Generador de inducción: tipos y principio de funcionamiento | Principio de funcionamiento del generador de imanes permanentes.

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Un generador de inducción es un tipo de generador asíncrono, lo que significa que la forma de onda generada no está sincronizada con la velocidad de rotación. Los generadores de inducción son muy utilizados en aerogeneradores y algunas pequeñas instalaciones hidroeléctricas debido a su sencillez.

Otro tipo de generador asíncrono es el generador de imanes permanentes. Los generadores de imanes permanentes son simples y confiables y pueden operar a baja velocidad, por lo que son adecuados para su uso con turbinas eólicas.

Con la llegada de los imanes permanentes de alta potencia, muchos fabricantes de aerogeneradores eligen generadores de imanes permanentes de baja velocidad para grandes aerogeneradores. Los generadores de imanes permanentes y de inducción se tratan en esta sección.

Conceptos básicos de la máquina de inducción

Un generador de inducción es una máquina eléctrica asíncrona que puede funcionar como motor o como generador.

En el caso de un motor asíncrono, el rotor gira menos que la velocidad síncrona del campo; como generador, gira más rápido que la velocidad síncrona.

Un generador de inducción siempre arranca como un motor de inducción, el tipo de motor más común en el mundo. Como sabes, un motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica, mientras que un generador hace lo contrario.

yo Motor de inducción, el rotor siempre trata de seguir un campo giratorio en el estator (la velocidad síncrona), que crea la corriente alterna aplicada. El rotor gira y no gira tan rápido como este campo magnético giratorio; si el rotor pudiera ponerse al día, no se generaría par porque no habría movimiento relativo entre el rotor y el campo.

yo motorla corriente alterna aplicada al estator se convierte en potencia rotatoria mecánica tomada del rotor (por lo tanto, es la armadura).

El deslizamiento es la diferencia de velocidad entre la velocidad del rotor y la velocidad síncrona del campo giratorio del estator; a medida que aumenta la carga en un motor, aumenta el deslizamiento y el motor se ralentiza.

El par máximo depende del motor, pero alrededor del 80% de la velocidad es síncrona.

Las máquinas de inducción utilizan dos tipos básicos de rotor.

Un tipo común de rotor es el rotor de jaula de ardilla, nombrado hace muchos años por su parecido con una rueda de ejercicio para una ardilla mascota. Figura 1 muestra un rotor de jaula de ardilla, cada extremo del cual tiene barras de aluminio unidas para la propulsión.

Las barras están incrustadas en un núcleo de hierro, lo que produce una trayectoria magnética de baja reluctancia. Cuando se aplica corriente alterna al estator, se induce un voltaje en cada barra del rotor. El voltaje viene dado por la siguiente ecuación:

Figura 1 Rotor de jaula de ardilla. En los motores, este tipo de rotor es el inducido; en generador, genera el campo.

El rotor tiene poca resistencia a la corriente porque las barras conductoras están cortocircuitadas en los anillos de los extremos; por lo tanto, se desarrolla una alta corriente.

esto es actual crea polos magnéticos en el rotor que son atraídos por el campo magnético giratorio en el estator por el campo magnético inducido en el rotor.

Con ese, el rotor es impulsado por el campo del estator que se mueve a una velocidad cercana a la velocidad del campo giratorio. El rotor trata de seguir el campo rotatorio pero no puede (si lo hiciera, el movimiento relativo sería cero y no ocurriría voltaje).

Este es el funcionamiento normal de cualquier motor de inducción de CAsimilar al que se encuentra en el motor de un electrodoméstico como un refrigerador o una lavadora.

Otro tipo de rotor es el rotor bobinado.que es más común en una máquina trifásica.

Una máquina trifásica generalmente tiene tres fases en el rotor conectadas en una configuración de estrella y montadas sobre un núcleo de hierro.

Los devanados están conectados con anillos colectores y escobillas. El rotor bobinado tiene la opción de conectar resistencias externas en los devanados para limitar la corriente al arrancar; esta configuración es útil en grandes máquinas de inducción.

Para el funcionamiento normal, las resistencias se cortocircuitan al poner en cortocircuito las escobillas. El rotor bobinado tiene la ventaja de poder cambiar la velocidad cambiando la resistencia.

