Diseño Maquinas Eolicas Sin Multiplicador Etsiim Industriales

Diseño de Máquinas Eólicas sin Multiplicador Sexto Máquinas Plan 76 Gloria Erades Julian A. Durán Carlos Gonzalez Sergio Molina Luis Costero Ángel Ortiz Laura Reques

E.T.S.I.I. U.P.M.

98484 98482 97293 00615 97323 97368

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................ 3 1.1 PREFACIO ................................................................................................................................................... 3 1.2 HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA ...................................................................................................... 3 1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS ............................................................................... 10 1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA .............................................................. 16 1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO........................................................................................... 20 1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIA.......................................................................................................... 21 1.5.2 TEORÍA DE BETZ ............................................................................................................................... 22 1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL AEROGENERADOR ............. 23 1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE ........................................................................................................................ 23 1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR............................................................................. 23 1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTO ................................................................................................................ 24 1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS ................................................................. 25 1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR ..................................................................................................... 28 1.8.1 ROTOR................................................................................................................................................. 29 1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES ..................................................................................................................... 30 1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS.......................................................................................................... 31 1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD ....................................................... 31 1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN........................................................................................................... 32 1.8.6 CONEXIONES A RED ......................................................................................................................... 32 1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD....................................................................................................... 33 1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL .......................................................................................................... 34 1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS....................................................................................................... 35 1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA .......................................................................... 35 1.8.11 TORRES ............................................................................................................................................. 36 1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR”................................................................... 36 1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR ........................................ 37 1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR .............................. 40 1.9.3 DISCUSIÓN ......................................................................................................................................... 41 1.10 IMPACTO AMBIENTAL......................................................................................................................... 41 1.10.1 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 41 1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN .............................................................................................. 42 1.10.3 RUIDO ............................................................................................................................................... 42 1.10.4 IMPACTO VISUAL ............................................................................................................................ 43 1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES ........................................................................................................... 44 2. TURBINAS EÓLICAS CON GENERADORES DE CONEXIÓN DIRECTA: POSIBLES TIPOLOGÍAS DE GENERADOR .................................................................................................................... 44 2.1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................................... 45 2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO ................................................................. 45 2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE MACHINE) .............................................. 49 2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA ....................................................... 51 2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN PERMANENTE............................................. 54 2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL........................................................................................................ 56 2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal ........................................................................................... 56 2.5.1.2 Aspectos sobre el material conductor y magnético en las RFPM.................................................. 61 2.5.1.3 Máquina de flujo radial modular ................................................................................................... 62 2.5.1.4 Uso de técnicas de concentración de flujo .................................................................................... 63 2.5.1.5 Uniformización del par mediante uso de imanes curvados ........................................................... 64 2.5.2 MÁQUINA DE FLUJO RADIAL TRANSVERSAL ............................................................................... 67 2.5.3.1 Máquinas de flujo axial de imán permanente ranuradas ............................................................... 72 2.5.3.2 Máquinas de flujo axial con un estator y un rotor ......................................................................... 73 2.5.3.3 Máquina TORUS con un estator sin dentado y dos rotores.......................................................... 74 2.5.3.4 Estator con dientes y dos rotores.................................................................................................. 76 2.5.3.5 Máquina de imán permanente de flujo axial interior..................................................................... 76 2.5.3.6 Máquina de flujo axial circunferencial.......................................................................................... 77 2.6 COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE MÁQUINAS ......................................................... 80 2.6.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 80

1

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR 2.6.2 TIPOS DE MAQUINAS ESTUDIADAS ............................................................................................... 82 2.6.3 COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS ................................................ 83 2.6.3.1 Máquina de imán permanente con flujo axial y hueco de aire (AFPM) frente a RFPM ............... 83 2.6.3.2 Máquina de imán permanente de flujo transversal (TFPM) frente a RFPM ................................. 84 2.6.3.3 Máquina RFPM con concentración del flujo frente a RFPM con imanes superficiales ............... 85 2.6.3.4 Máquinas con imanes permanentes con flujo axial interior frente a otras..................................... 87 2.6.4 RESULTADOS DE LA COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS ........... 87 3. CONEXIÓN ENTRE EL GENERADOR Y LA RED DE SUMINISTRO ................................................ 88 3.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................................... 88 3.2. RECTIFICADORES TRIFASICOS........................................................................................................... 90 3.2.1.RECTIFICADOR TRIFASICO DOBLE ONDA (DIODO PUENTE RECTIFICADOR)..................... 90 3.2.2. DIODO PUENTE RECTIFICADOR CON BOOST CONVERTIDOR ................................................ 93 3.2.3. PWM RECTIFICADOR....................................................................................................................... 93 3.3.INVERSOR TRIFÁSICO EN PUENTE ..................................................................................................... 94 3.4 TIPOS DE INVERSORES MAS FRECUENTES ....................................................................................... 99 3.4.1 LINE COMMUTATED INVERTER (LCI).......................................................................................... 100 3.4.2 VOLTAGE SOURCE INVERTER (VSI) ............................................................................................. 103 3.4.3 COMBINACIÓN DE INVERSORES .................................................................................................. 106 3.4.4 CONCLUSIONES RESPECTO A LOS INVERSORES....................................................................... 108 4.MODELOS DE AEROGENERADORES SIN MULTIPLICADOR ........................................................ 108

2

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1. INTRODUCCIÓN 1.1 PREFACIO El objetivo del estudio que se realiza a continuación es analizar los factores principales a tener en cuenta a la hora de diseñar una máquina eólica sin multiplicador. Se comienza con un breve repaso de la historia de la energía eólica, y una clasificación de los tipos de instalaciones. A continuación se analizará la influencia que ejerce el viento en la máquina eólica. Seguidamente se estudiará más detalladamente la aerodinámica de este tipo de máquinas. En este marco, la administración juega un papel importante con la creación de infraestructuras de investigación y desarrollo (I+D). Esta I+D resulta imprescindible para dotar al tejido empresarial de recursos y capacidades necesarias para afrontar con éxito la adaptación a una dinámica de crecimiento que demanda altos niveles de actividad innovadora, en un mercado cada día más abierto y competitivo. En un sentido amplio, el lanzamiento de nuevos productos o de mayor fiabilidad y eficiencia se inicia con un proceso de innovación tecnológico, seguido por una fase de demostración y difusión, alcanzando la madurez comercial al lograr un volumen suficiente de producción. Las energías renovables, y en particular la energía eólica, se encuentran en diferentes estadios de esta cadena, que por el bien común deben consolidarse hasta llegar a constituir recursos plenamente desarrollados.

1.2 HISTORIA DE LA ENERGÍA EÓLICA La primera y más sencilla aplicación de la energía del viento corresponde al uso de las velas en la navegación. La referencia más antigua se encuentra en un grabado egipcio que data del III milenio a.C. Los primeros ingenios eólicos debieron desarrollarse en la antigua Persia, cuyos territorios eran muy ventosos y donde se reunían los más avanzados conocimientos técnicos del momento.

3

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Molino Persa

Primeramente aparecieron los molinos de eje vertical: Un número determinado de velas montadas verticalmente unidas a un eje y empujadas por el aire reemplazaron el accionamiento animal para proporcionar un movimiento giratorio. Es bien conocido el hecho de que a mediados del siglo VII a.C. los molinos de viento eran máquinas bien conocidas en esa parte del mundo, aunque se tratara de diseños bastos y mecánicamente ineficientes. Los chinos utilizaban desde tiempos inmemoriales los molinos de viento llamados panémonas, que se usaban para bombear agua. También eran de eje vertical y sus palas estaban construidas a base de telas sujetas a largueros de madera. La posición de las palas podía variarse para regular la acción del viento sobre el molino. En la Edad Media el molino de viento en conjunto con el molino de agua fueron las máquinas más importantes antes de la revolución industrial. En este tiempo giraban alrededor de 200.000 molinos de viento. El siglo XVII es un siglo de grandes avances científicos y tecnológicos. Sin embargo, las innovaciones no alteraron el formato exterior de los molinos, que se mantuvo sin demasiadas modificaciones, pero en cambio mejoraron los detalles de diseño y construcción apareciendo los sistemas mecánicos de orientación y regulación.

4

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Las palas de los molinos anteriores al siglo XVII se construían con un entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose posteriormente con una tela. Más tarde el mástil se colocó en el borde de ataque de la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire. Este sistema era también el más adecuado para dotar de cierta torsión a la pala a lo largo de la envergadura, con el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico. Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los sistemas de regulación se llevó a cabo en el siglo siguiente. Los molinos de viento evolucionaron en su desarrollo hasta mediados del siglo XIX, introduciéndose continuas mejoras tecnológicas a partir de elementos mecánicos. Las primeras bombas eólicas aparecen hacia 1854, desarrolladas por Daniel Halladay. Son rotores multipalas acoplados mediante un sistema biela-manivela a una bomba de pistón. El pionero olvidado de la turbina eólica fue Charles F. Brush (1849-1929). Durante el invierno de 1887-88 Brush construyó la que hoy se cree es la primera turbina eólica de funcionamiento automático para generación de electricidad.

