Generadores de corriente alterna síncronos

Desde los comienzos del desarrollo de las turbinas eólicas, se han hecho considerables esfuerzos para utilizar las máquinas síncronas trifásicas. Los aerogeneradores síncronos de corriente alterna pueden tomar excitaciones constantes o corriente continua tanto de imanes permanentes o electroimanes y por lo tanto se denominan generadores síncronos de imán permanente y generadores síncronos eléctricamente excitados respectivamente.

Principios del generador (o motor) de 3 fases

Todos los generadores (o motores) de 3-fases utilizan un campo magnético giratorio. En la imagen se ilustran a tres electroimanes instalados alrededor de un círculo. Cada uno de los tres imanes está conectado a su propia fase en la red eléctrica trifásica.

Como se puede ver, cada uno de los tres electroimanes alternan entre producir un polo sur y un polo norte hacia el centro. Las letras se muestran en negro cuando el magnetismo es fuerte, y en gris claro cuando el magnetismo es débil. La fluctuación en el magnetismo corresponde exactamente a la fluctuación en la tensión de cada fase. Cuando una fase está en su pico, los otros dos tienen la corriente en la dirección opuesta a la mitad de la tensión. Dado que la sincronización de la corriente en los tres imanes está apartado una tercera parte de un ciclo, el campo magnético creará una revolución completa por ciclo.

Funcionamiento del motor síncrono

La aguja de la brújula (con el polo norte pintado de rojo) seguirá exactamente el campo magnético, y hacer una revolución por ciclo. en una red de 50 Hz, la aguja completará 50 revoluciones por segundo, es decir, 50 veces 60 = 3000 rpm (revoluciones por minuto).

De hecho, en la imagen de arriba, hemos construido lo que se llama un motor síncrono de imanes permanentes de 2 polos. La razón por la que se llama un motor síncrono, es que el imán en el centro girará a una velocidad constante que es síncrona con la rotación del campo magnético (tienen el mismo ciclo).

La razón por la que se llama motor de 2 polos es que tiene un polo norte y un polo sur. Puede parecer que tiene tres polos, pero en realidad la aguja de la brújula siente el tirón de la suma de los campos magnéticos alrededor de su propio campo magnético. Entonces, si el imán en la parte superior es un polo Sur fuerte, los dos imanes en la parte inferior se suman en un polo Norte fuerte.

La razón por la qué se llama motor de imán permanente es que la aguja de la brújula en el centro es un imán permanente, no un electroimán. Se podría hacer un motor real sustituyendo la aguja de la brújula por un potente imán permanente o por un electroimán que mantenga su magnetismo a través de una bobina (enrollada alrededor de un núcleo de hierro) que se alimenta con corriente continua.

La configuración en el motor con los tres electroimanes se llama el estátor, debido a que esta parte del motor permanece estática (en el mismo lugar). La aguja de la brújula en el centro se llama rotor, obviamente porque gira.

Funcionamiento de un generadór síncrono

Si se comienza a forzar el imán para que gire (en lugar de dejar que la corriente de la red lo mueva), descubrirá que funciona como un generador, enviando corriente alterna de nuevo a la red. Se debe tener un imán más potente para producir mucha electricidad. Cuanta más fuerza (torque) se aplica, más electricidad se genera, pero el generador seguirá funcionando a la misma velocidad dictada por la frecuencia de la red eléctrica.

Puede desconectar completamente el generador de la red, y comenzar su propia red eléctrica privado de 3 fases, conectando lámparas a las tres bobinas alrededor de los electroimanes.

Recuerde el principio de inducción eléctrica / magnética. Si desconecta el generador de la red principal, sin embargo, tendrá que girarlo a una velocidad de giro constante con el fin de producir corriente alterna con una frecuencia constante. En consecuencia, con este tipo de generador normalmente tendrá que usar una conexión indirecta del generador a red.

Para los generadores síncronos de velocidad fija, la velocidad del rotor debe mantenerse exactamente a la velocidad de sincronismo. De lo contrario se perderá sincronismo.

Los generadores síncronos son una tecnología probada ya que su rendimiento para la generación de energía ha sido estudiada y ampliamente aceptada durante mucho tiempo. En teoría, las características de potencia reactiva de los aerogeneradores síncronos se pueden controlar fácilmente a través del circuito de campo para la excitación eléctrica. Sin embargo, al utilizar generadores síncronos de velocidad fija, las fluctuaciones al azar de la velocidad del viento y las perturbaciones periódicas causadas por los efectos de la sobra de torre y resonancias naturales de los componentes serían pasados directamente ​​a la red eléctrica.

Por otra parte, los aerogeneradores síncronos suelen tener bajo efecto de amortiguación que no permiten que las transiciones del tren motriz sean absorbidas eléctricamente. Como consecuencia de ello, se requiere un elemento de amortiguación adicional (por ejemplo, un acoplamiento flexible en la unidad de tren), o el conjunto de la caja de engranajes montados sobre muelles y amortiguadores. Cuando se integran en la red eléctrica, la sincronización de su frecuencia a la de la red pide una operación delicada. Además, son generalmente más compleja, costosa y más propenso a fallar que los generadores de inducción. En el caso de utilizar electroimanes en máquinas síncronos, de control de voltaje se lleva a cabo en la máquina síncrona mientras que en las máquinas con excitación por imanes permanentes, de control de tensión se logra en el circuito convertidor.

