Generadores Eléctricos en Aerogeneradores

Tipos de Generadores

Generador Asíncrono o de Inducción

El generador asíncrono, también conocido como generador de inducción, utiliza un inductor situado en los devanados del estator. Este inductor recibe la corriente de excitación de la red eléctrica o de un generador auxiliar (en el caso de un generador asíncrono con doble alimentación). La corriente de excitación, al ser alterna, crea un campo magnético variable en el rotor (inducido), el cual está formado por devanados tipo jaula de ardilla.

Frecuencia e Intensidad: La frecuencia de la corriente generada depende de la frecuencia de excitación, mientras que su intensidad depende de la caída de velocidad de giro con respecto a la velocidad de sincronismo. Esta última se refiere a la velocidad de rotación del rotor cuando gira libremente sin ceder ni absorber potencia eléctrica. Los generadores asíncronos son ideales para obtener frecuencias constantes (velocidad constante del rotor).

Sistemas de Control: Los sistemas de control de los generadores de inducción deben conectar el generador a la red cuando la velocidad del rotor supera la velocidad de sincronismo y desconectarlo cuando la velocidad es inferior. Esto se debe a que, a velocidades inferiores, el generador actúa como un motor, absorbiendo energía de la red.

Ventajas del Rotor de Jaula de Ardilla:

• Robustez
• No necesita anillos ni escobillas

Limitaciones: La dependencia de la red para generar la inducción limita su aplicación. Es crucial prever los efectos de posibles fallos en la alimentación, sobretensiones y subtensiones, siendo el hueco de tensión un factor de gran relevancia.

Principio de Funcionamiento:

1. Campo magnético giratorio en el estator (Ns)
2. El campo magnético induce una fuerza electromotriz (fem) en el rotor
3. Circulan corrientes por el rotor
4. El rotor gira por la acción del viento a una velocidad (Nr) superior a la de sincronismo (Ns)
5. Se generan campos magnéticos giratorios en el rotor
6. Se generan corrientes en el estator

Ventajas:

• Facilidad de conexión a la red
• Ausencia de contactos móviles y escobillas
• Admiten un pequeño deslizamiento respecto a la velocidad de sincronismo
• Sistema de control sencillo
• Económicos y robustos

Inconvenientes:

• Necesitan estar conectados a la red eléctrica
• Generan potencia reactiva
• No responden bien a los huecos de tensión de la red, produciendo desconexiones no deseadas

Generador Síncrono o de Excitación

En el generador síncrono, el giro de las palas impulsa el eje del generador, acoplado al rotor. Alrededor del rotor se encuentra un arrollamiento eléctrico (inductor) alimentado por una corriente continua o de excitación, que genera un campo magnético. Al girar el rotor, se produce un campo magnético giratorio que induce corrientes en los bobinados del estator (inducido).

Generador Síncrono de Imanes Permanentes: Si el rotor es un imán, el generador se denomina generador síncrono de imanes permanentes, con la ventaja de eliminar las escobillas.

Corriente de Excitación: La corriente continua se genera con una fuente exterior o rectificando la corriente de la red. Esta corriente se aplica al rotor a través de dos anillos deslizantes por los que pasan bajas intensidades.

Regulación de Tensión e Intensidad: Los devanados del inducido, ubicados en el estator, actúan como reguladores de intensidad. Sin embargo, necesitan un regulador de tensión para evitar incrementos bruscos en caso de aceleración de la turbina.

Frecuencia y Velocidad de Sincronismo: El generador síncrono suministra una corriente con una frecuencia que depende de la velocidad de rotación. Para obtener frecuencias estabilizadas, se requiere un sistema de regulación preciso. En caso de conexión a la red, el sistema de control debe realizar la conexión cuando se alcance la velocidad de sincronismo y la tensión de salida sea igual a la de la red. El generador solo puede funcionar a esa velocidad, ya que a velocidades menores actuaría como un motor.

Conexión a la Red: Generalmente, este tipo de generadores no se conectan directamente a la red para evitar que actúen como motores. Se disponen desacoplados de la forma que se explicará más adelante.

