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Un generador de inducción o generador asíncrono 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 girando mecánicamente sus rotores más rápido que la velocidad síncrona. Por lo general, un motor de inducción de CA normal se puede utilizar como generador, sin modificaciones internas. Los generadores de inducción son útiles en aplicaciones como mini centrales hidroeléctricas, turbinas eólicas o para reducir corrientes de gas de alta presión a una presión más baja, porque pueden recuperar energía con controles relativamente simples.
Un generador de inducción generalmente obtiene su potencia de excitación de una red eléctrica. Debido a esto, los generadores de inducción generalmente no pueden arrancar en negro un sistema de distribución desenergizado. A veces, sin embargo, se autoexcitan mediante el uso de condensadores de corrección de fase.
Principio de funcionamiento [ editar ]
Un generador de inducción produce energía eléctrica cuando su rotor gira más rápido que la velocidad síncrona . Para un motor típico de cuatro polos (dos pares de polos en el estator) que opera en una red eléctrica de 60 Hz, la velocidad síncrona es de 1800 revoluciones por minuto (rpm). El mismo motor de cuatro polos que opera en una red de 50 Hz tendrá una velocidad síncrona de 1500 RPM. El motor normalmente gira un poco más lento que la velocidad síncrona; la diferencia entre la velocidad síncrona y la de funcionamiento se denomina "deslizamiento" y generalmente se expresa como porcentaje de la velocidad síncrona. Por ejemplo, un motor que opera a 1450 RPM que tiene una velocidad síncrona de 1500 RPM está funcionando con un deslizamiento de + 3.3%.
En el funcionamiento normal del motor, la rotación del flujo del estator es más rápida que la rotación del rotor. Esto hace que el flujo del estator induzca corrientes de rotor, que crean un flujo de rotor con polaridad magnética opuesta al estator. De esta manera, el rotor se arrastra detrás del flujo del estator, con las corrientes en el rotor inducidas a la frecuencia de deslizamiento.
En el funcionamiento del generador, un motor primario (turbina o motor) impulsa el rotor por encima de la velocidad síncrona (deslizamiento negativo). El flujo del estator aún induce corrientes en el rotor, pero dado que el flujo del rotor opuesto ahora corta las bobinas del estator, se produce una corriente activa en las bobinas del estator y el motor ahora funciona como un generador, enviando energía de regreso a la red eléctrica.
Excitación [ editar ]
Un generador de inducción requiere una corriente de inducido suministrada externamente. Debido a que el campo del rotor siempre va por detrás del campo del estator , el generador de inducción siempre consume energía reactiva , independientemente de si está funcionando como generador o como motor.
Aún se requiere una fuente de corriente de excitación para magnetizar el flujo (potencia reactiva) para el estator, para inducir la corriente del rotor. Esta se puede suministrar desde la red eléctrica o, una vez que comienza a producir energía, desde el propio generador. El modo de generación de los motores de inducción se complica por la necesidad de excitar el rotor, que comienza solo con la magnetización residual. En algunos casos, esa magnetización residual es suficiente para autoexcitar el motor bajo carga. Por lo tanto, es necesario encajar el motor y conectarlo momentáneamente a una red viva o agregar condensadores cargados inicialmente por magnetismo residual y que proporcionen la potencia reactiva requerida durante el funcionamiento. 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 está dando energía activa a la red.[1] Otra desventaja del generador de motor de inducción es que consume una corriente de magnetización significativa I 0 = (20-35)%.
Un generador de inducción puede iniciarse cargando los condensadores, con una fuente de CC, mientras el generador gira normalmente a velocidades de generación o por encima de ellas. Una vez que se retira la fuente de CC, los condensadores proporcionarán la corriente de magnetización necesaria para comenzar a producir voltaje.
Un generador de inducción que ha estado funcionando recientemente también puede producir voltaje y corriente de manera espontánea debido al magnetismo residual que queda en el núcleo.
Poder activo [ editar ]
La potencia activa entregada a la línea es proporcional a deslizarse por encima de la velocidad síncrona. La potencia nominal total del generador se alcanza con valores de deslizamiento muy pequeños (depende del motor, típicamente 3%). A una velocidad sincrónica de 1800 rpm, el generador no producirá energía. Cuando la velocidad de conducción aumenta a 1860 rpm (ejemplo típico), se produce la potencia de salida completa. Si el motor primario no puede producir suficiente energía para impulsar completamente el generador, la velocidad permanecerá en algún lugar entre el rango de 1800 y 1860 rpm.