Turbina Eólica de Charles F. Brush

Hacia 1890 se empieza a fabricar, con álabes metálicos, el conocido molino de bombeo americano, llegando a convertirse en el molino de viento más extendido de cuantos hayan existido. Fue en 1892, cuando el profesor Poul La Cour (1846-1908), diseñó el primer prototipo de aerogenerador eléctrico. Los trabajos de La Cour constituyeron los primeros pasos en el campo de los aerogeneradores modernos, considerándole el pionero de las modernas turbinas eólicas generadoras de electricidad. Construyó la 5

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

primera turbina eólica generadora de electricidad del mundo en 1891. Poul La Cour realizó sus experimentos de la aerodinámica de las palas en un túnel de viento construido por él mismo.

Aerogenerador de La Cour (Dinamarca)

En el siglo XX el hombre comienza a utilizar la energía eólica para producir electricidad pero en principio sólo para autoabastecimiento de pequeñas instalaciones. Los primeros aerogeneradores de corriente alterna surgieron en los años 50 de la mano del ingeniero Johannes Juul, alumno de Poul La Cour, y de la compañía danesa de turbinas de F.L. Smidth.

Aergenerador bipala F.L. Smidth 1942

Concretamente en 1956 se desarrolló el aerogenerador de Gedser (Dinamarca) de 200 kW que representa la antesala de los actuales aerogeneradores.

6

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Aerogenerador de Gedser (1956-57)

Otra máquina eólica de trascendencia fue la construida por el profesor Utrich Hutter en 1960 con una potencia de 100 kW y un diámetro de 34 m. Estas máquinas representan los comienzos de diferentes facetas en el desarrollo de la energía eólica: maquinas con potencias del orden de los megavatios y los diseños caracterizados por estructuras más livianas que todavía representan el futuro de las máquinas eólicas. Después de la primera crisis del petróleo de 1973, y al accidente de la central nuclear Chernobyl la investigación sobre el campo de la energía eólica se amplió fuertemente en las 80 y muchos países despertaron su interés en este tipo de energía. En un principio las compañías de energía dirigieron inmediatamente su atención a la construcción de grandes aerogeneradores, tomando como punto de partida el aerogenerador de Gedser. En 1979 construyeron dos aerogeneradores de 630 kW. Estos diseños resultaron extremadamente caros y, en consecuencia, el alto precio de la energía devino un argumento clave en contra de la energía eólica. Durante este periodo la mayor implantación de sistemas eólicos se produjo en EEUU. Miles de máquinas fueron instaladas en el programa eólico de California a principios de los 80.

Parque eólico de Palm Springs USA

7

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

La Micon de 55 kW (máquina eólica de origen danés) es un ejemplo de tales máquinas, instalada en un enorme parque eólico de más de 1.000 máquinas en Palm Springs (California). En la década de los noventa se toma conciencia de la necesidad de modificar el modelo energético basado en los combustibles fósiles y la energía nuclear, por los problemas que estos causan al medio ambiente. Además gracias a un desarrollo tecnológico y a un incremento de su competitividad en términos económicos, la energía eólica ha pasado de ser una utopía marginal a una realidad que se consolida como alternativa futura y, de momento complementaria, a las fuentes contaminantes. Actualmente, las máquinas de 600 y 750 kW continúan siendo el caballo de carga de la industria, aunque el mercado de los megavatios despegó en 1998. Las máquinas del tamaño de megavatios son ideales para las aplicaciones marinas, y para las áreas donde escasea el espacio para emplazarlas, pues una máquina de 1MW explotará mejor los recursos eólicos locales.

Vestas 1,5 MW

En esa década se produjeron grandes mejoras en rendimientos, rentabilidad y fiabilidad. Hoy en día la tendencia va hasta grandes parques con muchos equipos en el mar cerca de la costa (offshore parks). Todavía quedan problemas y dificultades

8

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

como el desarrollo de equipos de alta potencia o el impacto ambiental, pero hay un futuro prometedor en ese campo.

Offshore park (Alemania)

Las estimaciones de los expertos sobre el potencial de la energía eólica offshore en Europa cubren un rango entre 5% y 30% del consumo total.

9

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

En la siguiente figura se muestra la potencia eólica total instalada en Europa:

Potencia eólica instalada en Europa en 2003

1.3 TIPOLOGÍA DE AEROGENERADORES EÓLICOS Dos datos de partida son fundamentales cuando tratamos de seleccionar el aerogenerador idóneo que mejor resuelva el problema que nos planteamos: •

el régimen de vientos disponible, que va fijar cuál es la máquina que más adecuadamente puede aprovechar las corrientes de viento incidentes.

•

el nivel de necesidades, esto es, la energía que deseamos obtener en un período de tiempo dado, y que va a determinar el área que debe barrer el rotor y, en definitiva, el tamaño de la máquina.

Nos centraremos en la primera de estas dos cuestiones, esto es, en los distintos tipos de rotores eólicos que podemos encontrar. Entre ellos existen diferencias de rendimiento notables, resultando cada uno más adecuado a un determinado régimen de vientos.

10

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Por lo general se clasifican en dos grandes bloques: •

eje horizontal: se pueden distinguir: - ejes paralelos a la dirección del viento (como los molinos convencionales) A su vez, caben dos alternativas según el rotor sea dispuesto: - en la parte anterior del eje (posición a barlovento) - en la parte posterior del eje (posición a sotavento) Bien entendido que el origen lo define el sentido del viento. Estas máquinas están constituidas por una aeroturbina tipo rotor, que acciona un alternador eléctrico.

Tipos de aerogeneradores con eje horizontal y paralelo - Barlovento o Viento arriba - Sotavento o Viento abajo

- ejes perpendiculares a la dirección del viento •

eje vertical: estos se clasifican en: - rotores por resistencia. En este grupo, la fuerza motriz utilizada tiene la dirección del viento. 11

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

- rotores por sustentación. En este grupo, la fuerza motriz utilizada tiene la dirección perpendicular del viento. En la siguiente figura:

Descomposición de la fuerza sobre la pala

se representan las fuerzas de resistencia y sustentación. Corresponde a un perfil aerodinámico inmerso en una corriente, que al perturbar el flujo crea un gradiente de presiones entre ambas caras, de las que resulta una fuerza resultante (F). Las proyecciones a que da lugar son las fuerzas

de

resistencia

(paralela

al

viento)

y

de

sustentación

(perpendicular al mismo). Las ventajas de las máquinas que se mueven por fuerza de sustentación son varias: • Mayor coeficiente de potencia. • Mayores velocidades de giro, con lo que los requerimiento sobre la caja de transmisión, serán menores. • Menor empuje sobre la máquina, con lo que las cargas y los efectos de estela son menores. Dentro de las aeroturbinas de eje vertical, se pueden destacar los siguientes diseños: - Máquina de rotor tipo Savonious, cuya sección recta tiene forma de S y en la que la acción fundamental del viento sobre ella tiene el carácter de resistencia. Esta máquina tiene un rendimiento bajo, por lo que únicamente es idónea, por su simplicidad, para potencias muy pequeñas.

12

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Aerogenerador Darrieus y Savonious, respectivamente

Rotor Savonious

- Máquinas de rotor tipo Darrieus integrada por varias palas cuya sección recta tiene la forma de un perfil aerodinámico. Las palas están unidas por sus extremos al eje vertical, estando arqueadas en una forma similar a la que tomaría una cuerda girando alrededor del eje. Las ventajas que presentan los aerogeneradores de eje horizontal son las siguientes: •

Su rendimiento (coeficiente de potencia) es mayor que el correspondiente a los de eje vertical.

13

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

•

Su velocidad de rotación es más elevada que la de los aerogeneradores Darrieus, por lo que requieren cajas de engranajes con menor relación de multiplicación.

•

La superficie de la pala es menor que en los modelos de eje vertical para una misma área barrida.

•

Los sistemas de sujeción de los modelos Darrieus impiden elevar la turbina tanto como en los modelos de eje horizontal. Ello da lugar a que con una misma área barrida se obtenga menor potencia en los de tipo Darrieus, por aprovecharse menos el aumento de la velocidad del viento con la altura. Como contrapartida, los aerogeneradores Darrieus tienen las

siguientes ventajas: •

Su simetría vertical hace innecesario el uso de un sistema de orientación, como ocurre con las máquinas de eje horizontal para alinear el eje de la turbina con la dirección del viento.

•

La mayoría de los componentes que requieren mantenimiento están localizados a nivel del suelo.

•

No requieren mecanismo de cambio de paso en aplicaciones a velocidad constante.

La comparación entre los aerogeneradores de eje horizontal y los de tipo Darrieus, en cuanto al número de prototipos desarrollados y a potencia unitaria de estos prototipos, es claramente favorable a los de eje horizontal. Existen otros dispositivos, más o menos ingeniosos utilizando el efecto venturi, el calentamiento solar, la vorticidad inducida o una pared deflectora. Aunque todos ellos son de mucha menor aplicación. A continuación se muestra un esquema general de los distintos tipos de aerogeneradores que se pueden encontrar:

14

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Clasificación de las máquinas eólicas

En la siguiente figura se muestran los rendimientos aerodinámicos de los distintos tipos de máquinas eólicas referidos anteriormente. Dichos valores están representados en función de la velocidad específica λ0 definida como λ0 = Ω R/V, siendo Ω la velocidad de giro, R el radio de la pala y V la velocidad del viento incidente sobre el rotor.

