Los generadores eléctricos en generación distribuida en detalle (II)

Ver 1º PARTE

GENERADOR DE INDUCCIÓN

En la estructura electromagnética del generador de inducción, el estator está hecho de numerosos arrollamientos con tres grupos (fases), y abastecido con corriente trifásica. Los tres arrollamientos se extienden físicamente alrededor de la periferia del estator y transportan corrientes que están fuera de fase-tiempo. Esta combinación produce un campo magnético rotatorio, que es una característica clave del trabajo de la máquina de inducción.
.

Si el rotor tiene rodamientos sin fricción sin cargas mecánicas fijadas, es completamente libre para rotar con resistencia cero. Bajo esa condición, el rotor alcanzará la misma velocidad que el campo del estator, la denominada velocidad síncrona. A esta velocidad, la corriente inducida en la velocidad del rotor es cero, y no se produce par. El rotor encuentra el equilibrio a esta velocidad.

Si el rotor se fija a una carga mecánica como un ventilador, irá más lento. El flujo del estator, que siempre rota a velocidad síncrona constante, tendrá una velocidad relativa con respecto al rotor. Como resultado, se produce en el motor el voltaje electromagnético inducido, la corriente y el par. El par producido debe ser igual al necesario para mover la carga a esa velocidad.

Si fijamos el rotor a una turbina eólica y la hacemos mover más rápido que la velocidad síncrona, la corriente y el par inducido en el rotor invierte la dirección. La máquina ahora trabaja como un generador, convirtiendo la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica transmitida a la carga conectada a los terminales del estator. Si la máquina se conecta a la red, alimentaría con energía a la red.

Así, la máquina de inducción puede trabajar como generador eléctrico solamente a velocidades más altas que la velocidad síncrona. La operación del generador, por ese motivo, a menudo se denomina operación de velocidad super-síncrona de la máquina de inducción.

Como describimos anteriormente, la máquina de inducción no necesita conexión eléctrica entre el estator y el rotor. Su operación se basa enteramente en la inducción electromagnética, de ahí el nombre. La ausencia de contactos eléctricos de fricción y la simplicidad de su construcción hacen al generador de inducción muy robusto, fiable, y una máquina de bajo coste. Por este motivo, se usa ampliamente en numerosas aplicaciones en la industria.

Deslizamiento y velocidad del rotor

El deslizamiento o slip es la diferencia entre velocidad síncrona y asíncrona. El deslizamiento generalmente se considera positivo en la operación del motor, y negativo en modo de generador. En ambos casos, un alto deslizamiento induce corrientes más altas en el rotor y conversión de energía electromecánica más alta. En ambos modos, el valor del deslizamiento es generalmente un porcentaje pequeño. Los deslizamientos altos originan pérdidas eléctricas más grandes, las cuales deben disiparse de forma efectiva del rotor para mantener la temperatura de operación por debajo de un límite permitido.

El generador de inducción alimentando la red de 60 o 50 Hz debe funcionar a velocidades superiores a 3600 rpm en un diseño de dos polos, 1800 rpm en un diseño de cuatro polos, y 1200 rpm en un diseño de seis polos. La velocidad de la turbina eólica, por otra parte, varía de unos pocos cientos de rpm en las máquinas del rango de kW a unas pocas decenas de rpm en máquinas del rango de MW. La turbina eólica debe por tanto interaccionar con el generador vía un engranaje mecánico. Ya que esto degrada la eficiencia y fiabilidad, muchas pequeñas plantas estacionarias operan con generadores diseñados para el cliente a velocidad más baja sin engranajes mecánicos. Ya que esto degrada la eficiencia y fiabilidad, muchas plantas estacionarias pequeñas operan con generadores diseñados para el cliente que operan a velocidades más bajas sin el engranaje mecánico.

Capacitancia de auto – excitación

Como el generador, la máquina de inducción tiene como desventaja que requiere energía reactiva para su excitación. La energía de excitación puede ser proporcionada por con condensador externo conectado a los terminales del generador. No se requiere suministro AC en este caso. En el generador conectado a la red, la potencia reactiva se suministra a través de generadores síncronos que trabajan en el otro extremo de la red. Donde está limitada la capacidad de la red para suministrar energía reactiva, pueden usarse condensadores locales para suministrar parcialmente la energía reactiva necesaria.