Además, los aerogeneradores síncronos suelen tener bajo efecto de amortiguación por lo que no permiten que las cargas transitorias del tren motriz sean absorbidas eléctricamente. Como consecuencia de ello, se requiere un elemento de amortiguación adicional (por ejemplo un acoplamiento flexible en la unidad motriz), o que el conjunto de la caja de cambios sea montado sobre muelles y amortiguadores. Cuando se integran en la red eléctrica, la sincronización de su frecuencia a la de la red requiere una operación delicada. Además, son generalmente más complejos, costosos y propenso a fallar que los generadores de inducción. En el caso de utilizar electroimanes en máquinas síncronas, el control de voltaje se lleva a cabo en la máquina síncrona mientras que en las máquinas con excitación por imanes permanentes, el control de tensión se logra en el circuito convertidor.

En las últimas décadas, los generadores de imanes permanentes se han utilizado gradualmente en aplicaciones de turbinas de viento, debido a su alta densidad de potencia y baja masa. A menudo, estas máquinas se conocen como generadores síncronos de imanes permanentes y son considerados como la máquina de elección en pequeños generadores de turbinas de viento.

El principio de funcionamiento de los generadores de imanes permanentes es similar al de los generadores síncronos, excepto que los generadores de imanes permanentes pueden funcionar de forma asincrónica. Entre las ventajas de generador síncrono imán permanente se encuentra la eliminación del conmutador, anillos colectores y escobillas, por lo que este tipo de máquinas son robustas, fiables y simples. El uso de los imanes permanenetes elimina el bobinado de campo (y sus pérdidas de potencia asociadas), pero hace imposible el control de campo y el costo de de los imanes permanentes puede ser prohibitivamente alto para máquinas grandes.

En la práctica, los generadores síncronos de imanes permanentes no se utilizan mucho. Hay varias razones para esto. Una de las razones es que los imanes permanentes tienden a desmagnetizarse por trabajar en los potentes campos magnéticos dentro de un generador. Otra razón es que los imanes de gran poder (de metales de tierras raras, por ejemplo, neodimio) son bastante caros, aunque los precios han caído últimamente.

Turbinas eólicas con generadores síncronos

Las turbinas eólicas que emplean generadores síncronos normalmente utilizan electroimanes en el rotor que se alimentan con corriente continua de la red eléctrica. Dado que la red suministra corriente alterna, primero tienen que convertir la corriente alterna en corriente continua antes de enviarla a los bobinados alrededor de los electroimanes del rotor. Los electroimanes del rotor están conectados a la corriente mediante escobillas y anillos rozantes en el eje del generador.

Debido a que las velocidades del viento reales son variables, los generadores síncrono de imanes permanentes no puede generar energía eléctrica con frecuencia fija. Como resultado, deben ser conectados a la red eléctrica a través de una conversión de CA-CC-CA por convertidores de potencia. Es decir, la alimentación de corriente alterna generada (con frecuencia y magnitud variable) se rectifica primero en corriente continua fijo y luego se convierte de nuevo en alimentación de corriente alterna (con frecuencia y magnitud fija).

Cambiando la velocidad de rotación del generador

Un generador de cuatro polos

Como hemos aprendido previamente, la velocidad de un generador (o motor) que está conectado directamente a una red trifásica es constante, y dictada por la frecuencia de la red.

Sin embargo, si se duplica el número de imanes en el estator se puede asegurar de que el campo magnético gire a la mitad de la velocidad.

En la siguiente imagen se ve cómo ahora el campo magnético se mueve en sentido de las agujas del reloj por media revolución antes de que como antes alcance el mismo polo magnético. Simplemente hemos conectado los seis imanes a las tres fases en un orden en sentido horario.

Este generador (o motor) tiene cuatro polos en todo momento, dos Sur y dos Norte. Puesto que a un generador de cuatro polos sólo le tomará media revolución por ciclo, obviamente en una red de 50 Hz dará 25 revoluciones por segundo o 1.500 revoluciones por minuto (rpm).

Cuando doblamos el número de polos en el estator de un generador síncrono, tendremos que duplicar el número de imanes en el rotor, como se ve en la imagen. De lo contrario, los polos no coincidirán. (En este caso podríamos utilizar a dos imanes doblados en herradura").

Otros números de polos

Obviamente, podríamos repetir lo que acabamos de hacer, e introducir otro par de polos, añadiendo 3 electroimanes más en el estator. Con 9 imanes conseguimos una máquina de 6 polos, que en una red de 50 Hz funcionará a 1000 rpm. El resultado general es el siguiente:

El término "velocidad de giro del generador síncrono" se refiere a la velocidad del generador cuando está funcionando de forma sincrónica con la frecuencia de la red. Se aplica a todo tipo de generadores, sin embargo: En el caso del asíncrono (o de inducción) es equivalente a la velocidad en vacío del generador.

La mayoría de las turbinas eólicas usan generadores con cuatro o seis polos. Las razones para el uso de estos generadores relativamente de alta velocidad son ahorros en el tamaño y costo.

La fuerza máxima (par) que un generador puede manejar depende del volumen del rotor. Para una potencia de salida dada se tiene la posibilidad de elegir entre un gran y costoso generador de movimiento lento, o un generador más pequeño de alta velocidad más barato.