GENERADORES DE VELOCIDAD CONSTANTE

5. GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA ASÍNCRONO

La mayoría de turbinas eólicas del mundo utilizan un generador asíncrono trifásico (de jaula bobinada), también llamado generador de inducción, para generar corriente alterna. Fuera de la industria eólica y de las pequeñas unidades hidroeléctricas, este tipo de generadores no está muy extendido; aunque de todas formas, el mundo tiene una gran experiencia en tratar con ellos:

Figura 1. Generador asíncrono.

Lo curioso de este tipo de generador es que fue inicialmente diseñado como motor eléctrico. De hecho, una tercera parte del consumo mundial de electricidad es utilizado para hacer funcionar motores de inducción que muevan maquinaría en fábricas, bombas, ventiladores, compresores, elevadores, y otras aplicaciones donde se necesita convertir energía eléctrica en energía mecánica. Otra de las razones para la elección de este tipo de generador es que es muy fiable, y comparativamente no suele resultar caro. Este generador también tiene propiedades mecánicas que lo hace especialmente útil en turbinas eólicas (el deslizamiento del generador, y una cierta capacidad de sobrecarga). Un componente clave del generador asíncrono es el rotor de jaula.

5.1. ROTOR DE JAULA

Este es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente por anillos de aluminio finales, tal y como se ve en la figura 8. En el dibujo del principio de la página puede verse el rotor provisto de un núcleo de "hierro", utilizando un apilamiento de finas láminas de acero aisladas, con agujeros para las barras conductoras de aluminio. El rotor se sitúa en el centro del estátor, que en este caso se trata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente a las tres fases de la red eléctrica.

Figura 8. Detalle del rotor de jaula de ardilla.

 

5.2. FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR

¿Qué es lo que ocurre si hacemos girar el rotor de forma manual a, exactamente, la velocidad síncrona del generador, p.ej. 1500 r.p.m. (revoluciones por minuto) para el generador síncrono tetrapolar? La respuesta es: nada. Dado que el campo magnético gira exactamente a la misma velocidad que el rotor, no se produce ningún fenómeno de inducción en el rotor, por lo que no interaccionará con el estátor.

¿Y si aumentamos la velocidad por encima de las 1500 r.p.m.? En ese caso el rotor se mueve más rápidamente que el campo magnético giratorio del estátor, lo que significa que, una vez más, el estátor inducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más rápidamente hagamos girar el rotor, mayor será la potencia transferida al estátor en forma de fuerza electromagnética, y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la red eléctrica.

El generador de inducción no es capaz de operar sin la red. cuando el sistema de la red eléctrica falla, el generador falla también. Sistemas electrónicos pueden engañar a los generadores de inducción, por medio de capacitores para cargar el campo, permitiendo así a estos generadores ser utilizados en sistemas de potencia aislados.

En este tipo de máquina eléctrica, el campo magnético giratorio se crea a través del estátor, cuyos devanados deberán estar conectados a una fuente exterior de tensión alterna. Esta es la razón básica de que la máquina asíncrona sea consumidora de energía reactiva, ya que al ser el bobinado una carga inductiva, para generar el campo magnético consumirá corriente desfasada de la tensión.

Si partimos de una máquina asíncrona con el rotor en reposo la acción del campo magnético giratorio sobre las bobinas de rotor induce una fuerza electromotriz en las mismas. Esta fuerza electromotriz inducida motiva el paso de corrientes por las bobinas del rotor, las cuales normalmente están cerradas en cortocircuito (máquina de jaula de ardilla) presentando apenas resistencia. El campo giratorio ejerce fuerzas sobre los conductores recorridos por una corriente eléctrica, originándose un par de giro que pone en movimiento al rotor en el mismo sentido que el campo magnético giratorio. El rotor irá girando cada vez más rápido reduciéndose la diferencia de velocidades de giro entre el campo magnético y el rotor. Al disminuir la diferencia de velocidad, las tensiones inducidas, al igual que las corrientes en el rotor decrecen llegando a ser nulas cuando el rotor alcanza casi la velocidad de rotación del campo giratorio, denominada velocidad de sincronismo.

La velocidad de sincronismo vendrá definida al igual que en las máquinas síncronas por la frecuencia de la señal eléctrica externa y por el número de pares de polos alojados en este caso en el estátor.

A la diferencia entre la velocidad de giro del campo magnético y del rotor se le denomina deslizamiento (S).

Hasta este punto se ha descrito el funcionamiento de la máquina asíncrona como motor, ya que se ha utilizado energía eléctrica para mover un rotor - energía mecánica.

Pero que ocurre si mediante una aeroturbina acoplada a esta máquina hacemos girar el rotor en el mismo sentido del campo giratorio, a una velocidad superior a la de sincronismo. El deslizamiento cambiará de signo, el sentido de la fuerza electromotriz inducida en la fase del rotor se invierte, al igual que la corriente que ésta determina, ambas tendrán una frecuencia correspondiente a la diferencia de velocidades y la máquina pasará a funcionar como generador, cediendo a la red a la que está conectada la potencia que desarrolla la aeroturbina.

