Un generador de inducción o generador asincrónico es un tipo de generador eléctrico de corriente alterna (CA) que utiliza los principios de los motores de inducción para producir energía eléctrica. Los generadores de inducción funcionan haciendo girar mecánicamente sus rotores a una velocidad superior a la velocidad sincrónica. Un motor de inducción de CA normal se puede utilizar normalmente como generador, sin ninguna modificación interna. Debido a que pueden recuperar energía con controles relativamente simples, los generadores de inducción son útiles en aplicaciones como minicentrales hidroeléctricas , turbinas eólicas o para reducir corrientes de gas de alta presión a una presión más baja.
Un generador de inducción extrae corriente de excitación reactiva de una fuente externa. Los generadores de inducción tienen un rotor de CA y no pueden arrancar utilizando magnetización residual para poner en marcha un sistema de distribución desenergizado como lo hacen las máquinas sincrónicas. Se pueden agregar condensadores correctores del factor de potencia externamente para neutralizar una cantidad constante de la corriente de excitación reactiva variable. Después de arrancar, un generador de inducción puede usar un banco de condensadores para producir corriente de excitación reactiva, pero el voltaje y la frecuencia del sistema de energía aislado no se autorregulan y se desestabilizan fácilmente.
Un generador de inducción produce energía eléctrica cuando su rotor gira más rápido que la velocidad sincrónica . Para un motor de cuatro polos (dos pares de polos en el estator) alimentado por una fuente de 60 Hz, la velocidad sincrónica es de 1800 rotaciones por minuto (rpm) y 1500 RPM alimentado a 50 Hz. El motor siempre gira ligeramente más lento que la velocidad sincrónica. La diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad de funcionamiento se denomina "deslizamiento" y a menudo se expresa como porcentaje de la velocidad sincrónica. Por ejemplo, un motor que funciona a 1450 RPM que tiene una velocidad sincrónica de 1500 RPM está funcionando con un deslizamiento de +3,3%.
En funcionamiento como motor, la rotación del flujo del estator se produce a la velocidad sincrónica, que es más rápida que la velocidad del rotor. Esto hace que el flujo del estator se mueva en ciclos a la frecuencia de deslizamiento, induciendo una corriente en el rotor a través de la inductancia mutua entre el estator y el rotor. La corriente inducida crea un flujo en el rotor con polaridad magnética opuesta al estator. De esta manera, el rotor es arrastrado por el flujo del estator, con las corrientes en el rotor inducidas a la frecuencia de deslizamiento. El motor funciona a la velocidad en la que la corriente inducida en el rotor da lugar a un par igual a la carga del eje.
En el funcionamiento del generador, un motor primario (turbina o motor) impulsa el rotor por encima de la velocidad sincrónica (deslizamiento negativo). El flujo del estator induce corriente en el rotor, pero el flujo opuesto del rotor corta ahora las bobinas del estator, y se induce una corriente en las bobinas del estator 270° detrás de la corriente magnetizante, en fase con el voltaje magnetizante. El motor entrega potencia real (en fase) al sistema de energía.
Un motor de inducción requiere una corriente suministrada externamente a los devanados del estator para inducir una corriente en el rotor. Debido a que la corriente en un inductor es integral del voltaje con respecto al tiempo, para una forma de onda de voltaje sinusoidal, la corriente se retrasa 90° con respecto al voltaje, y el motor de inducción siempre consume potencia reactiva , independientemente de si está consumiendo energía eléctrica y entregando energía mecánica como motor o consumiendo energía mecánica y entregando energía eléctrica al sistema.
Todavía se requiere una fuente de corriente de excitación para el flujo magnetizante (potencia reactiva) para el estator, para inducir la corriente del rotor. Esta puede suministrarse desde la red eléctrica o, una vez que comienza a producir energía, desde una reactancia capacitiva. El modo de generación para motores de inducción es complicado por la necesidad de excitar el rotor, que al ser inducido por una corriente alterna se desmagnetiza al apagarse sin magnetización residual para iniciar un arranque en frío. Es necesario conectar una fuente externa de corriente magnetizante para inicializar la producción. La frecuencia y el voltaje de la energía no se autorregulan. El generador puede suministrar corriente desfasada con el voltaje, lo que requiere más equipo externo para construir un sistema de energía aislado funcional. Similar es el funcionamiento del motor de inducción en paralelo con un motor síncrono que sirve como compensador del factor de potencia. Una característica del modo generador en paralelo a la red es que la velocidad del rotor es mayor que en el modo de conducción. Entonces se le da energía activa a la red. [1] Otra desventaja del generador de motor de inducción es que consume una corriente magnetizante significativa I 0 = (20-35)%.
