Los Generadores accionados por las turbinas a viento

Generador asincrónico acoplado indirectamente
a la turbina y conectado de manera directa
 a la red eléctrica

Los generadores  de los aero-generadores son trifásicos y pueden ser sincrónicos o asincrónicos.-

Los generadores sincrónicos tienen un estator fijo trifásico y  un  rotor alimentado  por una fuente exterior de corriente continua, o bien un imán permanente, que  rota a partir del par producido por la fuerza del viento.-Como resultado se tiene un campo magnético producido por la corriente contínua del rotor, que gira con una velocidad angular igual a la velocidad de rotación del rotor.-Este campo magnético rotante induce en las bobinas fijas del estator, tensiones y corrientes trifásicas, con una frecuencia :

                    f =  n(rpm)x  p  /  60

donde n es la velocidad de rotación del rotor, conocida como velocidad de sincronismo y  p es el número de pares de polos.- La velocidad de sincronismo n es la velocidad a la que tiene que girar el rotor de ese generador para obtener el valor de f deseado(50 o 60Hz).-Si n baja o sube,  baja o sube la frecuencia f del valor deseado .- O sea que hay un sincronismo entre n y f deseado.-En otras palabras, si queremos tener una frecuencia fija y estable, deberemos tener una velocidad de rotación del rotor fija y estable.-Dependiendo del viento es muy dificil conseguir esa velocidad de giro fija y estable, por lo que con este tipo de generador se opta por rectificar la corriente generada por él, por medio de un rectificador convencional y luego se procede a generar la tensión alterna sinusoidal por medio de un inversor, de una manera similar a como lo hacen las UPS on line.-De este modo el estator del generador no se conecta directamente a la red, sino que lo hace de una manera que se llama “indirecta”, a través del rectificador y del inversor.-  En otras palabras, se genera una tensión “a gusto” de la red de utilización, con su misma frecuencia, fase y secuencia, como para poderla conectar en paralelo con la red, que incluye otros generadores, además de las cargas.- 

Si bien, al rectificar la alterna producida por el generador sincrónico, no nos interesa mayormente la frecuencia que él genere, tanto en su valor, como en su estabilidad, supongamos que conectáramos directamente el eje del generador a la turbina eólica : supongamos que la velocidad del rotor del generador fuera de  20rpm y  que tenemos 10 pares de polos  :  f = 20 x 10 / 60  = 3,33Hz.-Tendríamos que rectificar una onda de una frecuencia muy baja.- Se complica, porque está lejos de los 50 o 60 Hz, donde tenemos todos los componentes para que la rectificación sea una operación razonablemente simple.-Entonces tenemos dos soluciones para aproximarnos al valor de nuestras frecuencias estandares  : subir la velocidad n del rotor del generador, mediante una caja de engranajes, que nos multiplique la velocidad del rotor del aerogenerador, o bien aumentar el número de pares de polos p.-Las dos cosas tienen  su parte positiva y su parte negativa.- Si  ponemos la caja multiplicadora, nos sube la velocidad del rotor, pero nos baja el par y tenemos una causa de falla posible, la caja multiplicadora, que no tendríamos sin ella.-Si aumentamos el número de pares de  polos, nos aumenta el tamaño y el peso del generador y el costo, ya que un buen inversor de esas potencias no es barato.- Supongamos que usamos el multiplicador con una relación de transmisión de 20.- La velocidad de rotación del rotor del generador sería de 20x20=400 rpm y la frecuencia, resultaría : f  = 400x10/60 = 66,66Hz,  que sería un valor de frecuencia facil de rectificar .-

Supongamos ahora que no usamos el multiplicador y aumentamos el número de pares de polos, digamos que usamos 100 pares de polos : f = 20x100/ 60 = 33,33Hz, que es un valor razonable de frecuencia para rectificar, filtrar, etc.-  Cuando no se usa caja multiplicadora, se dice que el generador está acoplado de forma directa a la turbina eólica.-  Cuando se usa la caja multiplicadora, se dice que el acoplamiento es indirecto.- 

Generador Sincrónico, acoplado de manera directa a la turbina  y de manera indirecta a la red eléctrica

Generadores asincrónicos :

 Los generadores sincrónicos pueden funcionar aunque la red no incluya ningún otro generador, pero los asincrónicos necesitan que la red tenga una tensión con una frecuencia dada (50 o 60Hz) para funcionar, ya que su rotor no tiene una fuente de contínua aplicada desde el exterior.-Entonces la tensión trifásica de la red, aplicada al estator de nuestro generador,  producirá un campo magnético rotante, que inducirá corrientes en el rotor trifásico, que a su vez producirán un campo magnético resultante.-Si no aplicamos ninguna cupla desde el exterior sobre el rotor, este comenzará a rotar, funcionando como motor y lo hará a una velocidad menor que el campo magnético rotante del estator.-

