Máquina eléctrica de doble alimentación

Las máquinas eléctricas de doble alimentación también son generadores de anillos deslizantes que son motores eléctricos o generadores eléctricos , en los que tanto los devanados magnéticos de campo como los devanados del inducido se conectan por separado a equipos externos a la máquina.

Al alimentar energía de CA 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] Los aerogeneradores basados ​​en DFIG, debido a su flexibilidad y capacidad para controlar la potencia activa y reactiva , son casi la tecnología de aerogeneradores más interesante. ^{[2] [3]}

Introducción

Generador doblemente alimentado para aerogenerador.

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 por encima o por debajo de 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. Se desarrollan fuerzas tan grandes en el eje, la caja de cambios y el generador a medida que la red eléctrica retrocede. Esto causa desgaste y daño al mecanismo. Si se permite que la turbina se 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.

Un enfoque para 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 para las turbinas eólicas de casas pequeñas y granjas. Pero los inversores necesarios para las turbinas eólicas 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 CC, 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 fuera del generador. Así, el término doblemente alimentado se utiliza para este tipo de máquinas.

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 corriente alterna 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]

El ajuste de la frecuencia y la fase requiere un convertidor de CA a CC a CA. Por lo general, se construye 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]

Historia

Con sus orígenes en los motores de inducción de rotor bobinado con conjuntos de bobinado multifásico en el rotor y el estator, respectivamente, que fue inventado por Nikola Tesla en 1888, ^[6] el conjunto de bobinado del rotor de la máquina eléctrica de doble alimentación está conectado a una selección de resistencias. a través de anillos colectores multifásicos para el arranque. Sin embargo, la potencia 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 deslizantes. ^[7]Por lo tanto, la potencia de deslizamiento se devolvió como potencia mecánica y el accionamiento pudo 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 de circulación adicional. Este inconveniente se corrigió en el variador Scherbius , donde la potencia de deslizamiento se realimenta a la red de CA mediante grupos electrógenos de motor. ^{[8] [9]}

La maquinaria rotativa utilizada para el suministro del rotor era pesada y cara. La mejora a este respecto fue la unidad Scherbius estática, donde el rotor estaba conectado a un conjunto rectificador-inversor construido primero por dispositivos basados ​​en arco de mercurio y luego con diodos semiconductores y tiristores. En los esquemas que usan un rectificador, el flujo de energía solo era posible fuera del rotor debido al rectificador no controlado. Además, solo era posible el funcionamiento sub-síncrono como motor.

Otro concepto que utilizaba un convertidor de frecuencia estático tenía un cicloconvertidor conectado entre el rotor y la red de CA. El cicloconvertidor puede alimentar energía en ambas direcciones y, por lo tanto, la máquina puede funcionar a velocidades sub y sobreincrónicas. Se han utilizado grandes máquinas doblemente alimentadas controladas por cicloconvertidor para hacer funcionar generadores monofásicos que alimentan  la red ferroviaria de 16 + 2 ⁄ 3 Hz en Europa. ^{[10] Las} máquinas accionadas por cicloconvertidor también pueden hacer funcionar las turbinas en plantas de almacenamiento por bombeo. ^[11]

En la actualidad, 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 deshacerse de los anillos colectores que requieren mantenimiento.

Generador de inducción de doble alimentación

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 devanado multifásico y un conjunto de anillo colector multifásico con escobillas para acceder a los devanados del rotor. Es posible evitar el ensamblaje de anillos colectores multifase, pero existen problemas de eficiencia, costo y tamaño. Una mejor alternativa es una máquina eléctrica sin escobillas de rotor bobinado y doble alimentación. ^[12]

Principio de un generador de inducción de doble alimentación conectado a una turbina eólica

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 adosado que controla tanto el rotor como las corrientes de la red. Por tanto, la frecuencia del rotor puede diferir libremente de la frecuencia de la red (50 o 60 Hz). Utilizando 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]El DTC ha demostrado tener 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 se enrollan típicamente con 2 a 3 veces el número de vueltas del estator. Esto significa que los voltajes del rotor serán más altos y las corrientes, respectivamente, más bajas. Por lo tanto, en el rango típico de velocidad operativa de ± 30% alrededor de la velocidad síncrona, la corriente nominal del convertidor es por consiguiente menor, lo que conduce a un menor coste del convertidor. El inconveniente es que la operación controlada fuera del rango de velocidad operativa es imposible debido a la tensión del rotor superior a la nominal. Además, los transitorios de voltaje debido a las perturbaciones de la red (caídas de voltaje trifásicas y bifásicas, especialmente) también se ampliarán. Para evitar que los altos voltajes del rotor (y las altas corrientes resultantes de estos voltajes) destruyan los diodos y transistores bipolares de puerta aisladadel convertidor, se utiliza un circuito de protección (llamado palanca ). ^[15]

La palanca provocará un cortocircuito en los devanados del rotor a través de una pequeña resistencia cuando se detecten corrientes o voltajes excesivos. Para poder continuar la operación lo más rápidamente posible ^, se debe utilizar una palanca activa ^[16] . La palanca activa puede eliminar el cortocircuito del rotor de forma controlada y, por lo tanto, el convertidor del lado del rotor se puede iniciar solo después de 20–60 ms desde el inicio de la perturbación de la red cuando la tensión restante se mantiene por encima del 15% de la tensión nominal. Así, 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 de la falta. 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 y doble alimentada y tiene varias ventajas sobre una máquina de inducción convencional en aplicaciones de energía eólica. Primero, como el circuito del rotor está controlado por un convertidor de electrónica de potencia, el generador de inducción puede importar y exportar energía reactiva . Esto tiene consecuencias importantes para la estabilidad del sistema de energía y permite que la máquina soporte la red durante perturbaciones severas de voltaje ( conducción de bajo voltaje ; 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 que la velocidad del aerogenerador varía. Una turbina eólica de velocidad variable utiliza el recurso eólico disponible de manera más eficiente que una turbina eólica de velocidad fija, especialmente en condiciones de viento ligero. En tercer lugar, el costo del convertidor es bajo en comparación con otras soluciones de velocidad variable porque solo una fracción de la potencia mecánica, típicamente del 25 al 30%, se alimenta a la red a través del convertidor, el resto se alimenta a la red directamente desde el estator. . La eficiencia del DFIG es muy buena por la misma razón.

