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Máquina eléctrica de doble alimentación

Una máquina eléctrica de doble alimentación , un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) o un generador de anillos rozantes es un motor o generador eléctrico en el q...

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Una máquina eléctrica de doble alimentación , un generador de inducción de doble alimentación (DFIG) o un generador de anillos rozantes es un motor o generador eléctrico en el que tanto los devanados del imán de campo como los devanados de la armadura están conectados por separado a equipos externos a la máquina.

Al alimentar los devanados de campo con corriente alterna de frecuencia ajustable , se puede hacer girar el campo magnético , lo que permite variar la velocidad del motor o generador. Esto es útil, por ejemplo, para los generadores utilizados en turbinas eólicas . [ 1 ] Las máquinas eléctricas de doble alimentación también se utilizan en centrales hidroeléctricas de bombeo de velocidad variable. [ 2 ] Además, las turbinas eólicas basadas en DFIG ofrecen la capacidad de controlar la potencia activa y reactiva . [ 3 ] [ 4 ]

Introducción

Generador de doble alimentación para turbina eólica

Los generadores eléctricos de doble alimentación son similares a los generadores eléctricos de corriente alterna , pero cuentan con características adicionales que les permiten funcionar a velocidades ligeramente superiores o inferiores a su velocidad síncrona natural. Esto resulta útil para grandes aerogeneradores de velocidad variable , ya que la velocidad del viento puede cambiar repentinamente. Cuando una ráfaga de viento impacta en un aerogenerador, las palas intentan acelerar, pero un generador síncrono está sincronizado con la velocidad de la red eléctrica y no puede hacerlo. Por lo tanto, se generan grandes fuerzas en el buje, la caja de engranajes y el generador a medida que la red eléctrica ejerce presión en sentido contrario. Esto provoca desgaste y daños en el mecanismo. Si se permite que el aerogenerador acelere inmediatamente al ser impactado por una ráfaga de viento, las tensiones se reducen y la energía de la ráfaga se sigue convirtiendo en electricidad útil.

Una forma de permitir que la velocidad de la turbina eólica varíe es aceptar la frecuencia que produce el generador, convertirla a corriente continua (CC) y luego convertirla a corriente alterna (CA) a la frecuencia de salida deseada mediante un inversor . Esto es común en turbinas eólicas pequeñas para viviendas y granjas. Sin embargo, los inversores necesarios para turbinas eólicas de megavatios son grandes y costosos.

Los generadores de doble alimentación son otra solución a este problema. En lugar del devanado de campo habitual alimentado con corriente continua y un devanado de armadura por donde sale la electricidad generada, cuentan con dos devanados trifásicos, uno fijo y otro giratorio, ambos conectados por separado a equipos externos al generador. Por ello, se utiliza el término «doblemente alimentado» para este tipo de máquina.

Un devanado está conectado directamente a la salida y produce corriente alterna trifásica a la frecuencia de red deseada. El otro devanado (tradicionalmente llamado campo, pero aquí ambos pueden ser salidas) está conectado a corriente alterna trifásica de frecuencia variable. Esta potencia de entrada se ajusta en frecuencia y fase para compensar los cambios en la velocidad de la turbina. [ 5 ]

Para ajustar la frecuencia y la fase se requiere un convertidor de CA a CC a CA. Este suele estar construido con semiconductores IGBT de gran tamaño . El convertidor es bidireccional y puede transmitir energía en ambas direcciones. La energía puede fluir tanto desde este devanado como desde el devanado de salida. [ 6 ]