Tal circunstancia, evidentemente, no se da si en la máquina no existe previamente un campo magnético giratorio, lo cual exige que la red suministre a la máquina de inducción la corriente magnetizante que excite el campo magnético. Por ello, el generador asíncrono se define como no autoexcitable

A medida que aumenta la diferencia de velocidad de giro entre el rotor y el campo magnético producido por el estátor, se produce una mayor tensión en el rotor y, consiguientemente crece la corriente que circula por él. Con mayor corriente, el campo magnético debido al rotor también crece y el flujo de potencia activa hacia la red eléctrica será mayor, al igual que el consumo de potencia reactiva por parte de la máquina. Esta tendencia se mantendrá hasta llegar al par resistente máximo del generador.

Dentro de un rango limitado la potencia y el par son proporcionales al deslizamiento, obteniéndose una característica ligeramente inclinada. En este tramo la energía reactiva consumida es capaz de mantener el flujo magnético necesario para que el generador presente un par resistente creciente, pero a partir de un determinado deslizamiento (entre el 5 y el 10%, según la máquina) el incremento de la corriente en el rotor hace que las pérdidas debido a la resistencia del mismo (pérdidas Joule), disminuyan el par resistente y, por lo tanto, se puede producir el embalamiento del rotor. Además, el excesivo aumento de las pérdidas produce un sobrecalentamiento del rotor, que por radiación puede afectar también al estátor.

Este último inconveniente puede reducirse en parte dependiendo del modo de ventilación utilizado y de su propia construcción, ya que si todos los detalles del diseño son conocidos se pueden aplicar límites más ajustados mediante el cálculo cuidadoso de los transitorios térmicos que puedan aparecer.

Por las anteriores razones, no es recomendable operar en el rango cercano al deslizamiento máximo, aunque también se puede incrementar el deslizamiento para un par dado, aumentando la resistencia de las barras del rotor, pero el producto del par y el deslizamiento creciente representa mayores pérdidas, disminuyendo el rendimiento del generador.

A la hora de seleccionar un determinado generador asíncrono se deberá tener en cuenta el par máximo en tanto por ciento, ya que el coste del generador guarda cierta relación con la raíz cuadrada del par máximo del mismo.

Como recomendación en el proceso de selección, una vez conocida la potencia de la turbina a utilizar el rango de velocidades de viento en el punto de localización y la característica par-velocidad del generador más barato. Normalmente, se dan pocos casos en los cuales una velocidad de viento excesiva haga que el par de la turbina pueda exceder del par máximo del generador, no obstante se debe programar en el control la desconexión de la línea si la potencia máxima se supera durante 10 segundos. Posteriormente, el generador podrá volverse a enganchar a la línea en el momento en que la velocidad de la turbina esté por debajo de la velocidad máxima del generador. Por el contrario, con velocidades de viento muy bajas, la velocidad de la turbina puede llevar a funcionar al generador a velocidades por debajo de la velocidad de sincronismo, invirtiéndose el par generador y poniéndose la máquina a funcionar como motor. Si esta situación se da durante un intervalo de tiempo alto, la máquina deberá ser desconectada de la línea.

El aerogenerador con generador síncrono sólo tiene, al igual que el basado en generador síncrono una velocidad de viento óptima, para la cual da la potencia nominal. Por debajo de esa velocidad su rendimiento baja mucho, aunque aprovecha mejor la potencia del viento debido al deslizamiento.

Otra característica del generador de inducción es su factor de potencia, el cual varía con la carga. Una excesiva demanda de potencia reactiva es peligrosa, ya que causa caídas de tensión en la línea y en los transformadores. Recordemos que parte de esa corriente reactiva demandada se utiliza como corriente magnetizante para obtener un flujo magnético. La corriente de magnetización para carga máxima varía desde el 20% para generadores de 4 y 6 polos y el 40% para los generadores de 10 polos o más. Respecto al porcentaje que representa la potencia reactiva demandada por el generador sobre su potencia máxima, éste suele suponer entre el 15y el 20%.

Para pequeños generadores, el consumo de potencia reactiva no es muy importante, pero para grandes máquinas hay que tenerlo en cuenta sobre todo para efectuar la compensación de corriente reactiva en vacío. Esta compensación se realiza mediante baterías de condensadores en paralelo con la línea de salida del generador. La regulación de estas baterías se hace por tensión mediante un relé, el cual desconectará los condensadores si la tensión supera el valor de 1.15 p.u. de la tensión nominal. Esta protección suele estar ajustada para que abra a los 15 ciclos de detectar que la corriente del condensador supera a la de magnetización, o la tensión sube demasiado.