La potencia activa entregada a la línea es proporcional al deslizamiento por encima de la velocidad sincrónica. La potencia nominal máxima del generador se alcanza con valores de deslizamiento muy pequeños (dependiente del motor, típicamente 3%). A una velocidad sincrónica de 1800 RPM, el generador no producirá potencia. Cuando la velocidad de accionamiento aumenta a 1860 RPM (ejemplo típico), se produce la potencia de salida máxima. Si el motor primario no puede producir suficiente potencia para accionar completamente el generador, la velocidad se mantendrá en algún lugar entre 1800 y 1860 RPM.
Un banco de capacitores debe suministrar potencia reactiva al motor cuando se utiliza en modo autónomo. La potencia reactiva suministrada debe ser igual o mayor que la potencia reactiva que el generador consume normalmente cuando funciona como motor.
El fundamento básico de los generadores de inducción es la conversión de energía mecánica en energía eléctrica. Esto requiere un par externo aplicado al rotor para girarlo más rápido que la velocidad sincrónica. Sin embargo, el aumento indefinido del par no conduce a un aumento indefinido en la generación de energía. El par del campo magnético giratorio excitado por la armadura actúa para contrarrestar el movimiento del rotor y evitar el exceso de velocidad debido al movimiento inducido en la dirección opuesta. A medida que aumenta la velocidad del motor, el contrapar alcanza un valor máximo de par (par de ruptura) hasta el cual puede funcionar antes de que las condiciones de funcionamiento se vuelvan inestables. Idealmente, los generadores de inducción funcionan mejor en la región estable entre la condición sin carga y la región de par máximo.
La potencia máxima que puede producir un motor de inducción operado como generador está limitada por la corriente nominal de los devanados del generador.
En los generadores de inducción, la potencia reactiva necesaria para establecer el flujo magnético en el entrehierro la proporciona un banco de condensadores conectado a la máquina en el caso de un sistema autónomo y, en el caso de una conexión a la red, extrae potencia reactiva de la red para mantener su flujo en el entrehierro. En un sistema conectado a la red, la frecuencia y el voltaje en la máquina estarán determinados por la red eléctrica, ya que es muy pequeña en comparación con todo el sistema. En el caso de los sistemas autónomos, la frecuencia y el voltaje son funciones complejas de los parámetros de la máquina, la capacitancia utilizada para la excitación y el valor y tipo de carga.
Los generadores de inducción se utilizan a menudo en turbinas eólicas y en algunas instalaciones microhidráulicas debido a su capacidad de producir energía útil a distintas velocidades del rotor. Los generadores de inducción son mecánica y eléctricamente más simples que otros tipos de generadores. También son más resistentes y no requieren escobillas ni conmutadores .
Un generador de inducción conectado a un sistema de condensadores puede generar suficiente potencia reactiva para funcionar de forma independiente. Cuando la corriente de carga supera la capacidad del generador de suministrar tanto potencia reactiva de magnetización como potencia de carga, el generador dejará de producir energía inmediatamente. Se debe retirar la carga y reiniciar el generador de inducción con un motor de CC externo o, si está presente, con magnetismo residual en el núcleo. [2]
Los generadores de inducción son especialmente adecuados para las centrales eólicas, ya que en este caso la velocidad es siempre un factor variable. A diferencia de los motores síncronos, los generadores de inducción dependen de la carga y no se pueden utilizar solos para el control de la frecuencia de la red.
Como ejemplo, considere el uso de un motor de inducción trifásico de 10 hp, 1760 r/min, 440 V (también conocido como máquina eléctrica de inducción en un régimen de generador asincrónico) como generador asincrónico. La corriente a plena carga del motor es de 10 A y el factor de potencia a plena carga es de 0,8.
Capacitancia requerida por fase si los capacitores están conectados en delta:
Para que una máquina funcione como generador asincrónico, el banco de capacitores debe suministrar un mínimo de 4567 / 3 fases = 1523 VAR por fase. El voltaje por capacitor es de 440 V porque los capacitores están conectados en delta.
Capacitancia mínima por fase:
Si la carga también absorbe potencia reactiva, se debe aumentar el tamaño del banco de condensadores para compensar.
La velocidad del motor principal debe utilizarse para generar una frecuencia de 60 Hz:
Normalmente, el deslizamiento debe ser similar al valor de carga completa cuando la máquina funciona como motor, pero negativo (operación del generador):
