Los generadores eléctricos en generación distribuida en detalle (I)

Por su importancia en el diseño de sistemas de generación distribuida hacemos en este artículo un breve resumen sobre los generadores eléctricos. Como siempre nos fijamos en la generación distribuida y la eficiencia energética.

CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICA

La conversión de energía mecánica de una turbina eólica en energía eléctrica puede llevarse a cabo por alguno de los siguientes tipos de máquinas eléctricas:

• Máquinas de corriente directa DC.

• Máquinas síncronas.

• Máquinas de inducción.
.

Estas máquinas trabajan con los principios de las acciones y reacciones electromagnéticas. La conversión de energía electromecánica resultante es reversible. La misma máquina puede usarse como motor para convertir la energía eléctrica en energía mecánica, o como generador para convertir energía mecánica en energía eléctrica.

En las máquinas típicas hay un elemento estacionario y un elemento rotatorio exterior. El rotor se monta en rodamientos fijados al estator. Tanto el estator como el rotor contienen núcleos de hierro cilíndricos, separados por un hueco de aire. Los núcleos están hechos de hierro magnético de alta permeabilidad, y tienen los conductores embebidos en ranuras distribuidas en la superficie del núcleo. Alternativamente, los conductores están arrollados en serpentín desde los polos.

Los diferentes tipos de máquinas difieren fundamentalmente en la distribución de los conductores formando los devanados, y si los elementos tienen núcleos ranurados continuos o polos salientes. La operación eléctrica de cualquier máquina dada depende de la naturaleza del voltaje aplicado a sus devanados. El hueco de aire anular estrecho entre estator y rotor es la región crítica de operación de la máquina, y la teoría del rendimiento está principalmente relacionada con las condiciones en o cerca del hueco de aire.

a) Máquinas de corriente continua

Todas las máquinas usan internamente corriente alterna (CA) debido a la rotación del conductor en el flujo magnético de polaridad norte y sur alterna. La máquina DC debe convertir AC en DC, y lo hace usando un conmutador mecánico. El conmutador realiza esta función deslizando escobillas de carbón en una serie de segmentos de cobre. El terminal de salida positivo es, así, continuamente conmutado al conductor generando el voltaje de polaridad positiva, ya que es el terminal de polaridad negativa. Los contactos deslizantes inherentemente resultan en baja fiabilidad y alto coste de mantenimiento. A pesar de esta desventaja se han usado extensamente por su control de velocidad extremadamente fácil. Estos motores se han usado en un número limitado de instalaciones eólicas de pequeña capacidad, particularmente donde la electricidad puede usarse en forma DC.

Actualmente las máquinas DC suelen diseñarse con magnetismo permanente para eliminar el requerimiento de corriente de campo, de ahí, el conmutador. El rotor lleva los polos de magnetismo permanente y el estator lleva la armadura que produce la corriente AC. La AC es luego rectificada usando los rectificadores de estado sólido. Tales máquinas no necesitan el conmutador y las escobillas, por ello, la fiabilidad queda en gran medida mejorada. Las máquinas DC de magnetismo permanente se usan con pequeñas turbinas eólicas debido a la limitación de la resistencia y capacidad del magnetismo permanente. Las máquinas DC sin escobillas se usan con pequeñas turbinas eólicas, sin embargo, debido a la limitación de la capacidad y resistencia del magnetismo permanente, las máquinas DC sin escobillas están limitadas a capacidades de menos de 100 kW.

b) Máquinas síncronas

La mayoría de la energía eléctrica consumida en el mundo es generada por generadores síncronos, máquinas que trabajan a velocidad constante a una frecuencia fija. Por lo tanto, no son convenientes para operaciones de velocidad variable en plantas eólicas. Además, las máquinas síncronas requieren corriente DC para excitar el campo del rotor, que necesita escobillas de carbón en anillas deslizantes en el eje del rotor. Esto impone una limitación en su uso. La necesidad de la corriente de campo DC y las escobillas pueden eliminarse usando el rotor de reluctancia, donde la operación síncrona se alcanza por el par reluctante. La fiabilidad mejora a la vez que se reduce el coste. La capacidad de la máquina, sin embargo, queda limitada a decenas de kW.

Las máquinas síncronas son ideales para sistemas de velocidad constante, tales como las plantas de energía solar térmica.

Respecto a las máquinas de inducción, cuando las máquinas síncronas se usan para sistemas conectados a la red, tenemos como ventaja que no se requiere la energía reactiva de la red. Por ello se consigue una mejor calidad de la energía en la interface a la red. Esta ventaja es más pronunciada cuando la granja eólica se conecta a una red de pequeña capacidad usando líneas de bajo voltaje.

c) Máquinas de inducción

La mayoría de la energía eléctrica en la industria se consume en máquinas de inducción que accionan cargas mecánicas. La principal ventaja de estas máquinas es que estas máquinas son robustas, sin escobillas y no necesitan energía de campo separada. Las desventajas de las máquinas DC y síncronas se eliminan en las máquinas de inducción, resultando un bajo coste de capital, bajo mantenimiento y mejor rendimiento transitorio. Por este motivo, los generadores de inducción se usan extensamente en pequeñas y grandes granjas eólicas y en las pequeñas plantas hidroeléctricas. Las máquinas pueden tener capacidades de varios megavatios, e incluso más grandes.

Las máquinas de inducción necesitan una corriente de excitación. La máquina puede ser auto-excitada o externamente excitada. Ya que la corriente de excitación es principalmente reactiva, el sistema estacionario es auto-excitado por condensadores shunt. El generador de inducción conectado a la red obtiene la energía de excitación de la red. Los generadores síncronos conectados a la red son capaces de suministrar esta energía reactiva.

Por economía y fiabilidad, muchos sistemas de energía eólica usan máquinas de inducción como generador eléctrico.

Ver 2ª PARTE