Rendimientos aerodinámicos

15

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.4 UTILIZACIÓN DEL VIENTO COMO FUENTE DE ENERGÍA Todas las fuentes de energías renovables (excepto la maremotriz y la geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, provienen, en último término, del sol. La Tierra recibe del Sol 1,74x1017W y alrededor de un 1 a un 2 por ciento de la energía proveniente del Sol es convertida en energía eólica. El fenómeno conocido como viento está constituido por las corrientes de aire generadas a consecuencia del desigual calentamiento de la superficie de la tierra. La no uniformidad del flujo de radiación solar incidente hace que unas zonas se calienten más que otras, provocando movimientos convectivos de la masa atmosférica. El aire caliente asciende, arrastrando aire más frío proveniente de una región vecina. Al subir se enfría, por lo que aumenta su densidad, descendiendo para volver a repetir el ciclo. A altitudes de hasta 100 metros sobre la superficie terrestre, los vientos están muy influenciados por las características de dicha superficie. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie de la tierra y por los obstáculos. Tratándose de energía eólica interesará conocer estos vientos de superficie y cómo calcular la energía aprovechable del viento. Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes de un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden influir en las direcciones de viento más comunes.

Movimiento convectivo en la atmósfera

Los vientos locales siempre se superponen en los sistemas eólicos a gran escala, esto es, la dirección del viento es influenciada por la suma de los efectos

16

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

global y local. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los regímenes de viento. Los principales efectos locales son descritos a continuación: •

Brisas marinas Durante el día la tierra se calienta más rápidamente que el mar por

efecto del sol. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una depresión a nivel del suelo que atrae el aire frío del mar. Esto es lo que se llama brisa marina. A menudo hay un periodo de calma al anochecer, cuando las temperaturas del suelo y del mar se igualan. Durante la noche los vientos soplan en sentido contrario. Normalmente durante la noche la brisa terrestre tiene velocidades inferiores, debido a que la diferencia de temperaturas entre la tierra y el mar es más pequeña. El conocido monzón del sureste asiático es en realidad un forma a gran escala de la brisa marina y la brisa terrestre, variando su dirección según la estación, debido a que la tierra se calienta o enfría más rápidamente que el mar. •

Vientos de montaña Las regiones montañosas muestran modelos de clima muy interesantes.

Un ejemplo es el viento del valle que se origina en las laderas que dan al sur (o en las que dan al norte en el hemisferio sur). Cuando las laderas y el aire próximo a ellas están calientes la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hasta la cima siguiendo la superficie de la ladera. Durante la noche la dirección del viento se invierte, convirtiéndose en un viento que fluye ladera abajo. Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede ascender y descender por el valle. Este efecto es conocido como viento de cañón. Los vientos que soplan en las laderas a sotavento pueden ser bastante potentes.

17

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Vientos de montaña

•

Variaciones diurnas (noche y día) del viento En la mayoría de las localizaciones del planeta el viento sopla más fuerte

durante el día que durante la noche. Prueba de ello es la siguiente gráfica:

Gráfica v(m/s)-T(horas)

que muestra como varía la velocidad del viento en una localidad del Mediterráneo en un día típico del mes de agosto. Esta variación se debe sobretodo a que las diferencias de temperatura, por ejemplo entre la superficie del mar y la superficie terrestre, son mayores durante el día que durante la noche. El viento presenta también más turbulencias y tiende a cambiar de dirección más rápidamente durante el día que durante la noche. Desde el punto de vista de los propietarios de aerogeneradores, el hecho de que la mayor parte de la energía eólica se produzca durante el día es una ventaja, ya que el consumo de energía entonces es mayor que durante la noche. Muchas compañías eléctricas pagan más por la electricidad producida durante las horas

18

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

en las que hay picos de carga (cuando hay una falta de capacidad generadora barata). •

Efecto túnel Si tomamos un camino entre dos edificios altos o en un paso estrecho

entre montañas observaremos que el aire al pasar a su través se comprime en la parte de los edificios o de la montaña que está expuesta al viento, y su velocidad crece considerablemente entre los obstáculos del viento. Esto es lo que se conoce como efecto túnel.

Efecto túnel

Para obtener un buen efecto túnel, debe estar suavemente enclavado en el paisaje. En el caso de que las colinas sean muy accidentadas, puede haber muchas turbulencias en esa área, que pueden causar roturas y desgastes innecesarios en el aerogenerador. •

Efecto de la colina Una forma corriente de emplazar aerogeneradores es situándolos en

colinas o estribaciones dominando el paisaje circundante. En particular, siempre supone una ventaja tener una vista lo más amplia posible en la dirección del viento dominante en el área. En las colinas, siempre se aprecian velocidades de viento superiores a las de las áreas circundantes. Tal y como se puede observar en la siguiente figura:

19

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Efecto colina

el viento empieza a inclinarse algún tiempo antes de alcanzar la colina. También se aprecia que el viento se hace muy irregular una vez pasa a través del rotor del aerogenerador. Al igual que ocurría anteriormente, si la colina es escarpada o tiene una superficie accidentada, puede haber una cantidad de turbulencias significativa, que puede anular la ventaja que supone tener unas velocidades de viento mayores. De este modo, el viento, al considerarlo como recurso energético y desde el punto de vista de su disponibilidad como suministro, tiene sus características específicas: •

es una fuente con sustanciales variaciones temporales, a pequeña y gran escala de tiempo, y espaciales, tanto en superficie como en altura, sin olvidar una componente aleatoria que afecta en gran parte a su variación total.

•

al mismo tiempo hay que considerar que la energía disponible a partir del viento depende de la velocidad del mismo al cubo, como se explicará más adelante, por lo que pequeñas variaciones en este parámetro afectarán en gran medida al resultado final de energía obtenida.

1.5 ENERGÍA APROVECHABLE DEL VIENTO A continuación se van a introducir dos conceptos fundamentales que han de ser tenidos en cuenta en todo el desarrollo posterior: •

el coeficiente de potencia: da una idea de la potencia que realmente estamos obteniendo a través del sistema eólico.

20

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

•

la fórmula de Betz: muestra la máxima potencia extraíble de una vena fluida.

1.5.1 COEFICIENTE DE POTENCIA La potencia que posee el viento incidente sin perturbar y de velocidad V1 viene dada por la expresión:

Sin embargo, un aerogenerador no es nunca capaz de llegar a capturar el 100% de esta potencia que posee tal viento incidente, de tal manera que la potencia capturada por el rotor de la máquina es significativamente menor. El coeficiente de potencia de un aerogenerador es el rendimiento con el cual funciona el mismo, y expresa qué cantidad de la potencia total que posee el viento incidente es realmente capturada por el rotor de dicho aerogenerador. Se define como:

donde P es la potencia realmente capturada por el rotor. Este coeficiente es adimensional. Por otra parte, hay que hacer notar que el coeficiente de potencia con que funciona un aerogenerador en general no es constante, pues varía en función de las condiciones de funcionamiento de la máquina, en concreto del parámetro denominado λ que es la relación entre las velocidades del extremo de la pala o velocidad de arrastre (Ω.r) y la velocidad del viento V. La relación se muestra en la siguiente gráfica:

21

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Movimiento de un fluido a través de un conducto

1.5.2 TEORÍA DE BETZ El primero en estudiar los motores eólicos fue Betz, quien por una serie de razonamientos determinó la máxima potencia extraíble de una vena fluida. El teorema de Betz tiene para las máquinas eólicas la misma importancia que el de Carnot para las máquinas térmicas. Los supuestos, ideales, en que se basa la fórmula de Betz son: •

Las palas trabajan sin fricción alguna.

•

Las líneas de corriente que definen el volumen de control, separan perfectamente el flujo de aire perturbado del no perturbado.

•

La presión estática en puntos suficientemente alejados del rotor secciones S1 y S2) coincide con la presión estática de la corriente libre no perturbada.

•

La fuerza desarrollada por unidad de área a lo largo del rotor es constante.

•

El rotor no induce rotación alguna en la estela de salida.

•

El fluido es ideal e incompresible.

En virtud del principio de conservación de la energía, si el aerogenerador extrae una cierta cantidad de energía de la vena, ésta debe perder la misma cantidad de energía cinética. Por tanto, la velocidad V2 debe ser inferior a V1 . Bajo estas hipótesis Betz dedujo que el máximo valor de potencia susceptible de ser extraído de la vena fluida es:

expresión que se conoce como fórmula de Betz y que proporciona la máxima potencia que podemos extraer de una corriente de aire. La relación

22

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

representa el coeficiente de potencia máximo (límite de Betz) y nos servirá para caracterizar el rendimiento de un rotor eólico. Por lo tanto, la ley de Betz dice que puede convertirse menos de 16/27 (≅ el 59 %) de la energía cinética en energía mecánica usando un aerogenerador.

1.6 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ENERGÍA OBTENIDA POR EL AEROGENERADOR Los tres factores que influyen en la energía mecánica recuperada por el rotor son: 1.6.1 DENSIDAD DEL AIRE

La energía cinética contenida en un objeto en desplazamiento es proporcional a su peso, y por tanto, a su densidad. En las máquinas eólicas, lo que nos interesa es la energía del viento, y la densidad del aire. Cuanto mas denso es el aire, mayor es la energía recuperada por el rotor. A una presión atmosférica normal, y a una temperatura de 15 °C, el aire pesa 1.225 kg/m3. Sin embargo, la densidad disminuye un poco cuando la humedad del aire aumenta. Así mismo, el aire frío es mas denso que el aire caliente, y también, la densidad del aire en las montañas es menor que en llano.

