Las máquinas eléctricas de doble alimentación , también generadores de anillos colectores , son motores eléctricos o generadores eléctricos , en los que tanto los devanados del imán de campo como los devanados del inducido están conectados por separado a equipos externos a la máquina.
Al alimentar corriente alterna de frecuencia ajustable a los devanados de campo , se puede hacer que el campo magnético gire, permitiendo la variación en la velocidad del motor o del generador. Esto es útil, por ejemplo, para generadores utilizados en turbinas eólicas . [1] Además, los aerogeneradores basados 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 grandes turbinas eólicas de velocidad variable , porque la velocidad del viento puede cambiar repentinamente. Cuando una ráfaga de viento golpea una turbina eólica, las palas intentan acelerar, pero un generador síncrono está bloqueado a la velocidad de la red eléctrica y no puede acelerar. Por lo tanto, se desarrollan grandes fuerzas en el cubo, la caja de cambios y el generador a medida que la red eléctrica empuja hacia atrás. Esto provoca desgaste y daños al 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 varíe la velocidad de la turbina eólica es aceptar cualquier frecuencia que produzca el generador, convertirla a CC y luego convertirla a CA a la frecuencia de salida deseada utilizando un inversor . Esto es común en turbinas eólicas de casas pequeñas y granjas. Pero los inversores necesarios para las turbinas eólicas de escala de megavatios son grandes y caros.
Los generadores doblemente alimentados son otra solución a este problema. En lugar del habitual devanado de campo alimentado con CC y un devanado de armadura 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, para este tipo de máquinas se utiliza el término doblemente alimentado .
Un devanado está conectado directamente a la salida y produce energía CA trifásica a la frecuencia de red deseada. El otro devanado (tradicionalmente llamado campo, pero aquí ambos devanados pueden ser salidas) está conectado a una alimentación de CA trifásica a frecuencia variable. Esta potencia de entrada se ajusta en frecuencia y fase para compensar los cambios en la velocidad de la turbina. [4]
Ajustar la frecuencia y la fase requiere un convertidor de CA a CC a CA. Suele construirse a partir de semiconductores IGBT de gran tamaño . El convertidor es bidireccional y puede pasar energía en cualquier dirección. La energía puede fluir tanto desde este devanado como desde el devanado de salida. [5]
Con sus orígenes en los motores de inducción de rotor bobinado con conjuntos de devanados multifásicos en el rotor y el estator, respectivamente, que fueron inventados por Nikola Tesla en 1888, [6] el conjunto de devanados del rotor de la máquina eléctrica de doble alimentación está conectado a una selección de resistencias a través de Anillos colectores multifásicos para arranque. Sin embargo, el poder de deslizamiento se perdió en las resistencias. Por 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 alimentaba una máquina de CC conectada al eje de la máquina de anillos colectores. [7] Así, 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 poder 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 rotativa utilizada para el suministro del rotor era pesada y cara. La mejora a este respecto 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 utilizan un rectificador, el flujo de potencia sólo era posible fuera del rotor debido al rectificador no controlado. Además, como motor sólo era posible el funcionamiento subsincrónico.
Otro concepto que utilizaba un convertidor de frecuencia estático tenía 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 sobresincrónicas. Se han utilizado grandes máquinas doblemente alimentadas controladas por cicloconvertidor para hacer funcionar generadores monofásicos que alimentan 16+Red ferroviaria de 2 ⁄ 3 Hz en Europa. [10] Las máquinas accionadas por cicloconvertidores también pueden hacer funcionar las turbinas en plantas de almacenamiento por bombeo. [11]
Hoy en día, el cambiador de frecuencia utilizado en aplicaciones de hasta unas pocas decenas de megavatios consta de dos inversores IGBT conectados espalda con espalda.
También se han desarrollado varios conceptos sin escobillas para eliminar los anillos colectores que requieren mantenimiento.
Generador de inducción doblemente alimentado (DFIG), principio de generación muy utilizado en aerogeneradores . 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 y 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 mediante anillos colectores y un convertidor de fuente de voltaje consecutivo que controla las corrientes tanto del rotor como de la red. Por lo tanto, 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 alimentada 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). [13] Se ha demostrado que el DTC tiene una mejor estabilidad que el control vectorial de corriente, especialmente cuando se requieren altas corrientes reactivas del generador. [14]
Los rotores del generador de doble alimentación suelen estar bobinados con 2 o 3 veces el número de vueltas del estator. Esto significa que los voltajes del rotor serán mayores y las corrientes respectivamente menores. Por lo tanto, en el rango de velocidad operativa típico de ±30% alrededor de la velocidad síncrona, la corriente nominal del convertidor es en consecuencia menor, lo que conduce a un menor coste del convertidor. El inconveniente es que el funcionamiento controlado fuera del rango de velocidad operativa es imposible debido a la tensión del rotor superior a la nominal. Además, también se magnificarán los transitorios de tensión debidos a las perturbaciones de la red (especialmente caídas de tensión trifásicas y bifásicas). 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 palanca ). [15]
La palanca 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 una palanca activa [16] . La palanca activa puede cortar el rotor de forma 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. De esta forma, es posible generar corriente reactiva a la red durante el resto de la caída de tensión y de esta forma ayudar a la red a recuperarse del fallo. Para un recorrido de voltaje cero , es común esperar hasta que finalice la caída porque de lo contrario no es posible conocer el ángulo de fase donde se debe inyectar la corriente reactiva. [17]
Como 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 electrónico de potencia, el generador de inducción puede importar y exportar energía reactiva . Esto tiene importantes consecuencias para la estabilidad del sistema eléctrico y permite que la máquina soporte la red durante perturbaciones graves de tensión ( paso de baja tensión ; LVRT). [15] En segundo lugar, el control de los voltajes 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 durante condiciones de viento suave. En tercer lugar, el coste del convertidor es bajo en comparación con otras soluciones de velocidad variable porque sólo una fracción de la potencia mecánica, normalmente entre el 25% y el 30%, se alimenta a la red a través del convertidor, y el resto se alimenta a la red directamente desde el estator. . La eficiencia de la DFIG es muy buena por el mismo motivo.
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