También tiene un par de arranque más alto que un rotor de jaula de ardilla debido a la cantidad de bobinados. Los rotores bobinados se utilizan en generadores de doble alimentación en turbinas eólicas.

Generador de inducción de alimentación única en el trabajo

Si en lugar de tomar energía mecánica del rotor, este último es impulsado por una fuerza motriz como el viento, puede moverse más rápido que la velocidad síncrona y comienza a producir energía eléctrica en lugar de consumirla. Con eseel motor de inducción básico se convierte en un generador de inducción.

La energía eléctrica ahora se toma del estator, que ahora se convierte en la armadura. Debido a esta naturaleza dual, a veces se hace referencia a una máquina de inducción como motor/generador.

Todos los generadores requieren un campo magnético de alguna forma de corriente excitante o imán permanente.

En el caso del generador de inducción, después de correr la velocidad síncrona, el campo magnético es inducido en el rotor por la corriente alterna aplicada al estator.

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Un motor principal, como el viento, hace girar el rotor más rápido que la velocidad síncrona y se genera energía, que envía energía de regreso a la red desde los devanados del estator.

Los generadores de inducción más simples, que utilizan la jaula de ardilla descrita anteriormente, se denominan generadores de inducción de alimentación única (SFIG).

Debido a que las máquinas de inducción de jaula de ardilla parecen inductivas, se agregan capacitores de corrección del factor de potencia a los generadores.

tambiéna menudo se utiliza un arranque suave para reducir la corriente de irrupción durante el arranque. Figura 2 muestra un sistema SFIG básico utilizado en una turbina eólica.

Generador de inducción de alimentación única

Figura 2 Un generador de inducción de alimentación única básico (SFIG) utilizado en una turbina eólica

imagen 3 muestra una vista transversal de una pequeña SFIG para una turbina eólica. Tenga en cuenta que el rotor está colocado cerca del estator para reducir el espacio de aire.

Las partes principales son el estator, que contiene los devanados del inducido; el rotor de jaula de ardilla, que proporciona el campo giratorio; y las placas de los extremos, que contienen los cojinetes que soportan los extremos del eje del rotor.

Los terminales eléctricos del generador están ubicados en la caja de terminales del generador para que las conexiones se puedan realizar fácilmente.

Una vista esquemática de un generador de inducción.

imagen 3 Una vista esquemática de un generador de inducción.

Como generador, el rotor gira más rápido que la velocidad síncrona, lo que se denomina deslizamiento negativo.

La velocidad síncrona es inversamente proporcional al número de polos; si un generador tiene más polos, tendrá una frecuencia síncrona más baja.

Para un generador de cuatro polos con una salida de 50 Hz, la velocidad síncrona es 1500 rpm; para una salida de 60 Hz, está por encima 1.800 rpm. Si se duplica el número de polos, estas velocidades síncronas se reducen a la mitad.

Convertir una turbina eólica lenta a una de mayor velocidad generalmente requiere agregar una caja de cambios al sistema o agregar muchos polos al generador.

Para producir energía, la velocidad del viento debe ser mayor que la velocidad de transferencia; de lo contrario, el motor/generador actúa como su motor.

Cuando los generadores de inducción se utilizan en turbinas eólicas más grandes, se diseñan como máquinas de corriente alterna trifásica. El voltaje alterno generalmente se incrementa a 12,470 V o más y se conecta al la red.

Figura 4 muestra un generador de inducción trifásico de 40 kW (promedio) para una turbina eólica. El generador tiene 0,7 m de largo.

Las bobinas del estator son bobinas de armadura de un generador de inducción y los extremos de estas bobinas están conectados a terminales accesibles en una caja de terminales.

En una verdadera máquina de inducción, el rotor crea el campo magnético solo por inducción cuando pasa por las bobinas fijas, por lo que no se requieren anillos deslizantes ni escobillas. Él es una gran ventaja donde el mantenimiento mínimo es importante.

Otra ventaja es una seguridad para los generadores de inducción. Si falla la red, el generador pierde su campo y se apaga, por lo que no puede enviar energía a la red.

el es inconveniencia para los generadores de inducción son menos eficientes que los generadores síncronos.