1.6.2 ÁREA BARRIDA POR LOS ÁLABES DEL ROTOR

El área del rotor determina cuanta energía del viento es capaz de capturar una turbina eólica. Dado que el área del rotor aumenta con el cuadrado del diámetro del rotor, una turbina que sea dos veces más grande recibirá cuatro veces más energía. Eso justifica el hecho de utilizar grandes aeroturbinas.

23

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

El área cubierta por el rotor y, por supuesto, las velocidades del viento, determina cuánta energía podemos obtener en un año. El siguiente gráfico:

proporciona una idea de los tamaños de rotor normales en aerogeneradores. Los diámetros de rotor pueden variar algo respecto a las cifras dadas arriba, ya que muchos de los fabricantes optimizan sus máquinas ajustándolas a las condiciones de viento locales. 1.6.3 VELOCIDAD DEL VIENTO La velocidad del viento es muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: la cantidad de energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento, es decir, si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será ocho veces mayor. La potencia del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular es: P = 1/2 ρv3πr2 Siendo: P = potencia del viento (W). ρ= densidad del aire seco = 1.225 medida en kg/m3 (a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 15° C). v = velocidad del viento (m/s). r = radio del rotor (m). Todos esos criterios juegan un papel en la energía recuperada por el rotor de la máquina eólica.

24

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.7 NOCIONES SOBRE LA AERODINÁMICA DE LAS PALAS A continuación se van a exponer las características más importantes de los perfiles sustentadores, en los que se fundamenta el funcionamiento de la mayor parte de las aeroturbinas. La fuerza sobre una pala de la aeroturbina resulta de acción de la velocidad relativa del aire sobre la misma. Dicha velocidad relativa es la composición de la velocidad del viento y de la velocidad de giro de la propia pala. Cuando un cuerpo esta sujeto a la acción de un flujo de fluido, se produce una fuerza que es altamente dependiente de la forma del cuerpo. La dirección de la fuerza resultante de interacción entre el fluido y el cuerpo está dentro de la región comprendida entre las líneas que forman ±90º con la dirección del flujo. Si la forma del cuerpo es irregular, la fuerza resultante tiende a ser paralela a la dirección del flujo. Por contra, si el cuerpo tiene una forma aerodinámica, la fuerza tiende a ser perpendicular a la dirección del flujo. De este hecho, y puesto que un perfil está a caballo entre estos dos comportamientos extremos, la fuerza aerodinámica puede ser expresada por dos componentes: •

una componente totalmente perpendicular al flujo, conocida como fuerza aerodinámica de sustentación

•

otra componente que es paralela al flujo, conocida como la fuerza aerodinámica de arrastre. En principio puede haber turbinas que funcionen basándose en cualquiera de

estos dos tipos de fuerzas, esto es: que su diseño intente aprovechar preferentemente una de ellas. De esto ya hemos hablado en apartados precedentes así que en éste nos ceñiremos al caso de las máquinas que funcionan con perfil sustentador. Antes de eso exponemos en la siguiente tabla ejemplos de aplicaciones diferentes en las que también se aprovechan estos dos tipos de fuerza:

25

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Aeroturbina tipo Savonius Fuerzas de Arrastre

Turbina hidráulica tipo Pelton Anemómetro de cazoletas Mayoría de las aeroturbinas modernas

Fuerzas de Sustentación

Alas de avión y palas de la hélice Navegación a vela

En términos físicos, la fuerza sobre un cuerpo causada por su interacción con un fluido se produce por cambios en la velocidad y dirección del flujo alrededor del contorno del mismo. Estos cambios en velocidad se ven representados en cambios de presión alrededor de cuerpo y estas diferencias de presión es lo que producen la fuerza aerodinámica. La Figura siguiente ilustra las fuerzas aerodinámicas sobre un perfil aerodinámico.

Fig. Fuerzas aerodinámicas sobre perfil

La fuerza aerodinámica total es, entonces, la suma vectorial de la fuerza de sustentación (L en el dibujo ya que en inglés sustentación es lift) y la de arrastre (D del inglés drag), se entiende que diferentes formas aerodinámicas tendrán diferentes relaciones entre estas fuerzas. Es práctica común describir las propiedades aerodinámicas de perfiles en términos de coeficientes adimensionales, lo cual facilita el análisis y la comparación entre perfiles aerodinámicos. Los coeficientes adimensionales son: •

Coeficiente de Sustentación: que es la relación entre la fuerza de sustentación L y la fuerza (vectorial) que ejerce el fluido, y que podemos

26

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

obtener de la expresión de la potencia escrita en el apartado anterior: P=1/2ρv3πr2 sin más que dividir por v (P=F*V) •

Coeficiente de Arrastre: este coeficiente es la relación entre la fuerza de arrastre D y la fuerza que ejerce el fluido sobre el perfil. Estos coeficientes varía en función del ángulo de ataque (α). Como se observa

en la figura precedente, éste es el ángulo formado por la línea de cuerda del perfil aerodinámico y la dirección del flujo incidente. Estos coeficientes se han determinado experimentalmente en túneles viento, para un número amplio de perfiles aerodinámicos. La Figura que mostramos a continuación, ilustra el comportamiento típico de estos coeficientes de un perfil para un rango de ángulos de ataque.

Fig. Comportamiento de coeficientes de Sustentación y Arrastre de un perfil aerodinámico

Si miramos las gráficas, observaremos que, en general, los perfiles aerodinámicos alcanzan su valor máximo de coeficiente de sustentación para valores del ángulo de ataque entre 10° y 15°. Después de este valor el perfil entra, en lo que se conoce, como condición de perdida. En esta situación los perfiles disminuyen rápidamente su capacidad de generar fuerza de sustentación mientras que las de arrastre crecen rápidamente. Los perfiles aerodinámicos de las palas de los rotores eólicos son elegidos para operar entre la condición de pérdida y valores de ángulos de ataque bajos o aún

27

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

negativos. En la actualidad, se utiliza la condición de pérdida para realizar control aerodinámico en la operación de equipos con el fin de mantener velocidad de rotación constante en los rotores. Otro aspecto que influye en el comportamiento aerodinámico de los perfiles aerodinámicos es el efecto de la rugosidad de la superficie del perfil y los efectos de fricción entre el fluido y el perfil. Además los coeficientes son afectados por efectos de la viscosidad del fluido, función ésta del Número de Reynolds.

1.8 PARTES DE UN AEROGENERADOR Un sistema de generación eólica está formado por otros subsistemas menores que realizan una determinada función. En concreto, para las máquinas de gran potencia, los principales subsistemas que podemos encontrar se presentan de manera descriptiva en la siguiente figura:

28

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

A continuación enumeraremos los diferentes subsistemas principales que constituyen una aeroturbina, para después pasar a describirlos más detenidamente. • Rotor. • Caja de engranajes. • Generadores eléctricos. • Sistemas de regulación de potencia y de velocidad. • Sistemas de orientación. • Sistemas de conexión a red. • Sistemas de seguridad. • Controladores electrónicos locales. • Elementos de acoplamiento mecánico. • Chasis principal. • Torres. 1.8.1 ROTOR Los subsistemas básicos que constituyen el rotor son las palas o aspas, el cubo y la nariz. Su función es convertir la energía cinética del viento en la energía mecánica que se utiliza para impulsar el generador eléctrico. •

Palas Las palas están fabricadas y diseñadas con el fin de alcanzar un balance

óptimo en la captación eficaz de la energía del viento y lograr una mínima carga sobre la turbina, al mismo tiempo que un funcionamiento libre de problemas. Bajo esta afirmación se identifican distintos conceptos relacionados con el material utilizado. El primero de ellos tiene que ver con la forma de la aeroturbina. El conformado de la pala debe ser el adecuado y por tanto el material debe poder ser tratado y adaptado a la forma idónea sin pérdida de propiedades resistentes. Por otro lado hemos de conocer el comportamiento del material para las distintas situaciones de carga que se puedan producir. Por todo esto, el conocimiento y caracterización de los materiales a utilizar es paso indispensable a determinar antes de llevar a cabo cualquier diseño.

29

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

•

Cubo o buje El cubo del rotor es el elemento donde se unen las palas y mediante el cual la

potencia captada por el rotor se transmite al eje principal. En función de si el rotor está formado por dos o tres palas pueden presentarse dos tipos de buje: • Rígido, para aerogeneradores de tres palas, que consiste en una estructura metálica hueca que típicamente se construye con base en una fundición de acero nodular. • Basculante, para aerogeneradores de dos palas, el cual permite que las palas se puedan mover, ligeramente, en una dirección perpendicular al plano del rotor. •

Nariz La nariz del rotor es una cubierta frontal en forma de cono que sirve para

desviar el viento hacia el tren motor y mejorar la ventilación en el interior, eliminar turbulencia indeseable en el centro frontal del rotor y mejorar el aspecto estético. 1.8.2 CAJA DE ENGRANAJES En la selección o diseño de una caja de engranes para aerogeneradores se busca que tenga una relación óptima entre su capacidad de carga, su tamaño y su peso. Asimismo, deben operar con eficiencia alta y emitir poco ruido. Durante mucho tiempo se utilizaron cajas de engranes del tipo ejes paralelos. Ahora hay una tendencia a utilizar cajas del tipo planetario porque son más compactas, pesan menos, emiten menos ruido y en condiciones de carga parcial tienen una eficiencia mayor. Ante la construcción de generadores eléctricos de velocidad nominal baja, ha surgido un nuevo diseño constructivo en el que ya no es necesaria la caja multiplicadora. En este caso, el rotor se acopla directamente al generador eléctrico. Sin embargo, estos últimos son de fabricación especializada y sus dimensiones son relativamente grandes. La foto siguiente muestra una caja de engranajes y el generador:

30

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Actualmente, el 90 % de los aerogeneradores comerciales, en el rango de 200 a 3.000 kW, utilizan una caja de engranes en el tren motor y solamente el 10 % tienen un acoplamiento directo.

