Las máquinas eléctricas doblemente alimentadas , también generadores de anillos rozantes , son motores eléctricos o generadores eléctricos , donde tanto los devanados del imán de campo como los devanados del inducido están conectados por separado a equipos fuera de la máquina.
Al suministrar energía de CA de frecuencia ajustable a los devanados de campo , se puede hacer que el campo magnético gire, lo que permite variar la velocidad del motor o del generador. Esto es útil, por ejemplo, para los generadores utilizados en turbinas eólicas . [1] Además, las turbinas eólicas basadas en DFIG ofrecen la capacidad de controlar la potencia activa y reactiva . [2] [3]
Los generadores eléctricos de doble alimentación son similares a los generadores eléctricos de CA , pero tienen características adicionales que les permiten funcionar a velocidades ligeramente superiores o inferiores a su velocidad sincrónica natural. Esto es útil para turbinas eólicas grandes de velocidad variable , porque la velocidad del viento puede cambiar de repente. Cuando una ráfaga de viento golpea una turbina eólica, las aspas intentan acelerar, pero un generador sincrónico está bloqueado a la velocidad de la red eléctrica y no puede acelerar. Por lo tanto, se desarrollan grandes fuerzas en el buje, la caja de cambios y el generador a medida que la red eléctrica empuja hacia atrás. Esto provoca desgaste y daños en el mecanismo. Si se permite que la turbina acelere inmediatamente cuando es golpeada por una ráfaga de viento, las tensiones son menores y la energía de la ráfaga de viento aún se convierte 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 CC y luego convertirla a CA a la frecuencia de salida deseada utilizando un inversor . Esto es común para turbinas eólicas de casas pequeñas y granjas. Pero los inversores necesarios para turbinas eólicas a escala 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 inducido por donde sale la electricidad generada, hay dos devanados trifásicos, uno estacionario y otro giratorio, ambos conectados por separado a equipos externos al generador. Por ello, se utiliza el término de doble alimentación para este tipo de máquinas.
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 devanados pueden ser salidas) está conectado a corriente alterna trifásica a frecuencia variable. Esta corriente de entrada se ajusta en frecuencia y fase para compensar los cambios en la velocidad de la turbina. [4]
Para ajustar la frecuencia y la fase se necesita un convertidor de CA a CC a CA. Este suele estar construido a partir de semiconductores IGBT muy grandes . El convertidor es bidireccional y puede pasar energía en cualquier dirección. La energía puede fluir desde este devanado así como desde el devanado de salida. [5]
El motor de inducción de rotor bobinado, con conjuntos de bobinados multifásicos en el rotor y el estator, respectivamente, inventado por Nikola Tesla en 1888, [6] el conjunto de bobinados del rotor de la máquina eléctrica doblemente alimentada está conectado 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 estaba conectado a un conjunto de máquinas de CA y CC que alimentaban una máquina de CC conectada al eje de la máquina de anillos colectores. [7] De este modo, 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 hacer frente a 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. [8] [9]
La maquinaria rotatoria utilizada para alimentar el rotor era pesada y costosa. Una mejora en este sentido fue el accionamiento estático Scherbius, en el que el rotor estaba conectado a un conjunto rectificador-inversor construido primero con dispositivos basados en arco de mercurio y más tarde con diodos semiconductores y tiristores. En los esquemas que utilizaban un rectificador, el flujo de potencia solo era posible fuera del rotor debido al rectificador no controlado. Además, solo era posible el funcionamiento subsincrónico como motor.
Otro concepto que utiliza un convertidor de frecuencia estático es el de un cicloconvertidor conectado entre el rotor y la red de CA. El cicloconvertidor puede suministrar energía en ambas direcciones y, por lo tanto, la máquina puede funcionar a velocidades subsincrónicas y supersincrónicas. Se han utilizado grandes máquinas de doble alimentación controladas por cicloconvertidores para hacer funcionar generadores monofásicos que alimentan 16+ Red ferroviaria de 2 ⁄ 3 Hz en Europa. [10] Las máquinas alimentadas por cicloconvertidores también pueden hacer funcionar las turbinas en plantas de almacenamiento por bombeo. [11]
Hoy en día, el variador de frecuencia utilizado en aplicaciones de hasta unas pocas decenas de megavatios consta de dos inversores IGBT conectados uno detrás del otro .