Historia

Con sus orígenes en los motores de inducción de rotor bobinado con conjuntos de bobinados multifásicos en el rotor y el estator, respectivamente, inventados por Nikola Tesla en 1888, [ 7 ] el conjunto de bobinados del rotor de la máquina eléctrica doblemente alimentada se conecta a una selección de resistencias a través de anillos colectores multifásicos para el arranque. Sin embargo, la potencia de deslizamiento se perdía en las resistencias. Por lo tanto, se desarrollaron medios para aumentar la eficiencia en el funcionamiento a velocidad variable recuperando la potencia de deslizamiento. En los accionamientos Krämer (o Kraemer), el rotor se conectaba a un conjunto de máquinas de CA y CC que alimentaba una máquina de CC conectada al eje de la máquina de anillos colectores. [ 8 ] De esta manera, la potencia de deslizamiento se devolvía como potencia mecánica y el accionamiento podía controlarse mediante las corrientes de excitación de las máquinas de CC. El inconveniente del accionamiento Krämer es que las máquinas deben sobredimensionarse para soportar la potencia circulante adicional. Este inconveniente se corrigió en el accionamiento Scherbius , donde la potencia de deslizamiento se devuelve a la red de CA mediante grupos electrógenos. [ 9 ] [ 10 ]

La maquinaria rotativa utilizada para alimentar el rotor era pesada y costosa. Una mejora en este sentido fue el accionamiento estático de Scherbius, donde el rotor se conectaba a un conjunto rectificador-inversor construido inicialmente con dispositivos de arco de mercurio y posteriormente con diodos semiconductores y tiristores. En los esquemas que utilizaban un rectificador, el flujo de potencia solo era posible fuera del rotor debido a la falta de control del rectificador. Además, solo era posible el funcionamiento subsíncrono como motor.

Otro concepto que utiliza un convertidor de frecuencia estático emplea un cicloconvertidor conectado entre el rotor y la red de CA. El cicloconvertidor puede suministrar energía en ambas direcciones, por lo que la máquina puede funcionar a velocidades subsíncronas y sobresíncronas. Se han utilizado grandes máquinas de doble alimentación controladas por cicloconvertidores para accionar generadores monofásicos que alimentan la red ferroviaria de 16 + 2/3  Hz en Europa. [ 11 ] Las máquinas alimentadas por cicloconvertidores también pueden accionar las turbinas en centrales hidroeléctricas de bombeo. [ 12 ]

Actualmente, el convertidor de frecuencia utilizado en aplicaciones de hasta unas pocas decenas de megavatios consta de dos inversores IGBT conectados en serie .

También se han desarrollado varios conceptos sin escobillas para eliminar los anillos colectores que requieren mantenimiento.

Generador de inducción doblemente alimentado

El generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) es un principio de generación ampliamente utilizado en turbinas eólicas . Se basa en un generador de inducción con un rotor bobinado multifásico y un conjunto de anillos colectores multifásicos con escobillas para acceder a los devanados del rotor. Si bien es posible prescindir del conjunto de anillos colectores multifásicos, esto conlleva problemas de eficiencia, costo y tamaño. Una mejor alternativa es una máquina eléctrica doblemente alimentada con rotor bobinado sin escobillas. [ 13 ]

Principio de funcionamiento de un generador de inducción de doble alimentación conectado a una turbina eólica.

El principio del DFIG es que los devanados del estator están conectados a la red y los del rotor al convertidor mediante anillos colectores y un convertidor de fuente de tensión bidireccional que controla tanto la corriente del rotor como la de la red. De este modo, la frecuencia del rotor puede diferir libremente de la frecuencia de la red (50 o 60 Hz). Al utilizar el convertidor para controlar las corrientes del rotor, es posible ajustar la potencia activa y reactiva suministrada a la red desde el estator independientemente de la velocidad de giro del generador. El principio de control utilizado es el control vectorial de corriente de dos ejes o el control directo de par (DTC). [ 14 ] El DTC ha demostrado tener una mayor estabilidad que el control vectorial de corriente, especialmente cuando se requieren altas corrientes reactivas del generador. [ 15 ] 