El generador de inducción se auto-excitará usando el condensador externo sólo si el rotor tiene un campo magnético remanente adecuado. En el modo auto-excitado, la frecuencia y voltaje de salida del generador están afectados por la velocidad, la carga, y el valor de la capacitancia en faradios.

Sin carga, la corriente del condensador debe ser igual a la corriente magnetizante. El voltaje es una función de la corriente magnetizante, que se eleva linealmente hasta que se alacanza el punto de saturación del núcleo magnético.

Características par-velocidad

Si variamos el deslizamiento en un amplio rango en el circuito equivalente, conseguiremos la curva característica par – velocidad. En la región de slip negativo, la máquina trabaja cuando proporciona energía a la carga eléctrica conectada a sus terminales. En la región de deslizamiento positivo, trabaja cuando el motor hace girar a la carga mecánica conectada a su eje. Adicionalmente a las regiones de motor y generación, la máquina de inducción tiene un tercer modo de operación, que es el modo de frenado. Si la máquina opera con deslizamientos > 1 girando hacia atrás, absorbe energía sin proporcionar nada. Es decir, trabaja como un freno. La energía en este caso se convierte en pérdidas en los conductores del rotor, que deben disiparse como calor.

Transitorios

El generador de inducción puede experimentar los siguientes tres tipos de corrientes transitorias: 

• 
  
  Transitorios en el arranque: En el sistema conectado a la red, el generador de inducción es arrancado cuando el motor arranca la turbina desde reposo a velocidad super-síncrona. Luego conmuta al modo de generación, alimentando energía a la red. Si se aplica el voltaje nominal, el motor pide altas corrientes a velocidad cero cuando el deslizamiento es uno y la resistencia del rotor es la mínima. La corriente de afluencia puede ser cinco a siete veces la corriente nominal, causando problemas de sobrecalentamiento, especialmente en grandes máquinas. Además, el par disponible para acelerar el rotor puede ser bajo, por lo que se requiere tiempo para arrancar. También surgen problemas de calentamiento. Por este motivo, las grandes máquinas de inducción a menudo arrancan utilizando un circuito de arranque suave, tal como un autotransformador de reducción de voltaje o un arrancador estrella-triángulo. Este método moderno de arrancar se aplica a voltajes reducidos de frecuencia variable manteniendo un ratio volt/herz constante. Este método arranca la máquina con la menor tensión mecánica y térmica.
• 
  
  Transitorios en rearme automático: Se produce una corriente transitoria severa en el sistema si el generador de inducción opera en estado estacionario y repentinamente se desconecta debido a un fallo en el sistema u otro motivo, y luego se produce un rearme automático. La magnitud de esta corriente depende del instante de la onda de voltaje cuando el generador se conecte a la red. Si el rearme automático se hace cuando los voltajes del estator y rotor están en oposición de fase, se generan grandes corrientes para mantener la conexión del flujo, y luego decae a pequeños valores en diez milisegundos. Mientras tanto, el par electromecánico puede ser lo bastante grande como para dar a la máquina y al suministro una severa sacudida. La amplitud actual y signo del primer pico del par transitorio es cercanamente dependiente de la velocidad del rotor y la duración de la interrupción. En el peor de los casos el pico puede alcanzar 15 veces el par nominal a plena carga. Fallos frecuentes de esta naturaleza pueden causar rotura del eje debido a tensiones por fatiga, particularmente en el acoplamiento de turbinas eólicas.
• 
  
  Transitorios en cortocircuito: Cuando ocurre un cortocircuito en o cerca de los terminales del generador, la máquina contribuye significativamente a la corriente de fallo del sistema, particularmente si está funcionando con cargas ligeras. La corriente de cortocircuito es siempre más severa para un fallo monofásico que para un fallo trifásico. La cantidad más importante a tener en cuenta es la corriente pico, que determina la capacidad del interruptor automático del circuito de protección necesario para proteger el generador contra tales fallos. La corriente de cortocircuito tiene un componente DC que se descompone, y un componente AC. El último es más grande que la corriente de afluencia on-line directa, y puede alcanzar 10-15 veces la corriente de carga nominal. Estas corrientes transitorias pueden calcularse mediante circuitos equivalente.

Ver 3ª PARTE