1.8.3 GENERADORES ELÉCTRICOS Los generadores eléctricos más utilizados para la configuración de sistemas eólicos han sido los generadores asíncronos, aunque con la reducción de costes en los sistemas eléctricos que separan la producción de energía de la eólica con la propia red eléctrica están empezando a colocarse en mayor número los síncronos, siendo éstos últimos los instalados en las máquinas sin multiplicador. 1.8.4 SISTEMAS DE REGULACIÓN DE POTENCIA Y VELOCIDAD La regulación de potencia y velocidad en aerogeneradores es relativamente compleja, y ha sido uno de los retos principales en el desarrollo de su tecnología. Actualmente, se utilizan los métodos que se describen a continuación: •

Variación del ángulo de paso (o calado) de las palas:

31

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

El primer método para el control de la potencia, una vez alcanzado el valor nominal, es el control del ángulo de paso de la pala (definido éste como el ángulo que se forma entre la cuerda del perfil aerodinámico en la punta de la pala y el plano de rotación). •

Control por desprendimiento de flujo: Este

segundo

método

de

control

de

potencia

se

aplica

en

aerogeneradores de palas donde el ángulo de calado permanece constante. En este tipo de sistemas al aumentar la velocidad del viento también lo hace la velocidad relativa produciéndose al mismo tiempo una variación en el ángulo de ataque.

1.8.5 SISTEMAS DE ORIENTACIÓN El objeto fundamental del sistema de orientación es mantener el rotor en un plano perpendicular a la dirección del viento, con el fin de extraer de él la máxima energía. La mayoría de los aerogeneradores en el mercado actual son del tipo a barlovento y utilizan servomecanismos para mantener el plano del rotor en posición perpendicular a la dirección del viento. Estos dispositivos constituyen el elemento unión entre la torre y la góndola del aerogenerador. Básicamente se construyen a partir de un cojinete y una corona dentada. La corona está acoplada a piñones montados sobre dos o más servomotores (eléctricos o hidráulicos). Normalmente el subsistema se encuentra habilitado, además, con un freno mecánico.

1.8.6 CONEXIONES A RED Este es uno de los campos donde más se está avanzando con el fin de aumentar la eficiencia en la conversión de energía en este tipo de sistemas.

32

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.8.7 DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD El objeto fundamental de este tipo de sistemas es el de proteger la integridad física de los humanos, así como la del equipo en su conjunto. Por ello, estos sistemas se ponen en funcionamiento generalmente en situaciones como: • Presencia de vientos mayores que la velocidad de salida. • Velocidad de rotación por arriba del máximo aceptable. • Pérdida de carga (desconexión o fallo de la línea de interconexión). • Exceso de vibraciones. • Temperaturas por arriba de las máximas aceptables (en generadores, cajas de transmisión, controladores electrónicos, etc.). • Pérdida de presión en controladores hidráulicos. Los medios que se utilizan para efectuar el paro forzado son: • Freno de disco. • Control del ángulo de paso de las palas. • Dispositivos de punta de pala (frenos aerodinámicos). • Control de orientación al viento. La mayoría de los aerogeneradores cuenta con dos (o más) de estos medios, los cuales pueden operar de manera independiente o coordinada. Dependiendo del modelo específico del aerogenerador se asigna uno de ellos como el medio principal de frenado. En aerogeneradores que tienen sistemas de regulación de velocidad por control del ángulo de paso de las palas, usualmente se asigna este medio como el de frenado principal. En este caso, se amplía su rango de operación para que sea posible colocar la cuerda del elemento de punta de pala en una posición casi paralela con la dirección del viento (posición de bandera). En la siguiente figura se ilustran los llamados ”dispositivos de punta de pala” que se utilizan en algunos aerogeneradores para reducir aerodinámicamente la velocidad del rotor antes de aplicar el freno de disco. Este dispositivo es una sección en la punta de la pala que se puede girar hasta 90º, con objeto de que su superficie se oponga aerodinámicamente al giro del rotor.

33

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.8.8 ELECTRÓNICA DE CONTROL Todos los aerogeneradores para centrales eoloeléctricas cuentan con un sistema electrónico dedicado al control y a la adquisición de datos (SCADA). Cada aerogenerador cuenta con un SCADA propio, independientemente de que éste forme parte de una central integrada por varias turbinas. Sus funciones principales son: • Controlar los procesos de inicio de operación y de conexión a la línea eléctrica. • Controlar la regulación de velocidad y potencia de salida. • Controlar la orientación del rotor con respecto a la dirección del viento. • Controlar los procesos de paro forzado. • Controlar los elementos auxiliares dedicados a mantener las mejores condiciones de operación normal. • Ser la interfaz local entre el operador y la máquina. • Adquirir y procesar los datos del comportamiento operacional de cada aerogenerador. • Mantener la comunicación con los centros de supervisión en centrales eoloeléctricas (transmisión de datos). Para tales fines, los SCADA miden y procesan las variables de control, entre las que se encuentran: • Velocidad y dirección del viento. • Velocidades angulares. • Temperaturas. • Presión. • Ángulo de orientación.

34

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

• Vibraciones. • Estados operativos. • Parámetros eléctricos. • Eventos. En la siguiente figura se muestra un sistema de control:

1.8.9 ACOPLAMIENTOS MECÁNICOS Durante el funcionamiento de un aerogenerador los componentes del sistema de transmisión están sujetos a fluctuaciones torsionales, desplazamientos axiales y desalineación entre los ejes. Estos efectos adversos deben ser minimizados para reducir esfuerzos y prolongar la vida útil de los componentes. Por ejemplo, en aerogeneradores que cuentan con una caja de engranes en el tren de potencia, la conexión mecánica al generador eléctrico se realiza mediante una barra de torsión provista de juntas homocinéticas en ambos extremos.

1.8.10 ESTRUCTURA SOPORTE, CHASIS O GÓNDOLA El chasis principal es una estructura metálica donde se monta el tren de potencia, el generador eléctrico, las mordazas del freno y, en su caso, las unidades hidráulicas. Este componente recibe las cargas del rotor a través del tren de potencia y las transmite a la torre vía el subsistema de orientación. Usualmente, el chasis principal está construido a partir de perfiles estructurales de acero soldados y placas de fibra de vidrio.

35

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.8.11 TORRES Las torres constituyen el elemento de apoyo del resto de subsistemas de la aeroturbina. Por tal motivo, su principal función es estructural. Para instalar aerogeneradores de eje horizontal se pueden utilizar torres tubulares o torres de celosía. En la siguiente fotografía el interior de una torre tubular, sobre las que están montadas las máquinas de potencias a partir de 1000kW.

1.9 ESTADO DE LA TECNOLOGÍA “SIN MULTIPLICADOR” Un aerogenerador conectado a la red eléctrica a través de un convertidor de frecuencia y diseñado para operar con velocidades de rotación variables, es uno de los más prometedores conceptos para el futuro desarrollo en el campo de la energía eólica. Esto permite obtener máxima eficiencia del rotor para una velocidad de viento dada. El uso de generadores eléctricos multipolos de baja velocidad elimina un caro y vulnerable elemento de la transmisión de los aerogeneradores tradicionales, el multiplicador. Esto permite reducir el peso, las dimensiones y el ruido mecánico en los aerogeneradores. Al mismo tiempo, una de las principales ventajas es una mejora de los parámetros técnicos y económicos de los equipos eléctricos, los cuales mejoran la eficiencia total del aerogenerador.

36

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Para la mejora de esta tecnología se necesita: •

Desarrollo de nuevos tipos de generadores multipolos con mejores características.

•

Desarrollo y optimización de convertidores de frecuencia y métodos para su control.

La primera implantación a gran escala de generadores multipolos de baja velocidad para aerogeneradores fue hecha por ENERCON (modelo E-40). El generador disponía de 84 polos, 6 fases y una conexión a red a través de un convertidor de potencia. Otra solución técnica es el uso de generadores multipolo con imanes permanentes (PMG). Este tipo de generadores alcanzan la más alta eficiencia ya que la ausencia de bobina excitadora en el rotor reduce las pérdidas.

1.9.1 COMPARACIÓN MERCADO MÁQUINAS CON/SIN MULTIPLICADOR Sólo unos pocos fabricantes de aerogeneradores ofrecen aerogeneradores sin multiplicador.

En la siguiente figura, se ve claramente que el mercado de aerogeneradores está dominado por tecnología basada en el uso de multiplicadores.

37

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

En la siguiente tabla se muestran las diferentes tecnologías usadas por los mayores fabricantes de aerogeneradores:

A continuación se muestra una gráfica en el que se puede apreciar el tipo de tecnología instalada durante el año 1997:

Debemos distinguir entre los aerogeneradores de velocidad constante de los de velocidad variable. Los aerogeneradores usan el concepto de velocidad variable si el rotor puede girar proporcionalmente a la velocidad del viento. El concepto de velocidad constante asume que la velocidad de rotación del rotor es constante para cualquier velocidad del viento.