Referencias

1. "Generadores para turbinas eólicas Serie de generadores de anillo colector estándar para concepto de doble alimentación de 1,5 a 3,5 MW" (PDF) . ABB . 2014 . Consultado el 24 de abril de 2018 .
2. MJ Harandi, SG Liasi y MT Bina, " Compensación del flujo transitorio del estator durante fallas simétricas y asimétricas mediante flujo virtual basado en la corriente de desmagnetización en turbinas eólicas DFIG ", Conferencia internacional sobre sistemas de energía (PSC) de 2019, Teherán, Irán, 2019, págs. 181-187, doi : 10.1109 / PSC49016.2019.9081565 .
3. M. Niraula y L. Maharjan, “Control de frecuencia variable del estator de DFIG autónomo con salida rectificada por diodo”, V Simposio internacional sobre energías y aplicaciones respetuosas con el medio ambiente (EFEA), 2018.
4. S. MÜLLER; S.; et al. (2002). "Sistemas generadores de inducción doblemente alimentados para aerogeneradores" (PDF) . Revista de aplicaciones industriales IEEE . IEEE. 8 (3): 26–33. doi : 10.1109 / 2943.999610 .
5. L. Wei, RJ Kerkman, RA Lukaszewski, H. Lu y Z. Yuan, "Análisis de las capacidades de ciclo de potencia IGBT utilizadas en el sistema de energía eólica del generador de inducción doblemente alimentado", Congreso y exposición de conversión de energía IEEE 2010, Atlanta, GA, 2010 , págs. 3076-3083, doi : 10.1109 / ECCE.2010.5618396 .
6. "Electrónica de potencia - Wiki de historia de la ingeniería y la tecnología" . ethw.org .
7. Leonhard, W .: Control de accionamientos eléctricos. 2ª Ed. Springer 1996, 420 páginas. ISBN 3-540-59380-2 . 
8. Shively, EK; Whitlow, Geo. S. (1932). "Control automático para convertidores de frecuencia de relación variable". Transacciones del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos . 51 : 121-127. doi : 10.1109 / T-AIEE.1932.5056029 .
9. Liwschitz, MM; Kilgore, LA (1942). "Un estudio de Kramer modificado o variador de velocidad en cascada asíncrono-síncrono". Transacciones del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos . 61 (5): 255–260. doi : 10.1109 / T-AIEE.1942.5058524 .
10. Pfeiffer, A .; Scheidl, W .; Eitzmann, M .; Larsen, E. (1997). "Convertidores rotativos modernos para aplicaciones ferroviarias". Actas de la Conferencia de Ferrocarriles Conjuntos IEEE / ASME de 1997 . págs. 29–33. doi : 10.1109 / RRCON.1997.581349 . ISBN 0-7803-3854-5.
11. A. Bocquel, J. Janning: variador de velocidad de 4 * 300 MW para aplicaciones en plantas de almacenamiento por bombas. Conferencia EPE 2003, Toulouse.
12. "Resumen del estado de investigación y desarrollo del sistema de máquina de doble alimentación sin escobillas". Revista China de Ingeniería Eléctrica . Sociedad China de Ingeniería Eléctrica . 2 (2). Diciembre de 2016.
13. Patente de EE. UU. 6,448,735
14. Niiranen, Jouko (2008). "Sobre las medidas de potencia activa y reactiva en las pruebas de funcionamiento por caída de tensión asimétrica". Energía eólica . 11 (1): 121-131. Código Bibliográfico : 2008WiEn ... 11..121N . doi : 10.1002 / we.254 .
15. MJ Harandi, S. Ghaseminejad Liasi, E. Nikravesh y MT Bina, "Una estrategia de control mejorada para la conducción de bajo voltaje DFIG mediante el método de desmagnetización óptimo", 10th International Power Electronics, Drive Systems and Technologies Conference (PEDSTC) de 2019 , Shiraz, Irán, 2019, págs. 464-469, doi : 10.1109 / PEDSTC.2019.8697267 .
16. una palanca activa : por ejemplo, patente de EE. UU. 7,164,562
17. Seman, Slavomir; Niiranen, Jouko; Virtanen, Reijo; Matsinen, Jari-Pekka (2008). "Análisis de funcionamiento de baja tensión de aerogenerador DFIG de 2 MW - validaciones de cumplimiento del código de red". Reunión General de la Sociedad de Energía y Energía de IEEE 2008 - Conversión y Entrega de Energía Eléctrica en el Siglo XXI . págs. 1–6. doi : 10.1109 / PES.2008.4596687 . ISBN 978-1-4244-1905-0.

enlaces externos

• Dufour, Christian; Bélanger, Jean (2004). "Simulación en tiempo real de un generador de inducción de doble alimentación para aplicaciones de turbinas eólicas" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2011-01-05 . Consultado el 17 de febrero de 2011 .
• Roberts, Paul C. (2004). "Estudio de máquinas sin escobillas de doble alimentación (inducción); contribuciones en el análisis, diseño y control de máquinas" (PDF) . Emmanuel College, Universidad de Cambridge. Archivado desde el original (PDF) el 19 de marzo de 2013.