Un generador de inducción para un aerogenerador

Figura 4 Generador de inducción de cuarenta kW para aerogenerador

Funcionamiento del generador de inducción de doble alimentación (doble excitación).

Al igual que con las máquinas de alimentación única, las máquinas de alimentación doble pueden funcionar como motor o como generador. como motorson útiles para accionar dispositivos de velocidad variable como ciertas herramientas o bombas.

El Generador de Inducción de Doble Fase (DFIG) es particularmente útil para turbinas eólicas y se usa en muchas turbinas más grandes.

Un generador de inducción de doble alimentación conectado a una fuente de CA diferente tiene un rotor devanado que el estator. Suele tener un rotor bobinado trifásico conectado a escobillas y ropa interior suena en una fuente de corriente alterna secundaria cuya frecuencia, fase y voltaje se pueden controlar.

Si el secundario campo 0, entonces el DFIG actúa como un generador asíncrono, y la frecuencia de salida depende estrictamente de la velocidad de rotación del rotor y el número de polos.

Cuando el rotor un secundario frecuencia incluida, la velocidad de rotación del campo magnético es una combinación de la velocidad del rotor y la corriente alterna alimentada al rotor.

La velocidad de rotación del campo magnético se puede aumentar o disminuir cambiando la fase de la corriente alterna al rotor.

Si el campo magnético gira debido a la corriente alterna aplicada al rotor en la misma dirección en que se mueve el rotor, la frecuencia transmitida en el estator es mayor; por el contrario, si gira en sentido contrario al movimiento del rotor, la frecuencia inducida en el estator es menor.

La conclusión es que la velocidad de rotación neta del campo magnético se puede controlar estrictamente para generar una coincidencia exacta con la frecuencia del estator y, por lo tanto, la sincronización con la frecuencia de la red a pesar de los cambios en la velocidad del rotor. Esta es una ventaja significativa para turbinas eólicas porque el rotor puede cambiar para seguir vientos cambiantes sin afectar la frecuencia de salida de la red.

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La frecuencia secundaria se suministra directamente al rotor mediante anillos rozantes y escobillas, sin las pérdidas que se producen cuando el rotor recibe su tensión por inducción.

El controlador determina las mejores características de CA para el rotor y también controla el paso de las palas, lo que determina la velocidad del rotor y maximiza la potencia para las condiciones dadas.

El estator está conectado directamente a la línea de alimentación, por lo que es de 50 Hz o 60 Hz, según lo que esté en uso en esa ubicación en particular. Se muestra un diagrama de bloques de un sistema DFIG típico Figura 5.

Generador de inducción de doble alimentación

Figura 5 Generador de inducción de doble alimentación. El generador de inducción de doble alimentación puede mantener una coincidencia exacta de frecuencia de red para devolver electricidad a la red.

El DFIG es más complejo que un solo generador de alimentación y, por lo tanto, tiene un costo más alto, pero tiene una eficiencia general más alta que un SFIG y puede recolectar energía a diferentes velocidades del viento.

También es muy útil cuando la cantidad de energía excede ocasionalmente la potencia nominal de la máquina. Normalmente, otros generadores deben desconectarse (u operarse con carga reducida) si se exponen a condiciones que excedan la potencia nominal.

Cuando se usa un DFIG, el generador puede aceptar potencia de entrada adicional; se permite que el generador se acelere durante un corto período de tiempo y continúa produciendo la frecuencia de la red. Esta operación continua mejora la eficiencia general del generador.

Figura 6 Pruebas de vibración

Una de las pruebas más importantes para cualquier generador es equilibrar el generador para garantizar que la vibración del rotor esté dentro de los límites aceptables.

Las pruebas deben incluir pruebas de sobrevelocidad máxima. Los diseñadores deben especificar los requisitos de equilibrio y rigidez del eje, y los técnicos de prueba confirman que el generador funciona dentro de esas especificaciones.

Su muerte factores de control importantes lo que hace que el generador de inducción de doble alimentación sea ampliamente utilizado en turbinas eólicas y sistemas microhidroeléctricos que su el convertidor ac-dc-ac se utiliza para controlar la frecuencia del voltaje suministrado al rotor.

Los anillos deslizantes y las escobillas de este sistema solo llevan corriente al campo; algo de energía se produce a través del rotor, pero es solo alrededor del 20% del total.