38

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

El uso de convertidores electromecánicos de velocidad variable, en contraposición con la velocidad constante, tiene varias ventajas: •

Capacidad para extraer más energía del viento (por encima del 6%, dependiendo de la localización del aerogenerador y las palas)

•

Reducidas fluctuaciones en la red.

•

Bajas emisiones de ruidos a bajas velocidades.

•

Bajas cargas mecánicas en los componentes del aerogenerador durante la transmisión del par.

La siguiente tabla, muestra las características de varias tecnologías usadas en los aerogeneradores actuales:

Se puede observar que las principales ventajas de la tecnología sin multiplicador disponible actualmente comparada con la tecnología tradicional son: •

Menores requerimientos de mantenimiento.

•

Menor ruido debido a la velocidad variable y también debido a la ausencia de multiplicador.

•

Alta eficiencia a bajas velocidades del viento.

39

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Por el contrario, las principales desventajas son: •

Mayor coste.

•

Menor facilidad de transporte e instalación debido al mayor diámetro de la máquina.

•

Menor eficiencia a altas velocidades del viento.

Son las dos primeras desventajas las que principalmente impiden la inmediata sustitución de la tecnología con multiplicador. 1.9.2 ANÁLISIS DE COSTES DE LAS TECNOLOGÍAS CON/SIN MULTIPLICADOR Se va a intentar realizar

una comparación entre los costes de las dos

tecnologías expuestas hasta ahora. Se debe resaltar, que es muy difícil poder traducir en costes factores como el mantenimiento y emisión de sonidos. En este apartado nos limitaremos a comparar el precio de los equipos. Los datos que se van a proporcionar han sido obtenidos de diversos suministradores. Se ha obtenido el coste de una caja multiplicadora, un generador inductivo, un generador síncrono y convertidores electrónicos de diferentes suministradores. Para un aerogenerador de 750kW se obtuvieron los datos expuestos en el siguiente gráfico:

40

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Los resultados obtenidos nos muestran como los aerogeneradores sin multiplicador tienen en general un precio más elevado, que en este caso concreto era del orden de un 30% más. 1.9.3 DISCUSIÓN Enercon lanzó la tecnología de los aerogeneradores sin multiplicador hace unos años. Hoy en día compañías como Lagerwey, IGBT, Jeumont, GeneSys... han desarrollado sistemas similares. Este

tipo

de

tecnología

ofrece

una

alternativa

competitiva

a

los

aerogeneradores convencionales. Como hemos visto, tienen unas ventajas muy importantes. Sin embargo se deben hacer esfuerzos para: •

Reducir el coste del generador.

•

Desarrollar nuevos diseños de generador con menor diámetro.

•

Investigar en el campo de los convertidores, para mejorar el coste eficiencia.

1.10 IMPACTO AMBIENTAL 1.10.1 INTRODUCCIÓN El potencial de mitigación de emisiones que ofrece la generación eoloeléctrica representa una ventaja sobre las tecnologías de generación convencionales que queman carbón y combustibles derivados del petróleo. El valor efectivo de este ahorro de combustibles y de mitigación de emisiones a la atmósfera depende de la mezcla de tecnologías de generación en el sistema eléctrico que se trate. La Comisión Europea estima que la operación de 10.000 MW eoloeléctricos en la Unión Europea evitaría la emisión de 20 millones de toneladas de CO2 por año, lo que representaría un ahorro total de 3.500 millones de euros por el concepto de combustibles fósiles no quemados. Se ha comprobado que los efectos negativos sobre el medio ambiente que producen la construcción y funcionamiento de un parque eólico son en general escasos, como veremos a continuación.

41

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.10.2 IMPACTO SOBRE LA VEGETACIÓN Consideraremos como impacto sobre la vegetación el impacto por erosión del suelo, puesto que en la erosión queda implícita la pérdida de la vegetación. La importancia y significación de la vegetación en la identificación de los impactos ambientales radica en ser, por lo general, un elemento fundamental en la expresión de los ecosistemas. En la estimación de los impactos sobre la vegetación es preciso considerar dos cuestiones: el valor de la vegetación presente en la zona en la que se va a llevar a cabo el parque eólico, y la incidencia en ella de las operaciones de construcción y posterior funcionamiento del parque. Los impactos sobre la vegetación pueden ser directos (desaparición de la vegetación), o indirectos (interrupción de cursos fluviales, utilización de herbicidas, incendios, pastoreo). Los primeros tienen lugar preferentemente en el momento de la construcción del parque, son fáciles de prever: •

Movimientos de tierras en la preparación de los accesos al parque eólico.

•

Realización de cimentación.

•

Construcción de edificación de la instalación. Los impactos indirectos suelen producirse durante el funcionamiento del par-

que. Su previsión es a veces difícil. Para minimizar estos riesgos deben realizarse al menos los estudios siguientes: •

Hidrología y pluviometría.

•

Trazado y perfiles transversales del camino.

•

Impactos sobre la vaguada y cursos de agua.

1.10.3 RUIDO La emisión de ruido acústico puede llegar a ser un inconveniente cuando los aerogeneradores se instalan cerca de lugares habitados. Para que las centrales eoloeléctricas no ocasionen molestias de ruido a sus vecinos, algunos países han emitido normas ambientales que limitan su cercanía a lugares habitados.

42

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

La siguiente figura:

Nivel de sonoro en función de la distancia

muestra un ejemplo de cómo disminuye el ruido que emite un aerogenerador en función de la distancia a su punto de instalación. La figura siguiente muestra una comparación con el ruido que se percibe de otras fuentes:

Escala de ruido

1.10.4 IMPACTO VISUAL El impacto visual depende de la percepción de las personas. Al igual que el problema de ruido, el impacto visual depende de la cercanía entre las poblaciones y las centrales eoloeléctricas. Asimismo, adquiere mayor o menor dimensión dependiendo de varios factores psicológicos y sociales.

43

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

1.10.5 IMPACTO SOBRE LAS AVES A la par de la experiencia operativa de una gran cantidad de centrales eoloeléctricas en el mundo, se han emprendido estudios sobre la mortalidad de aves al chocar contra los rotores y las estructuras de los aerogeneradores. También se ha estudiado el efecto de los aerogeneradores sobre el hábitat y costumbres de las aves. La Asociación Europea de Energía Eólica apunta que la muerte de aves a causa de los aerogeneradores, a pesar de su tamaño y de sus palas en movimiento, no presenta un problema especial, de acuerdo a lo encontrado en estudios realizados en

varios países europeos. Las líneas de transmisión de energía

eléctrica presentan una amenaza mucho mayor que los aerogeneradores.

2.

TURBINAS

CONEXIÓN

EÓLICAS

DIRECTA:

CON

GENERADORES

POSIBLES

TIPOLOGÍAS

DE DE

GENERADOR

A continuación pasamos a realizar un estudio general de los tipos de máquinas de posible utilización en el campo de los aerogeneradores o turbinas de viento sin multiplicador de velocidad, también llamados de conexión directa.

44

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

En realidad, la diferencia entre los tipos de máquinas se basa principalmente en la filosofía del generador, y por tanto nos centraremos en la variedad de estos últimos a la hora de discutir las diferentes posibilidades de producción de energía eléctrica.

2.1 INTRODUCCIÓN La característica de las máquinas de conexión directa es que no poseen un tren de engranajes que ajuste la velocidad de giro del rodete a la necesaria para la producción de electricidad a la frecuencia deseada. Por tanto, los generadores que utilizan deberán tener distintas peculiaridades de los de las turbinas que sí lo montan. Veremos que el tipo de generador más usado para máquinas sin multiplicador es el de polos de magnetización permanente, es decir, imanes permanentes. Los imanes permanentes permiten deshacerse de las curvas de excitación de corriente continua, y por tanto, de los anillos de deslizamiento que suponen una pérdida de potencia por producción de calor debido a la resistencia de contacto que presentan. Esto nos permite obtener máquinas eléctricas con mayor densidad de potencia. Por otro lado, el creciente desarrollo en el campo del control electrónico (IGBTs e IGCTs) hace que se puedan adaptar mejor la electricidad producida a las ondas de corriente y tensión con igual frecuencia que la de la red, siendo posible que las máquinas trabajen con tensiones de onda cuadradas, en frecuencias óptimas para su funcionamiento. Debido a la gran cantidad de aplicaciones, velocidades y pares torsores de funcionamiento, existe una gran variedad de configuraciones de máquina, y no entraremos al estudio particular de cada una de ellas. Se dedicará mayor extensión a las máquinas de magnetización permanente por ser más baratas, ligeras y pequeñas, y por tanto apropiadas para los aerogeneradores de conexión directa.

2.2 GENERADOR DE INDUCCIÓN DIRECTA O ASÍNCRONO La posibilidad de usar un generador de inducción directa en turbinas de viento la rechazan muchos autores. A continuación se expone el desarrollo teórico del

45

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

generador y luego veremos las conclusiones que desechan su utilización en máquinas sin multiplicador. Las máquinas de inducción requieren una corriente de magnetización para producir fuerza electromotriz (fem) en el rotor. La inductancia magnética se define como:

donde Lm es la inductancia magnética de un fase de la máquina, np es el número de vueltas por polo y fase, Am es el área del circuito magnético para un polo, p es el número de pares de polos y la g es la anchura del entrehierro. Como regla general, la g se toma como:

donde dg es el diámetro exterior del entrehierro. La inclinación de los polos τp se define como:

Se denomina inclinación porque es el ángulo con centro en el centro del rotor que abarca un polo. En la expresión de Lm , el área Am debe ser escogida de manera que la densidad de flujo en los dientes del estator sea menor que la de saturación. Para simplificar, se utilizará la densidad de flujo del entrehierro, en vez de la de los dientes. Asumimos que si se toma Bgmax = 0,7 T (máxima densidad de flujo del entrehierro) se previene la saturación en los dientes del estator. Según la ley de Faraday, el flujo magnético en la huella de aire se define como:

46

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

donde, E es la amplitud máxima de tensión del estator, ωs es la frecuencia eléctrica del estator y ϕp es el flujo magnético en el estator en el entrehierro para un polo y una fase. Los valores se supone que varían senoidalmente. También, se asume que cada polo tiene un régimen de vueltas np por fase en el stator. De la ecuación de ϕp , el flujo máximo por el entrehierro es:

ϕ p max =

E∗ 2 = 2 ∗ n p ∗ ωs ∗ p

E 2 ∗ n p ∗ ωs ∗ p

donde E es la tensión del estator. Por definición:

ϕ p = Am ∗ B g ≤ Am ∗ B g max Asumiendo que el circuito magnético está optimizado, la ecuación anterior nos da:

ϕ p max = Am ∗ B g max Mediante las dos expresiones anteriores de ϕpmax obtenemos la expresión de Am:

Am =

E 2 ∗ n p ∗ ω s ∗ p ∗ B g max

La corriente que circula por el estator se define como:

donde A se expresa por unidad de longitud (A/m), I es la intensidad de corriente del estator, y m el número de fases. Combinando las ecuaciones anteriores obtenemos la velocidad de giro por polo y fase: np =

250 ∗ Π ∗ A p∗m∗I

47

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Obtenemos también: Lm =

500 ∗ 2 ∗ Π ∗ µ 0 ∗ E ∗ A ω s ∗ p ∗ m ∗ I ∗ B g max

La potencia aparente de la máquina se define como:

Las dos expresiones anteriores nos dan otra expresión de Lm: 500 ∗ 2 ∗ Π ∗ µ 0 ∗ E 2 ∗ A Lm = ω s ∗ B g max ∗ S ∗ p

Consideremos

ahora

dos

máquinas

inductoras,

ambas

conectadas

directamente el eje del rotor al generador. La primera de ellas tiene 4 polos (p1=2), y gira a 1500 rpm (con multiplicador), y la segunda tiene 120 polos (p2=60) a 50 rpm (conexión directa). Ambas tienen igual frecuencia eléctrica ωs, tensión en el estator, E, corriente A, potencia aparente S, y densidad de flujo máxima Bgmax. La relación de inductancias magnéticas para estas dos máquinas es: Lm 2 p 2 = 1 = Lm1 p 2 60

La máquina 2, con mayor número de polos tendrá menor inductancia magnética, y requerirá mayores corrientes de magnetización. El mayor numero de polos necesitará por tanto mayor diámetro de rotor (y en consecuencia mayor volumen). Esto hace que la máquina tenga bajos factores de potencia y por lo tanto, bajo rendimiento. Para aumentar la potencia, la densidad de flujo del aire debe disminuir, aumentando el área de circuito magnético Am (máquinas con baja densidad de corriente de aire que requieren mayor longitud del rotor). Además, la máquina de inducción proporciona la excitación al rotor a través del devanado del estator. Por tanto éste debe conducir la potencia activa y la reactiva necesaria para la excitación del rotor, lo que hace tener mayores pérdidas en el cobre, y requiere de hilos de cobre de mayor sección, que exige mayor volumen de la máquina y de las ranuras en el estator.

48

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Si se intenta llegar a una solución de compromiso entre altas densidades de par torsor y altos factores de potencia, obtenemos malos resultados (factor de potencia de 0.67 y rendimiento del 84%), una densidad de par de un 40% menor que en el caso de generadores asíncronos de potencia equivalente. Por otra parte, la potencia máxima de estas máquinas se alcanza para un valor de deslizamiento alrededor del 1%, que es difícil de controlar en una turbina de viento sin multiplicador de velocidades porque depende de la velocidad del viento, por lo que al variar éste baja el rendimiento de la máquina. Se podría controlar el deslizamiento con un freno mecánico para el rotor (que necesitaría una refrigeración propia) o electrónicamente con tiristores en el circuito del rotor, que permiten regular el deslizamiento ente el 1 y el 10%. Por tanto, se pueden construir máquinas de inducción magnética pero al ser la velocidad de rotación del rotor mucho menor que la frecuencia de la red y no llevar el aerogenerador multiplicador de velocidad, se necesita un diseño con gran número de polos, con lo que se obtiene una inductancia magnética baja, baja densidad de par, bajo factor de potencia y bajo rendimiento. Por tanto, el uso de generadores de inducción de conexión directa, no se considera una opción correcta en cuanto a turbinas eólicas.

2.3 GENERADORES TIPO SRM (SWITCHED RELUCTANCE MACHINE) Este tipo de máquinas siguen un esquema como el de la figura siguiente. Al igual que la máquina de inducción tampoco monta la excitación del rotor sobre él, sino en el devanado del estator, que, según algunos estudios, conlleva una penalización de la corriente de excitación de entre el 35 y el 60%, haciendo que la relación voltaje/intensidad sea mayor que en otras máquinas, ente ellas la de inducción. Es decir para la misma diferencia de potencial, se consigue menos corriente.

49

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Otros estudios reflejan que para un mismo rendimiento de máquina, las de tipo SRM son más compactas y un poco más ligeras que las de inducción. Estas máquinas SRM tienen una construcción bastante robusta. También se ha llevado a cabo varios estudios comparando diversos tipos de máquinas SRM (de flujo radial o de flujo transversal) con máquinas de magnetización permanente de flujo radial (RFPM), máquinas síncronas, para aerogeneradores de conexión directa, con el resultado de tener un coste similar para máquinas de menos de 1 metro de diámetro, y mucho mayor las de SRM para mayores diámetros. En conclusión, estas máquinas tienen un coste similar o superior, según el caso, que las máquinas de flujo radial de magnetización permanente y presentan una relación voltaje / intensidad mayor que ellas, por lo que no parecen ser una buena apuesta para las turbinas de viento de conexión directa.

50

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

2.4 GENERADORES SÍNCRONOS CON EXCITACIÓN ELÉCTRICA La alternativa a los tipos de máquinas vistos anteriormente son las máquinas síncronas, que son las que en la práctica se utilizan en aerogeneradores de conexión directa. Este tipo de máquinas montan la fuente excitadora directamente sobre el rotor. Se pueden distinguir dentro de ellas dos tipos de excitación: excitación por bobinas o excitación por magnetización permanente. Las máquinas de motor bobinado tienen una gran ventaja frente a las máquinas de magnetización permanente, y es que la corriente de excitación es regulable, es decir, su magnetización es regulable más o menos fácilmente, y por tanto se puede ajustar la tensión en vacío. Ésta es la razón por la que se utilizan en centrales hidráulicas de velocidad constante conectadas a la red directamente en lugar de usar magnetización permanente. Sin embargo, en el caso de la generación eólica, los generadores síncronos se conectan a la red mediante un convertidor electrónico, por lo que la regulación de la tensión en vacío de la máquina no es una cuestión tan crítica. Las máquinas de magnetización permanente tienen sin embargo otra ventaja que en el caso de aerogeneradores sin multiplicador se aprovechará mejor, por la siguiente razón: para una densidad de par dada, un mayor número de polos permite una disminución de volumen (que se traduce en masa y coste) del núcleo del rotor y de la parte exterior del estator. Es por tanto una filosofía que interesa en este tipo de aerogeneradores, pues precisamente una razón de eliminar la caja de velocidades es reducir el peso en la góndola del aerogenerador. Así, el diseño se decantará por utilizar un numero elevado de polos, lo que implica que el paso entre polos será reducido si queremos hacer la máquina lo más compacta posible. Sin embargo, los rotores excitados eléctricamente no se adaptan bien estas exigencias de pasos de polo pequeño y reducido diámetro, puesto que para conseguir la misma excitación, si se reduce el paso del polo, hade aumentarse la altura del mismo, no consiguiendo por tanto una reducción de volumen. Como se puede apreciar en la siguiente figura, los rotores de magnetización permanente son

51

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

mucho menos voluminosos para una densidad de flujo equivalente que los de excitación eléctrica.

Máquina síncrona de excitación eléctrica

Máquina sínccrona de magnetización permanente Se puede relacionar aproximadamente la relación entre las alturas hCur y hPM mediante la siguiente expresión:

2·BFesat ·( Br − Bg ) hCur = hPM µ 0 ·J r ·k rfill ·τ p ·( BFesat − Bg )

52

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

donde BFesat es densidad de flujo de saturación del hierro, krfill es el factor de llenado de cobre, Br es la densidad e flujo remanente y Jr es la densidad de corriente. Se puede ver que una reducción del paso del polo τp (aumento del número de polos) a igualdad del resto de valores implica un aumento de altura del polo de la máquina excitada eléctricamente respecto a la de magnetización permanente. Para unos valores típicos como BFesat= 1.8 T, krfill = 0.7, Br =1.2 T y Jr =2 A/mm2 podemos obtener una gráfica como la siguiente.