Generador asincrónico, acoplado de manera indirecta a la turbina y conectado de manera directa a la red eléctrica

Si ahora aplicamos un par (cupla) al rotor desde el exterior, que lo haga girar a una velocidad  n = f/px60, donde f es la frecuencia de la red y p el número de pares de polos del estator, el rotor estaría girando a la misma velocidad que el campo magnético del estator y sobre sus bobinados no se induciría corriente alguna.- No funcionaría ni como motor, ni como generador.-Si en cambio hacemos que el rotor gire a una velocidad mayor que n=f/px60, se inducirán corrientes en él, aparecerá un campo magnético resultante y estaremos entregando energía a la red a través del acoplamiento magnético entre el rotor y el estator a la frecuencia de la red.-Esta diferencia de velocidades, expresadas en %,  es lo que se llama desplazamiento (slip) y es necesario para que el generador asíncrono funcione como tal.-La velocidad del generador asincrónico variará con la fuerza (momento, torque, par o cupla) aplicada a él.- En la práctica, la diferencia entre la velocidad de rotación a la potencia pico y la de vacío, cuando hacemos girar el rotor a la misma velocidad  n =f/px60, es muy pequeña, del orden del 1%(slip=1%).- Entonces resulta posible y práctico conectar en forma directa el estator del generador asincrónico a la red,  entregando siempre la misma frecuencia a pesar de las variaciones de cupla por diferentes intensidades del viento.-Se trata de una propiedad  muy útil que el generador aumente o disminuya su velocidad ligeramente si el par varía.

Las tendencias actuales son: 1)Usar generadores sincrónicos con acoplamiento directo a la turbina eólica y conexión indirecta a la red, o sea sin caja multiplicadora, con gran número de polos y rotor de imán permanente, con rectificación e inversión (Ej Enercon; Impsa) ; 2)Usar generadores asíncronos acoplados de manera indirecta a la turbina eólica y de manera directa a la red, o sea con caja multiplicadora y sin rectificar ni invertir (Ej Nordex; Vestas, NRG-Patagonia).-

Enercon, de acoplamiento directo a la turbina y de conexión indirecta a la Red

El generador en anillo juega un papel primordial dentro del sistema sin multiplicadora de los aerogeneradores ENERCON. En combinación con el buje, el generador ofrece un flujo de energía casi exento de fricción. El delicado funcionamiento de los pocos componentes móviles garantiza el mínimo rozamiento. A diferencia de los generadores asíncronos convencionales, el generador en anillo ENERCON apenas se somete a desgastes mecánicos, lo cual lo convierte en ideal para producciones de gran magnitud y le dota de una larga vida útil.-El generador en anillo ENERCON es multipolar, síncrono y sin conexión directa a la red. La tensión y frecuencia de salida se modifican con la velocidad del rotor y se entregan a la red a través de un circuito de corriente continua y convertidores (inversores).- Con ello se posibilita la velocidad variable.-

UNIPOWER de  IMPSA-Wind

Principales características:

Turbina acoplada directamente, sin caja multiplicadora de velocidad, que aumenta la eficiencia y disminuye la necesidad de mantenimiento.Generador multipolo, velocidad variable, con excitación por imanes permanentes; alta eficiencia y bajo mantenimiento. No consume potencia reactiva.Control del sistema inversor con salida SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), IGBTs para controlar la tensión, la corriente, el factor de potencia y la frecuencia.-

AEROGENERADOR GENERAL ELECTRIC - 2,5 MW
También con generador y turbina acoplados en forma directa, sin caja multiplicadora, con rectificador e inversor.El rotor está constituído por imanes permanentes, lo que al igual que en los casos anteriores permite una mayor eficiencia al evitar las pérdidas en el bobinado del rotor, sobre todo para bajas velocidades de viento.

A continuación otro aerogenerador GE, de 4MW, sin caja multiplicadora, con generador sincrónico de imanes permanentes, rectificador e inversor, tiene Yaw drive para que la góndola rote y se ubique siempre con el eje del rotor paralelo a la dirección del viento, usando una veleta como sensor de la dirección del viento y control electrónico. Dispone además de pitch controller para que las palas (blades) puedan girar y mantener el ángulo de ataque óptimo con la dirección del viento en cada momento, regulando así la velocidad tangencial del rotor.

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