Dado que la corriente del rotor es pequeña en comparación con la corriente total, las escobillas pueden ser más pequeñas y, por lo tanto, menos desgastadas.

Si el generador de inducción de doble alimentación se usa con una turbina eólica, puede producir energía con una frecuencia de servicio constante a velocidades del viento de 6 a 50 mph. permite esto la turbina eólica para aceptar las ráfagas de viento y permite que las palas extraigan la energía extra cuando la velocidad del viento es muy alta, lo que mejora la eficiencia de la turbina eólica.

Si la turbina eólica es muy grande (2 MW o más), el sistema de control puede incorporar configuraciones individuales de las palas de la turbina eólica y configuraciones de guiñada direccional de la góndola para extraer la máxima cantidad de viento disponible.

El generador de inducción de doble alimentación también se usa en microgeneración hidroeléctrica y otros sistemas de energía renovable donde la velocidad del generador puede ser variable.

Generador de inducción de velocidad variable

Otra opción para manejar diferentes velocidades del viento es una configuración de generador llamada Generador de inducción de velocidad variable (VSIG), que utiliza un gran número de polos y sin necesidad de caja de cambioscon pérdidas asociadas y problemas de mantenimiento.

La carga mecánica en la cadena cinemática se reduce así porque el generador está completamente desacoplado de la red. La configuración utiliza excitación eléctrica o de imanes permanentes y permite que el generador optimice la potencia a una frecuencia no controlada.

Un convertidor de frecuencia a gran escala realiza la compensación de potencia reactiva y la conversión de CA de grado de red. Para las turbinas eólicas, el sistema puede aprovechar las velocidades del viento de entrada desde unas pocas millas por hora durante el arranque hasta vientos de más de 40 millas por hora.

el es inconveniencia es decir, el convertidor de potencia electrónico y el gran generador multipolar son caros. Imagen 7 Muestra un diagrama de bloques del sistema.

Generador de inducción de velocidad variable

Imagen 7 Generador de inducción de velocidad variable. Un generador de inducción de velocidad variable utiliza un convertidor de frecuencia electrónico de escala completa para igualar la frecuencia de la red.

Generador de imanes permanentes en funcionamiento

El generador de imanes permanentes (PM) se basa en un imán permanente muy fuerte para proporcionar el campo magnético giratorio original al generador.

El rotor de este generador es un imán permanente muy potente que emite i siempre un campo magnético muy fuerte. El estator consta de bobinas de alambre ubicadas en la parte estacionaria del generador.

Generador de imanes permanentes de baja velocidad

Figura 8 Generador de imanes permanentes de baja velocidad

Este generador de imán permanente de velocidad permanente puede producir energía de hasta 4,25 MW y puede soportar sobrecargas durante períodos de tiempo limitados.

Los generadores de imanes permanentes utilizan costosos imanes de neodimio de tierras raras y pueden tener rotores internos o externos.

Cuando el rotor comienza a girar, el campo magnético pasa a través de las bobinas del estator y se genera un voltaje en la bobina del estator. Dado que las bobinas del estator están en la parte estacionaria del generador, las conexiones eléctricas permanentes en el extremo terminal de cada bobina permiten eliminar el voltaje de las bobinas del estator sin escobillas ni anillos colectores.

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el es ventaja principal El generador PM tiene un diseño simple (no necesita un excitador). Requiere muy poco mantenimiento ya que puede ser completamente impermeable y no utiliza cepillos.

Imagen 9 muestra las partes internas de un generador de imanes permanentes utilizado en una turbina eólica.

generador de imanes permanentes

Imagen 9 generador de imanes permanentes

Los primeros generadores PM eran pequeños generadores que se usaban principalmente para cargar baterías, o se usaban con un pequeño inversor para proporcionar corriente alterna de baja potencia.

Hoy en día, los generadores PM se utilizan en turbinas eólicas de varios tamaños, incluidas las turbinas eólicas muy grandes, como las turbinas marinas.

Algunas turbinas eólicas son turbinas eólicas de transmisión directa de baja velocidad que giran entre 11 y 17 rpm y producen hasta 4,25 MW.