Los rotores de los generadores de doble alimentación suelen tener entre dos y tres veces el número de espiras del estator. Esto implica que las tensiones del rotor serán mayores y las corrientes, respectivamente, menores. Por lo tanto, en el rango típico de velocidad operativa de ±30% alrededor de la velocidad síncrona, la corriente nominal del convertidor es menor, lo que reduce su coste. La desventaja es que resulta imposible un funcionamiento controlado fuera del rango de velocidad operativa debido a la tensión del rotor superior a la nominal. Además, los transitorios de tensión debidos a perturbaciones de la red (especialmente caídas de tensión trifásicas y bifásicas) también se amplificarán. Para evitar que las altas tensiones del rotor (y las altas corrientes resultantes) dañen los transistores bipolares de puerta aislada y los diodos del convertidor, se utiliza un circuito de protección (denominado crowbar ). [ 16 ]

El crowbar cortocircuitará los devanados del rotor a través de una pequeña resistencia cuando se detecten corrientes o tensiones excesivas. Para poder continuar la operación lo más rápido posible, se debe utilizar un crowbar activo [ 17 ]  . El crowbar activo puede eliminar el cortocircuito del rotor de forma controlada y, por lo tanto, el convertidor del lado del rotor puede arrancar solo después de 20-60 ms desde el inicio de la perturbación de la red cuando la tensión restante se mantiene por encima del 15 % de la tensión nominal. De esta manera, es posible generar corriente reactiva a la red durante el resto de la caída de tensión y así ayudar a la red a recuperarse de la falla. Para la tolerancia a caídas de tensión , es común esperar hasta que termine la caída, ya que de lo contrario no es posible conocer el ángulo de fase en el que se debe inyectar la corriente reactiva. [ 18 ]