También se han desarrollado varios conceptos sin escobillas para eliminar los anillos colectores que requieren mantenimiento.
Generador de inducción de doble alimentación (DFIG), 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. Es posible evitar el conjunto de anillos colectores multifásicos, pero existen problemas de eficiencia, costo y tamaño. Una mejor alternativa es una máquina eléctrica de doble alimentación con rotor bobinado sin escobillas. [12]
El principio del DFIG es que los devanados del estator están conectados a la red y los devanados del rotor están conectados al convertidor a través de anillos colectores y un convertidor de fuente de voltaje back-to-back que controla tanto las corrientes del rotor como 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 del par (DTC). [13] Se ha demostrado que el DTC tiene una mejor estabilidad que el control vectorial de corriente, especialmente cuando se requieren corrientes reactivas altas del generador. [14]
Los rotores de los generadores doblemente alimentados suelen tener entre 2 y 3 veces el número de vueltas del estator, lo que significa que los voltajes del rotor serán más altos y las corrientes, respectivamente, más bajas. Por lo tanto, en el rango de velocidad operativa típico de ±30 % alrededor de la velocidad sincrónica, la corriente nominal del convertidor es, en consecuencia, más baja, lo que conduce a un menor costo del convertidor. El inconveniente es que la operación controlada fuera del rango de velocidad operativa es imposible debido a que el voltaje del rotor es más alto que el nominal. Además, los transitorios de voltaje debidos a las perturbaciones de la red (caídas de voltaje trifásicas y bifásicas, especialmente) también se magnificarán. Para evitar que los altos voltajes del rotor (y las altas corrientes resultantes de estos voltajes) destruyan los transistores bipolares de puerta aislada y los diodos del convertidor, se utiliza un circuito de protección (llamado crowbar ). [15]
El crowbar cortocircuitará los devanados del rotor a través de una pequeña resistencia cuando se detecten corrientes o voltajes excesivos. Para poder continuar la operación lo más rápido posible, se debe utilizar un crowbar activo [16] . El crowbar activo puede eliminar el cortocircuito del rotor de manera controlada y, por lo tanto, el convertidor del lado del rotor puede iniciarse solo después de 20 a 60 ms desde el inicio de la perturbación de la red cuando el voltaje restante se mantiene por encima del 15% del voltaje nominal. Por lo tanto, es posible generar corriente reactiva a la red durante el resto de la caída de voltaje y, de esta manera, ayudar a la red a recuperarse de la falla. Para el recorrido de voltaje cero , es común esperar hasta que finalice la caída porque de lo contrario no es posible saber el ángulo de fase donde se debe inyectar la corriente reactiva. [17]
En resumen, una máquina de inducción doblemente alimentada es una máquina eléctrica de rotor bobinado doblemente alimentada y tiene varias ventajas sobre una máquina de inducción convencional en aplicaciones de energía eólica. En primer lugar, como 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 consecuencias importantes para la estabilidad del sistema de potencia y permite que la máquina apoye a la red durante perturbaciones de tensión graves ( recorrido de baja tensión ; LVRT). [15] 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 forma más eficiente que una turbina eólica de velocidad fija, especialmente durante condiciones de viento ligero. En tercer lugar, el coste del convertidor es bajo en comparación con otras soluciones de velocidad variable porque solo una fracción de la potencia mecánica, normalmente el 25-30%, se alimenta a la red a través del convertidor, y el resto se alimenta a la red directamente desde el estator. La eficiencia del DFIG es muy buena por la misma razón.
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