Capacitancia requerida [ editar ]
Un banco de condensadores 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 normalmente consume el generador cuando funciona como motor.
Torque contra deslizamiento [ editar ]
El fundamento básico de los generadores de inducción es la conversión de energía mecánica a energía eléctrica. Esto requiere un par externo aplicado al rotor para hacerlo girar más rápido que la velocidad síncrona. Sin embargo, un par creciente indefinidamente no conduce a un aumento indefinido en la generación de energía. El par de torsión 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) que puede funcionar hasta 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.
Corriente nominal [ editar ]
La potencia máxima que puede producir un motor de inducción operado como generador está limitada por la corriente nominal de los devanados del generador.
Conexiones de red e independientes [ editar ]
En los generadores de inducción, la potencia reactiva necesaria para establecer el flujo magnético del entrehierro es proporcionada por un banco de condensadores conectado a la máquina en el caso de un sistema autónomo y, en caso de conexión a la red, extrae energía reactiva de la red para mantener su espacio flujo. Para un sistema conectado a la red, la frecuencia y el voltaje en la máquina serán dictados por la red eléctrica, ya que es muy pequeña en comparación con todo el sistema. Para los sistemas autónomos, la frecuencia y el voltaje son una función compleja de los parámetros de la máquina, la capacitancia utilizada para la excitación y el valor y tipo de carga.
Usos [ editar ]
Los generadores de inducción se utilizan a menudo en turbinas eólicas y algunas micro instalaciones hidroeléctricas debido a su capacidad para producir energía útil a diferentes 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 .
Limitaciones [ editar ]
Un generador de inducción conectado a un sistema de condensadores puede generar suficiente potencia reactiva para funcionar por sí solo. Cuando la corriente de carga excede la capacidad del generador para suministrar energía reactiva de magnetización y energía de carga, el generador dejará de producir energía inmediatamente. Se debe quitar la carga y reiniciar el generador de inducción con una fuente de CC o, si está presente, con magnetismo residual en el núcleo. [2]
Los generadores de inducción son especialmente adecuados para las estaciones de generación eólica, 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.
Aplicación de ejemplo [ editar ]
Como ejemplo, considere el uso de un motor de inducción trifásico de 10 hp, 1760 r / min, 440 V como generador asíncrono. 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 triángulo:
- Potencia aparente S = √ 3 EI = 1,73 × 440 × 10 = 7612 VA
- Potencia activa P = S cos θ = 7612 × 0,8 = 6090 W
- Potencia reactiva Q = = 4567 VAR
Para que una máquina funcione como generador asíncrono, el banco de condensadores 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 triángulo.
- Corriente capacitiva Ic = Q / E = 1523/440 = 3.46 A
- Reactancia capacitiva por fase Xc = E / Ic = 127 Ω
Capacitancia mínima por fase:
- C = 1 / (2 * π * f * Xc) = 1 / (2 * 3.141 * 60 * 127) = 21 microfaradios.
Si la carga también absorbe potencia reactiva, se debe aumentar el tamaño del banco de condensadores para compensar.
La velocidad del motor primario debe usarse para generar una frecuencia de 60 Hz:
Por lo general, el deslizamiento debe ser similar al valor de carga completa cuando la máquina está funcionando como motor, pero negativo (operación del generador):
- si Ns = 1800, se puede elegir N = Ns + 40 rpm
- Velocidad requerida del motor primario N = 1800 + 40 = 1840 rpm.
Ver también [ editar ]
- Generador eléctrico
- Motor de inducción
Notas [ editar ]
- ^ Error de cita. Consulte el comentario en línea sobre cómo solucionarlo. [ verificación necesaria ]
- ^ Huassain, Ashfaq. Máquinas eléctricas . Dhanpat Rai y compañía p. 411.
Referencias [ editar ]
- Máquinas eléctricas, accionamientos y sistemas de potencia , 4ª edición, Theodore Wildi, Prentice Hall, ISBN 0-13-082460-7 , páginas 311–314.
Enlaces externos [ editar ]
- Prueba de generador asíncrono autónomo y conectado a la red