En resumen, una máquina de inducción doblemente alimentada (DFIG) es una máquina eléctrica de rotor bobinado doblemente alimentada que presenta varias ventajas sobre una máquina de inducción convencional en aplicaciones de energía eólica. En primer lugar, dado que el circuito del rotor está controlado por un convertidor de electrónica de potencia, el generador de inducción puede importar y exportar potencia reactiva . Esto tiene importantes consecuencias para la estabilidad del sistema eléctrico y permite que la máquina apoye la red durante perturbaciones de tensión severas ( capacidad de soportar caídas de tensión ; LVRT). [ 16 ] En segundo lugar, el control de las tensiones y corrientes del rotor permite que la máquina de inducción permanezca sincronizada con la red mientras varía la velocidad de la turbina eólica. Una turbina eólica de velocidad variable utiliza el recurso eólico disponible de manera más eficiente que una turbina eólica de velocidad fija, especialmente en condiciones de viento ligero. En tercer lugar, el coste del convertidor es bajo en comparación con otras soluciones de velocidad variable, ya que solo una fracción de la potencia mecánica, típicamente entre el 25 % y el 30 %, se alimenta a la red a través del convertidor, mientras que el resto se alimenta a la red directamente desde el estator. La eficiencia del DFIG es muy buena por la misma razón.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Generadores para turbinas eólicas. Serie estándar de generadores de anillos rozantes para el concepto de doble alimentación de 1,5 a 3,5 MW" (PDF) . ABB . 2014. Consultado el 24 de abril de 2018 .
  2. ↑ A. Bocquel, J. Janning: Accionamiento de velocidad variable de 4*300 MW para aplicaciones en plantas de bombeo y almacenamiento. Conferencia EPE 2003, Toulouse.
  3. ↑ MJ Harandi, SG Liasi y MT Bina, " Compensación del flujo transitorio del estator durante fallas simétricas y asimétricas utilizando flujo virtual basado en la corriente desmagnetizante en turbinas eólicas DFIG ", 2019 International Power System Conference (PSC), Teherán, Irán, 2019, pp. 181–187, doi : 10.1109/PSC49016.2019.9081565 .
  4. ↑ M. Niraula y L. Maharjan, “Control de frecuencia variable del estator de un DFIG autónomo con salida rectificada por diodo”, 5º Simposio internacional sobre energías y aplicaciones respetuosas con el medio ambiente (EFEA), 2018.
  5. ↑ S. MÜLLER; S.; et al. (2002). "Sistemas de generadores de inducción doblemente alimentados para turbinas eólicas" (PDF) . IEEE Industry Applications Magazine . 8 (3). IEEE: 26– 33. doi : 10.1109/2943.999610 . 
  6. ↑ L. Wei, RJ Kerkman, RA Lukaszewski, H. Lu y Z. Yuan, "Análisis de las capacidades de ciclo de potencia de IGBT utilizadas en un sistema de energía eólica con generador de inducción doblemente alimentado", 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Atlanta, GA, 2010, pp. 3076-3083, doi : 10.1109/ECCE.2010.5618396 .
  7. ↑ "Electrónica de potencia - Wiki de historia de la ingeniería y la tecnología" . ethw.org .
  8. ↑ Leonhard, W.: Control de accionamientos eléctricos. 2.ª ed. Springer, 1996, 420 páginas. ISBN 3-540-59380-2.
  9. ↑ Shively, EK; Whitlow, Geo. S. (1932). "Control automático para convertidores de frecuencia de relación variable". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers . 51 : 121– 127. doi : 10.1109/T-AIEE.1932.5056029 . S2CID 51636516 . 
  10. ↑ Liwschitz, MM; Kilgore, LA (1942). "Un estudio del accionamiento de velocidad variable en cascada asíncrono-síncrono modificado de Kramer". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers . 61 (5): 255– 260. doi : 10.1109/T-AIEE.1942.5058524 . S2CID 51642497 . 
  11. ↑ Pfeiffer, A.; Scheidl, W.; Eitzmann, M.; Larsen, E. (1997). «Convertidores rotativos modernos para aplicaciones ferroviarias». Actas de la Conferencia Conjunta Ferroviaria IEEE/ASME de 1997. págs. 29–33 . doi : 10.1109/RRCON.1997.581349 . ISBN  0-7803-3854-5. S2CID 110505314 . 
  12. ↑ A. Bocquel, J. Janning: Accionamiento de velocidad variable de 4*300 MW para aplicaciones en plantas de bombeo y almacenamiento. Conferencia EPE 2003, Toulouse.
  13. ↑ "Panorama general del estado de investigación y desarrollo del sistema de máquina de doble alimentación sin escobillas". Revista China de Ingeniería Eléctrica . 2 (2). Sociedad China de Ingeniería Eléctrica . Diciembre de 2016.
  14. ↑ Patente estadounidense 6,448,735
  15. ↑ Niiranen, Jouko (2008). "Acerca de las mediciones de potencia activa y reactiva en pruebas de tolerancia a caídas de tensión asimétricas". Energía eólica . 11 (1): 121– 131. Bibcode : 2008WiEn...11..121N . doi : 10.1002/we.254 .
  16. 1 2 M. J. Harandi, S. Ghaseminejad Liasi, E. Nikravesh y MT Bina, "Una estrategia de control mejorada para la tolerancia a caídas de tensión de DFIG utilizando un método de desmagnetización óptimo", 2019 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC), Shiraz, Irán, 2019, pp. 464-469, doi : 10.1109/PEDSTC.2019.8697267 .
  17. ↑ una palanca activa : por ejemplo, la patente estadounidense 7,164,562
  18. ↑ Seman, Slavomir; Niiranen, Jouko; Virtanen, Reijo; Matsinen, Jari-Pekka (2008). "Análisis de tolerancia a caídas de tensión de una turbina eólica DFIG de 2 MW: validaciones de cumplimiento del código de red". Reunión general de la IEEE Power and Energy Society de 2008: conversión y suministro de energía eléctrica en el siglo XXI . pp. 1–6 . doi : 10.1109/PES.2008.4596687 . ISBN  978-1-4244-1905-0. S2CID 41973249 . 
  • Dufour, Christian; Bélanger, Jean (2004). "Simulación en tiempo real de un generador de inducción doblemente alimentado para aplicaciones en turbinas eólicas" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 5 de enero de 2011. Consultado el 17 de febrero de 2011 .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
  • Roberts, Paul C. (2004). «Estudio de máquinas de inducción de doble alimentación sin escobillas; contribuciones al análisis, diseño y control de máquinas» (PDF) . Emmanuel College, Universidad de Cambridge. Archivado del original (PDF) el 19 de marzo de 2013.{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )