deben ser capaces de soportar toda la potencia del aerogenerador. Este es un factor limitante ya que impide diseñar turbinas de gran potencia siguiendo este esquema.

Figura 25. Esquema eléctrico de un generador de jaula de ardilla en un aerogenerador de velocidad variable [9]

El rotor capta la energía eólica del viento dentro del rango de funcionamiento determinado por la velocidad del viento, el cual es más amplio que en el caso anterior. La caja multiplicadora permite que la velocidad de giro del rotor del generador sea la más cercana posible a la de sincronismo para evitar un exceso de trabajo del convertidor back to back.

En este caso no es necesario un contactor o “triacs” ya que el convertidor permite que la turbina esté acoplada a la red durante un rango de velocidades del rotor amplio.

El banco de capacitadores también es necesario ya que permite al convertidor controlar la potencia reactiva de salida.

El transformador es necesario para la conversión de la tensión de la electricidad generada en el aerogenerador para poder ser distribuida a largas distancias hacia los núcleos o puntos de consumo.

Este caso difiere del anterior en la estrategia de control del anterior caso. Por debajo de un cierto valor de velocidad del viento el convertidor se encarga de controlar el par electromagnético del generador con objeto de mantener la velocidad del rotor en la relación óptima de velocidad de punta de pala que asegura la máxima extracción de potencia del viento. Por encima de ese cierto valor nominal de la velocidad del viento se lleva a cabo el control del “pitch angle” o ángulo de ataque de las palas.

Este control consiste principalmente en que se disminuye el ángulo de ataque de las palas a medida que aumenta la velocidad del viento por encima de ese valor nominal. De esta forma se delimita la potencia máxima que puede ofrecer una turbina. Normalmente esta limitación viene del riesgo que supone manejar más potencia por parte del convertidor o bien para evitar alcanzar velocidades de rotación altas en el rotor, las cuales pueden llevar a problemas de ruido o incluso de desgaste o rotura.

b) Generador asíncrono con control de deslizamiento

Este tipo de sistemas constituyen la tecnología más simple de generación eléctrica de turbinas de velocidad variable. Al contrario de lo que pasaba con el anterior ejemplo el rotor del generador se encuentra bobinado. Y en ellos se realiza un control de deslizamiento mediante la regulación de una resistencia que se encuentra conectada al circuito rotórico.

Todo ello permite controlar el par electromagnético del generador de la turbina en un margen de velocidad comprendido entre la velocidad de sincronismo y alrededor de un 10% por encima de la misma (velocidad supersíncrona) sin necesidad de que se modifiquen ningún parámetro característico de la electricidad generada (como por ejemplo la frecuencia)

Se puede aumentar el límite superior de velocidad de sincronismo siempre y cuando sea posible aumentar la resistencia a controlar en igual medida. Si bien hay que tener en cuenta que al aumentar la resistencia las pérdidas por calor en la misma son mayores, lo cual es necesario tener en cuenta para la conveniencia o no de instalar un sistema de refrigeración al generador.

El rotor bobinado difiere del rotor de jaula de ardilla en que, en vez de estar constituido por barras de aluminio o cobre unidas en sus extremos por dos anillos, está constituido de una serie de conductores que están bobinados en una serie de ranuras situadas en la superficie del propio rotor. El número de polos del rotor debe coincidir con el número de polos del estátor.

Figura 26. Rotor bobinado de un pequeño generador asíncrono

Circuitando cada uno de los grupos de conductores bobinados se encuentran los anillos rozantes, los cuales se pueden observar que en la figura 25 aparecen a la izquierda del grupo de conductores bobinados. Cada anillo rozante corresponde a un grupo de conductores bobinados. En esta figura se observan tres anillos por tanto hay 3 grupos de conductores (3 polos).

Mediante estos anillos rozantes es posible acceder a los circuitos del rotor. Lo cual permite inyectar y extraer energía del rotor o modificar sus parámetros, como la resistencia del mismo.

Pero surge un problema con los anillos rozantes. La forma en la que se accede al circuito rotórico cuando el generador está en funcionamiento es mediante el contacto de los anillos rozantes con las escobillas. Al estar el rotor girando a velocidades muy altas se va produciendo un desgaste de las escobillas. Por lo tanto este tipo de rotores requieren un mantenimiento extra comparado con los rotores de jaula de ardilla.

Figura 27. Anillos rozantes y sistema de portaescobillas con escobillas instaladas

El control del par electromagnético del generador se puede realizar de dos formas distintas:

i. Mediante resistencias rotóricas

Este sistema permite controlar el par electromagnético conectando una serie de resistencias variables que permitirán modificar la resistencia total que presenta el circuito en el rotor.

El conjunto de resistencias variables de denomina reóstatos y se encuentra conectado en estrella. Al modificar la resistencia rotórica es posible controlar la corriente que circula por el propio rotor y por tanto controlar el par electromagnético (dentro de un rango de velocidades de giro del rotor limitado).

Figura 28. Esquema del rotor controlado por reóstatos [10]

A continuación se muestra el esquema del conjunto con regulación mediante resistencias rotóricas. Un dato a tener en cuenta para el diseño es que un valor de resistencia más grande permite obtener un mayor rango de velocidades de generación de electricidad.

