Tipos de Aerogeneradores y Componentes Electrónicos

Tipos de Aerogeneradores

Aerogeneradores de Velocidad Fija

Este tipo de aerogeneradores, utilizados para la conversión de la energía mecánica del viento en energía eléctrica, emplean máquinas de inducción o asíncronas como generadores. El estator en una máquina de inducción está constituido por bobinados de cobre para cada fase, al contrario que los del rotor cortocircuitado o jaula de ardilla, que no tienen bobinados.

Para su funcionamiento, las máquinas de inducción requieren potencia reactiva proveniente de la red o de un banco de condensadores. Además, necesitan una frecuencia constante para generar el campo magnético rotativo. En su funcionamiento como generador, el rotor eólico acelera la máquina síncrona hasta la velocidad de sincronismo y luego se conecta a la red. Una vez alcanzada esta velocidad, la potencia eólica extraída hace que el rotor funcione en modo hipersíncrono, con deslizamiento negativo, entregando potencia a la red.

Aerogeneradores de Velocidad Variable

Generador Asíncrono con Resistencia Variable

Con la resistencia se puede obtener una variación del par del generador y de la velocidad a la que este se suministra. Esto permite funcionar en el punto óptimo de TSR en función del viento. Además, con velocidades de viento elevadas se puede aumentar la resistencia y con ello mantener la potencia inyectada en la red cerca de la nominal. De este modo, el exceso de energía mecánica se disipa en forma de calor en la resistencia.

Configuración Doblemente Alimentado

Para no perder la potencia disipada en forma de calor en la resistencia, se pone un convertidor de potencia entre el rotor y la red, invirtiendo la potencia excedente en continua y luego volviéndola a alterna para inyectarla en la red. La potencia activa es siempre inyectada en la red, da igual si funciona como motor o generador. Además, es posible controlar la potencia reactiva. El generador proporciona a la red 2/3 de la potencia nominal mediante conexión directa del estator y 1/3 mediante el rotor. El convertidor de potencia tiene una capacidad de 1/3 de la nominal.

Generador Asíncrono y Convertidor (Cortocircuitado)

Un generador de jaula de ardilla con un convertidor entre el generador y la red para controlar la velocidad del rotor. A diferencia del anterior, el convertidor debe gestionar la totalidad de la potencia generada y necesita potencia reactiva aportada por el convertidor para funcionar.

Generador Síncrono y Convertidor

Consiste en un rotor que se excita con corriente continua. Las palas hacen girar el rotor, lo cual genera una tensión en el estator. Si se excita el estator, se induce en él un campo magnético fijo, pero como el rotor está girando, se obtiene tensión alterna en el rotor. Es más fácil sacar corriente por el estator (parte fija) que por el rotor (parte móvil). Con imanes, el campo magnético es constante y sustituyen a la corriente continua. No necesitan conexión a la red, no necesitan reactiva y no existe deslizamiento.

Fundamento de los Generadores de Jaula de Ardilla

El fundamento de los generadores de jaula de ardilla es mantener en todo momento la relación V/F constante, con lo que se consigue que se pueda variar la velocidad sin aumentar la intensidad en el rotor y que el par se mantenga constante en la zona de no saturación, es decir, hasta la tensión y frecuencia nominales del motor. A frecuencias mayores a la nominal, la velocidad se puede modificar, pero el par empieza a bajar, ya que no es posible aumentar la tensión por encima de la nominal y, por tanto, la relación V/F deja de ser constante y cada vez es más pequeña. Para frecuencias muy bajas tampoco se cumple la relación V/F constante, ya que si no, no habría tensión para hacer funcionar la máquina a esa velocidad.

Componentes Electrónicos

Condensador

Consta de dos placas o láminas conductoras separadas por un dieléctrico que presentan en su conjunto la propiedad eléctrica de capacidad.

Capacidad

Propiedad de un circuito eléctrico para retardar la variación de tensión que aparece entre sus bornes.