Otras turbinas eólicas que usan generadores PM pueden usar cajas de engranajes de una o dos etapas que hacen girar el generador de 150 a 400 rpm y producen 3,2 MW, o pueden usar dos o tres etapas que giran entre 1000 y 1500 rpm y producir. hasta 1,6 MW. .

Cuando el generador PM se utiliza en un aerogenerador, no se controla la velocidad de las palas y produce corriente alterna monofásica o trifásica a tensión y frecuencia variables.

Dado que el voltaje de salida y la frecuencia del generador PM varían con su velocidad de rotación, se usa un convertidor de potencia total (FPC) para proporcionar electricidad trifásica a una frecuencia fija y niveles de voltaje correspondientes a la red.

El FPC utiliza transformadores de servicio pesado y adaptadores de línea para garantizar que la energía cumpla con los estrictos requisitos de la red en cuanto a armónicos, parpadeo y cruce de fallas.

tabla 1 compara los generadores discutidos en este artículo en función de sus ventajas, desventajas y algunas características básicas.


generador de corriente continua
Generador de inducción de CA (asíncrono)Generador de inducción de doble alimentaciónGenerador síncrono con excitatrizGenerador síncrono con rotor de imanes permanentesgenerador de imanes permanentes
VentajasNo se requiere control de frecuencia; la salida es CCDiseño simplificado; pocas partes; libreProporciona un voltaje de salida controlado por frecuenciaProporciona un voltaje de salida controlado por frecuenciaProporciona una frecuencia controlada pero no requiere un excitador, anillos colectores o escobillas.Diseño simplificado; pocas partes; No se requiere voltaje de CC para la excitación
DesventajasLas escobillas y el conmutador se desgastan periódicamenteFrecuencia no controladaSe requiere tensión de red para excitar el campo.Requiere tensión de excitación, escobillas y anillos colectoresDifícil de desmontar debido al imán permanenteFrecuencia no controlada
control de frecuenciaSin frecuencia; la salida es un voltaje de CCSin controlControlado proporcionando una frecuencia fija al campoComprobado durante la sincronizaciónComprobado durante la sincronizaciónSin control
Velocidad del rotorVariableVariableVariableconstanteconstanteVariable
Escobillas y Anillos ColectoresNo esNo, usa inducciónEs posible si no se utilizan imanes permanentes para el campo.No, usa un imán permanenteNo, usa un imán permanente
Escobillas y conmutadorNo esNo esNo esNo esNo es
Requiere voltaje externo o excitadorNo esNo esNo esNo esNo es

tabla 1 Comparación de diferentes generadores.

Preguntas de revisión

  1. ¿Cuáles son las partes principales de un generador de inducción asíncrono?
  2. ¿Cómo produce energía eléctrica un generador de doble alimentación a una frecuencia fija?
  3. ¿Cuál es la diferencia entre un rotor de jaula de ardilla y un rotor bobinado?
  4. Nombre algunas de las funciones de un generador de inducción de velocidad variable.

respuestas

  1. Las partes principales de un generador de inducción asíncrono son un rotor (hecho de bucles eléctricos, cableados o en forma de jaula de ardilla, accionado por un motor principal a una velocidad algo superior a la sincrónica); estator (que es un campo eléctrico giratorio que proporciona corriente alterna); y los rodamientos, ventiladores y carcasa habituales.
  2. Un generador de doble alimentación es un generador de campo giratorio conectado a dos fuentes de corriente alterna: una en el rotor devanado y otra en el estator. La corriente alterna del rotor se alimenta a través de anillos colectores y escobillas desde una fuente de corriente alterna controlada que se combina con la velocidad del rotor para producir una rotación neta del campo que coincide directamente con la frecuencia del estator. El estator está conectado a la línea de distribución de CA.
  3. Un rotor de jaula de ardilla consta de una jaula de aluminio con barras conductoras sujetas a un anillo en cada extremo. La jaula rodea un núcleo de hierro que proporciona un camino para el campo magnético. Un rotor devanado tiene un devanado de alambre en lugar de una jaula de aluminio.
  4. Se puede usar un generador de inducción de velocidad variable en una turbina eólica que convierte la salida de CC y vuelve a CA de grado de red mediante un inversor. También es útil en aplicaciones de red independientes.
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