Ventajas:

• Funcionamiento regular
• Pueden trabajar conectados a la red o en instalaciones aisladas

Principio de Funcionamiento:

1. Una fuente continua o excitatriz alimenta de corriente continua (cc) al inducido del rotor
2. La cc del inducido genera un campo magnético constante (Br)
3. El rotor gira a una velocidad (Nr) por la acción del viento, creando un campo magnético giratorio (Br)
4. El campo magnético giratorio (Br) induce tensiones en el estator (Ee) con una frecuencia f=pN/60
5. Al conectar el estator a la red, se generan corrientes en el mismo, que generan un campo magnético giratorio en el estator (Be)
6. El campo magnético resultante es la suma del campo magnético en el rotor (Br) y el estator (Be)
7. La tensión en bornes del alternador es inferior a Ee debido a caídas de tensión internas

Ventajas:

• Vierten potencia reactiva a la red eléctrica
• Pueden funcionar de forma aislada de la red eléctrica
• Presentan un mayor rendimiento
• Responden bien a los huecos de tensión de la red

Inconvenientes:

• No admiten desplazamientos de la velocidad de sincronismo
• Presentan un complejo sistema de control
• Presentan una conexión compleja a la red eléctrica

Tipos de Generadores Asíncronos y Síncronos

• Asíncronos:
  1. Rotor jaula de ardilla
  2. Doblemente alimentado
• Síncronos:
  1. Síncronos
  2. Síncronos, excitación con imanes permanentes (flujo radial)

Componentes Adicionales

Frenos

Los aerogeneradores utilizados para la producción de energía eléctrica suelen disponer de un freno aerodinámico de rotor. Este freno actúa sobre la pala para provocar el frenado del rotor.

Sistemas de Control

Los aerogeneradores cuentan con un sistema de control basado en un procesador que supervisa su funcionamiento. Este sistema monitoriza las variables de operación, regula el posicionamiento de las palas (si son de paso variable) y el bastidor, dirige los frenos y la orientación del aerogenerador a la dirección del viento. También diagnostica los componentes y prepara el aerogenerador para el arranque.

Sistema de Orientación

Cada aerogenerador incorpora un sistema de orientación formado por una veleta en la parte trasera de la góndola y un anemómetro. Estos elementos envían información al sistema de control para su procesamiento y para actuar sobre el yaw (guiñada) y el pitch (ángulo de las palas).

Torres Eólicas

Las máquinas eólicas se sitúan sobre una estructura de soporte, la torre, que soporta el empuje del viento y permite que las palas estén a la altura óptima para obtener el máximo rendimiento. La torre se suele construir en acero o, para grandes potencias, en hormigón prefabricado. Su forma externa suele ser troncocónica.

Elección entre Torres Altas y Bajas

La elección entre torres altas y bajas depende de:

• Coste por metro de torre
• Variación de los vientos locales con la altura
• Precio que el propietario de la turbina obtiene por kWh adicional de electricidad

Tipos de Torres Según el Material

Torres Tubulares de Acero

Utilizadas en los aerogeneradores más grandes, se fabrican en secciones de 20-30 metros y se unen con pernos in situ. Son troncocónicas para aumentar su resistencia y ahorrar material.

Inconvenientes:

• Fatiga en soldaduras
• Tensiones geométricas
• Mantenimiento caro

Torres Metálicas

Ventajas:

• Experiencia en diseño y producción
• Costes conocidos
• Alturas de hasta 80-90 metros

Desventajas:

• Limitación de diámetros por transporte
• Precio del acero variable
• Poca rigidez a mucha altura
• Muchas soldaduras y uniones atornilladas

Torres de Hormigón

Las torres de hormigón armado ahorran costes y se construyen a partir de dovelas de hormigón con elementos prefabricados. Pueden alcanzar alturas de 100-120 metros. Suelen disponer de un elevador para facilitar el acceso a la barquilla.

Inconveniente: Cálculos complejos debido a la fatiga.

Torres de Celosía

Fabricadas con perfiles de acero soldados, las torres de celosía ofrecen un menor coste y la misma rigidez que una torre tubular con la mitad de material.

Desventaja: Apariencia visual menos atractiva.

Torres de Mástil Tensado con Vientos

Utilizadas en aerogeneradores pequeños, las torres de mástil tensado con vientos ahorran peso y coste.

Desventajas:

• Difícil acceso a las zonas alrededor de la torre
• Propensas a sufrir actos vandálicos

Comparación de Tipos de Torres

Las torres tubulares ofrecen una vista más agradable pero son las más costosas. Las torres con tensores son las menos costosas.

Soluciones de Torres Híbridas

Las torres híbridas, como las de hormigón y acero, ofrecen ventajas en rigidez, transporte in situ, mantenimiento, alta gama de resistencias, bajo impacto ambiental, disponibilidad y mayor vida útil.