Capacidad (F) = Carga (C) / Tensión (V) (condensador como filtro)

Condensadores en Serie

Las cargas son iguales y la tensión es inversamente proporcional según la fórmula.

Carga y Descarga

Durante la carga, los electrones en las placas del condensador se desplazan de una placa a otra por el efecto que se produce en el generador. Esto da lugar a una carga positiva en la placa A y otra negativa en la placa B. Este proceso dura hasta que el condensador esté completamente cargado.

T=0 (Vr = I*R ---- Vc = 0) T=inf (Vr = 0 ---- Vc = V) tawn = R * C

Para T=0, si se parte del condensador descargado, la tensión de carga en el condensador es 0 y la intensidad = V_ab/R. Para un tiempo infinito, la tensión en el condensador alcanza el valor de la tensión de la fuente y la intensidad pasa a ser 0.

Régimen permanente: un condensador en CC se comporta como un circuito abierto de resistencia infinita y la intensidad = 0.

V = Vr + Vc V = I * R + I * Xc Xc = 1 / w*c Constante de tiempo: tawn = R*C

Para 1 tawn, el condensador se ha cargado un 63,2% y para 5 tawn un 100%, y la intensidad ha descendido al 36,8% y al 0%, respectivamente.

Un condensador con frecuencias muy altas es un cortocircuito porque Xc tiende a 0 y va toda la onda por ahí y no por la resistencia. V = Vf + (Vi - Vf) * e^{-T / RC}

En CC, un condensador es un circuito abierto pasado el transitorio, y en CA el condensador se comporta como un cortocircuito. Cuando está totalmente cargado, no circula corriente.

Energía total almacenada en el condensador: W = 1/2 * C * V²

Diodo

El diodo conduce si el potencial del ánodo es superior al del cátodo; tiene una caída de tensión de 0,7V. Cuando el ánodo es mayor que el cátodo, se llama polarización directa (conduce corriente); al contrario, sería polarización inversa (no conduce).

Media Onda

V diodo: 0-180 raya, 180-360 onda baja. / Vcarga: onda baja - raya

Onda Completa con 2 Diodos

D1= raya - onda baja / D2= onda baja - raya

Toma Intermedia

D1 igual / D2= onda alta - raya / Onda completa con 4 diodos: onda alta - onda alta

Fórmulas

Media onda: (Vef = Vmax / √2) (Vmed = Vmax / π) (Fentrada = Fsalida)

Onda completa: (Vef = Vmax / √2) (Vmed = 2 Vmax / π) (2 Fentrada = Fsalida)

Trifásico: (Vmed = 3Vmax / π) (Vef = Vmax / √2)

V con la que se alimenta = Vef (Vmed = Vcontinua) (Vinversa = Vmax) P = V*I P = I²*R

Transistores: NPN y PNP

Para que pase la corriente del colector al emisor, la base tiene que dar un pulso con la frecuencia indicada, y así se consigue modificar la onda. La flecha siempre indica el emisor, que puede estar arriba. Estos pueden ser de 3 modos:

Lineal

(Amplificador de señal) Vce >= 0,2V

Saturación

(Interruptor cerrado) Vce <= 0,2V

Corte

(Interruptor abierto) No circula corriente del emisor al colector, corriente de la base = 0. Al no haber circulación de corriente, no hay caída de tensión Vce = V1.

Fórmulas

(β * Ib = Ic) (Ie = Ic + Ib) (Vcc = Ic * Rc) (Ic = Ie) (Vcc = Ib * Rb + Vbe)

R entrada en base: (Rb = β * Re')

En alterna, aparecerá una resistencia Re' que se montará entre la base y el emisor y cuyo valor será Re' = 25mV / Ieq. La resistencia de entrada en la base debe ser mayor a la resistencia interna del generador para que la mayor parte de la tensión de la fuente caiga sobre la resistencia del transistor y esto se pueda amplificar. Si la caída de tensión es pequeña, se amplifica poco la señal.