Figura 29. Esquema eléctrico de aerogenerador controlado por resistencias rotóricas [11]

Como se puede apreciar este esquema puede ser conectado a la red (o a un transformador) ya que las propiedades eléctricas de la electricidad generada con el aerogenerador son las correspondientes a la de la red (frecuencia, etc.). ii. Con recuperación de la energía

El sistema descrito en el apartado anterior se desperdicia la energía que se genera en el rotor del generador. Existe una variante que permite aprovechar la energía generada en el rotor para sacar mayor energía de la fuerza eólica del viento.

Por tanto, en vez de disiparse la energía en los reóstatos del rotor, a través de una serie de componentes electrónicos es posible adecuar dicha energía extra generada en el rotor para suministrarla a la red. Este método también es conocido como método de Scherbius estático.

La conexión que ha de realizarse en este tipo de generadores es la siguiente:

Figura 30. Esquema eléctrico de un aerogenerador utilizando el método de Scherbius estático [11]

La potencia que es capaz de soportar la electrónica del circuito rotórico delimita la potencia de diseño del aerogenerador. Y debido a ello, esta limitación de potencia, delimita a su vez el rango de velocidad de giro del rotor

c) Generador asíncrono doblemente alimentado (DFIG, Doubly-fed Induction Generator)

Este generador también tiene un rotor bobinado, el cual está alimentado por un convertir back to back. El convertir back to back está compuesto por dos convertidores electrónicos CA/CC reversibles.

El convertidor situado más cerca del rotor (en el esquema eléctrico, CR) se encarga de extraer o dar electricidad al rotor del generador. La electricidad pasa de corriente alterna en el rotor a corriente continua en el circuito de control, o viceversa. Esta corriente continua del ciclo de control pasa por el segundo convertidor CA/CC. En este convertidor se transforma la corriente continua en corriente alterna con las características de tensión y frecuencia adecuadas para suministrar al transformador o a la red.

Es decir, el convertidor CR situado al lado del rotor permite regular la amplitud, frecuencia y fase de la tensión aplicada al rotor, lo cual permite la regulación del par electromagnético en un amplio rango de velocidades. Incluso a velocidades muy por debajo de la de sincronismo (velocidades subsíncronas).

Por otro lado, en el convertidor CG, el cual está situado al lado de la red, hace posible regular la potencia activa y la potencia reactiva que se suministra a la red desde el rotor.

Figura 31. Turbina con un generador DFIG [11]

El estátor se conecta a la red directamente a través de unos “triacs” ya que no necesita ningún tipo de adecuación eléctrica a la red pues ya posee las características eléctricas de la misma.

Presenta muchas diferencias frente al aerogenerador de velocidad variable con generador de jaula de ardilla, a pesar de que ambos poseen el mismo convertidor. Las diferencias radican en:

• En el caso del generador de jaula de ardilla no se aprovechan las corrientes del rotor.

• En este caso el convertidor se encuentra en el circuito rotórico, a diferencia de la turbina con generador de jaula de ardilla donde el convertidor back to back se encuentra en el circuito del estátor.

• En este caso el convertidor sólo maneja alrededor de un 30% de la potencia que suministra el aerogenerador. Mientras que en el otro caso la electrónica del convertidor debe hacer frente al 100% de la potencia generada por el aerogenerador.

Actualmente el uso de aerogeneradores con generadores de inducción de doble alimentación está muy extendido, siendo el generador por excelencia en los nuevos parques eólicos.

El hecho de que el aerogenerador pueda aportar potencia a la red en un amplio rango de velocidades del rotor hace este tipo de sistema el más rentable y eficaz de todos los vistos hasta ahora. Tanto a velocidades muy por debajo de la síncrona (régimen subsíncrono) así como a velocidades muy por encima de la misma (régimen supersíncrono), el control del rotor permite que el aerogenerador aporte potencia a la red. Más adelante se entrará más en detalle del modo de funcionamiento del generador en ambos regímenes de funcionamiento.

Por ese motivo este tipo de sistema de generación eléctrica eólica a través de un generador de inducción de doble alimentación será el que se utilizará y simulará en este trabajo.

A continuación se hablará de los generadores síncronos que también pueden ser utilizados en turbinas eólicas para la generación de energía eléctrica para la red. La principal diferencia con los que generadores asíncronos es que la frecuencia de la energía producida en un generador síncrono depende de la velocidad de rotación del rotor, así como del número de polos de la máquina eléctrica.

Mientras que un generador asíncrono es posible un cierto deslizamiento entre la velocidad del rotor y la de sincronismo sin que varíen las propiedades eléctricas de la electricidad generada (como tensión y frecuencia); en un generador síncrono esto no ocurre, por lo que es necesario un sistema eléctrico concreto para la conversión de las propiedades eléctricas de la energía producida para poder suministrarla a la red.

La frecuencia que posee la corriente alterna que produce un generador trifásico es la siguiente:

𝑓 =𝑝 · 𝑛 60

( 1)

Donde 𝑓 representa la frecuencia de la corriente alterna generada; 𝑛 es la velocidad de giro del rotor en revoluciones por minuto (rpm); y 𝑝 es el número de pares de polos.

Por tanto dependiendo de las condiciones de giro del rotor y del número de pares de polos obtendremos una corriente alterna de una determinada frecuencia.

El rotor de los generadores asíncronos debe ser alimentado por corriente continua, de esta forma, cuando el rotor gira es capaz de crear un campo magnético que induce una corriente