El bajo valor de la densidad de corriente se elige para obtener buenos valores de rendimiento. Como se puede observar, para crear una densidad de flujo en el entrehierro en vacío similar, el volumen de la máquina de excitación eléctrica es mucho mayor que el de la de magnetización permanente, y la diferencia se incrementa a a medida que se reduce el paso del polo. Por otra parte el coste específico, es decir por unidad de volumen, de los materiales para construir los imanes permanentes (Nd-Fe-B) es entre 5 y 15 veces mayor que el del cobre y el acero laminado usado en las máquinas de excitación eléctrica. Según la gráfica anterior, un paso de polo de 10 cm tiene una relación de alturas de polo aproximada de 10 (coincidente con la media entre 5 y 15 del precio especifico), por tanto podemos extrapolar que para pasos menores de 10 cm, la solución de magnetización permanente es más barata que la de excitación eléctrica. Estos valores son aproximados, puesto que para la gráfica se han supuesto imanes de 180º y normalmente son más pequeños, así como un espesor de entrehierro

53

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

constante en ambos casos siendo usual formas redondeadas para conseguir mejores formas de onda. Otra desventaja de la excitación eléctrica son las elevadas pérdidas en el cobre por efecto Joule. Aunque los imanes permanentes también tienen pérdidas por corrientes parásitas, éstas son mucho menores que las del cobre, que se verán incrementadas además si el número de polos crece. Se han hecho algunos estudios en los que se ha calculado el paso de polo óptimo para cada tipo de máquina en conexión directa, resultando que para la de excitación eléctrica se encuentra entre 20 y 45 cm, mientras que para la de magnetización permanente está entre 6.8 y 10 cm.

Sin embargo, en estudios

hechos sobre grandes máquinas haciendo cálculos globales que incluyan costes de componentes de rotor y estator, material activo y también pérdidas eléctricas a largo plazo, resulta que la máquina de síncrona de magnetización permanente tiene un coste y volumen (peso) menor que la de excitación eléctrica. De todo lo expuesto anteriormente se justifica la actual tendencia a usar generadores de magnetización permanente en lugar de motores bobinados en aerogeneradores de conexión directa entre el rotor de las palas y el de la máquina eléctrica.

2.5 GENERADORES SÍNCRONOS DE MAGNETIZACIÓN PERMANENTE Hemos visto que las máquinas con imanes permanentes se adaptan mejor a las características buscadas para turbinas de viento con conexión directa. Además de lo dicho anteriormente, estas máquinas permiten un gran flexibilidad en cuanto a la disposición de los imanes y por tanto geometría de la máquina. Por ello existen múltiples configuraciones, de las que veremos algunas a continuación. En general podemos clasificarlas según distintos criterios:

•

Máquina radial o axial: dependiendo de la dirección del vector normal al entrehierro de la máquina.

54

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

•

Núcleo del estator longitudinal o transversal: según la orientación del conductor de cobre en el estator.

En las máquinas longitudinales, el espacio para el conductor se reduce si el número de polos crece, cosa que no ocurre en la máquina transversal.

•

Imanes en superficie o flujo concentrado: dependiendo de la dirección de la magnetización respecto a la superficie del entrehierro.

•

Estator ranurado o sin ranurar: el estator puede ir dentado y las bobinas de cobre alrededor de los dientes o no tener dientes y montar las bobinas directamente en el entrehierro, lo que conlleva un problema para fijarlas en su 55

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

sitio. En máquinas axiales presentan la ventaja de una fabricación mas sencilla y barata, además de producir menos pérdidas en el hierro. Esto es interesante para máquinas de alta frecuencia. Sin embargo estos estatores sin ranuras presentan mayores pérdidas en el cobre debido a corrientes parásitas de magnetización. Analizaremos a continuación algunas configuraciones de máquina. 2.5.1 MÁQUINAS DE FLUJO RADIAL Las máquinas de flujo radial se pueden diseñar con flujo en el conductor de cobre longitudinal o transversal. El flujo radial-longitudinal en el conductor tiene una dirección paralela al eje del rotor (es el caso de la máquina radial tradicional). El flujo radial-transversal es normal al eje del rotor. Todas las máquinas de flujo radial se pueden expresar mediante la siguiente fórmula:

Vg =

Tem 2 ∗ (Fem / Ag )

donde Vg es el volumen del entrehierro, Tem es el par electromagnético de la máquina, Fem es la fuerza electromagnética del entrehierro, y Ag es su área. El par producido en aerogeneradores es, por lo general, elevado. La Fem/Ag es la densidad de fuerza y controla la densidad de potencia en las máquinas de flujo radial.

2.5.1.1 Máquinas de flujo radial-longitudinal Son las máquinas de magnetización permanente de flujo radial (RFPM) denominadas convencionales por ser las más comunes de este tipo en la industria general. Como se puede ver en la siguiente figura,

56

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

este tipo de máquinas (RFPM) tiene los dientes del estator tradicionales. El estator está construido mediante perforaciones y láminas de acero. Los dientes formados en estas láminas de acero se rellenan de con el conductor, generalmente cobre. El acero conduce el flujo magnético, y el conductor transmite la corriente. En la figura podemos ver una máquina trifásica con dos conductores por ranura. La cantidad de material ferromagnético y material conductor se pone guardando un compromiso entre el flujo y la corriente que circula, deforma que se aproveche lo mejor posible la corriente en la máquina y su fuerza electromotriz. La corriente de flujo en una RFPM convencional circula en la dirección que se muestra en la siguiente figura. En ella se muestra un polo de la máquina RFPM. Para su explicación se desarrollan el estator y el rotor de una máquina lineal.

57

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Detalle de un polo de RFPM

Las ranuras y dientes tienen una altura de hs, una inclinación o paso de τ, y un ancho de diente de bδ. Para un ancho de diente mínimo y una altura de ranura máxima, obtenemos el óptimo de la máquina. Hay que tener en cuenta la limitación mecánica siguiente:

En cada ranura los conductores están caracterizados por la densidad de corriente Js que circula por ellos. La fem para una vuelta se expresa como:

donde Ac es el área magnetizada. El área máxima se define como:

donde τp es la inclinación o paso del polo, y L es la longitud de unión del estator. Se considera el flujo magnético como una onda triangular, y el máximo valor de densidad de flujo es Bg. Por tanto, la fem sin carga es una onda cuadrada de amplitud:

58

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

donde ns es la velocidad de rotación en rpm de la máquina, y p es el número de pares de polos. Teniendo en cuenta que el devanado del estator es doble, y tomando 1 vuelta de np por polo, la fem total para una máquina es:

donde E1 es la tensión de la máquina en una fase y np son las vueltas por polo y fase. De la ecuación anterior observamos que aumentando el número de pares de polos, y disminuyendo la inclinación o paso del polo τp aumentamos la fem total de la máquina (debido al factor p2 de la ecuación anterior). Por otro lado, debido a la geometría no es posible disminuir la inclinación del polo hasta valores excesivamente bajos. Para dichos valores, el diseño de la máquina podrá estrangular el flujo magnético o la corriente eléctrica. En el primer caso, la densidad máxima en el entrehierro debe reducirse para evitar que se sature el circuito magnético. En el segundo caso se tendrá que reducir el número de vueltas o la sección del conductor. En cualquier caso, la potencia exterior de la máquina está limitada. La cantidad de corriente se define como:

A=

2 ∗ m ∗ np

τp

∗I

donde A es corriente por unidad de longitud y m es el número de fases. Utilizando las dos últimas ecuaciones, obtenemos la potencia total aparente de la máquina:

o en función del diámetro del entrehierro:

59

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Para una máquina RFPM, A puede tomar valores de 40 a 60 kA/m para máquinas grandes pero no puede exceder estos valores sin una densidad de corriente extrema y requerimientos de refrigeración críticos. Para una corriente dada, la potencia aparente de la máquina no varía en función del paso o número de polos, pero si aumentando las dimensiones como son el diámetro del entrehierro, o la longitud del estator. Tomando S=P y el 100% de rendimiento, la densidad de fuerza es:

donde la densidad de fuerza se expresa en kN/m2 , Ag es el área total entrehierro, y A es la corriente por la máquina. En la ecuación anterior se asume que tanto la tensión como la corriente tienen ondas cuadradas. Si fueran senoidales, habrían de tenerse en cuenta otros factores. Para A=60 kA/m y B0=0,8 T la densidad de fuerza queda limitada a 48 kN/m2, ligeramente mayor al valor típico que se obtiene optimizando una máquina de gran diámetro. La anterior ecuación no tiene en cuenta posibles escapes de flujo entre imanes adyacentes. El flujo magnético se reduce proporcionalmente a la reducción de densidad de fuerza. Se pueden obtener densidades de fuerza de 40kN/m2. La densidad de potencia se puede expresar de manera general como:

donde Ke, Ki y Kp son factores de tensión, corriente y potencia respectivamente, η es el rendimiento del generador en % y λ0 es el diámetro exterior del entrehierro. La densidad de potencia se mide en W/m3 y es directamente proporcional a la velocidad de giro de la máquina, e independiente del número de polos. El factor f/p, es siempre constante para una velocidad de giro dada. El concepto de flujo longitudinal-radial tiene limitaciones intrínsecas debido a la corriente que circula y a la densidad de fuerza. Por encima de 60 kA/m, adquiere

60

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

importancia la saturación en la corona del estator, haciendo que el rendimiento del conductor sea menor. Para un imán de tamaño convencional, la densidad de fuerza queda limitada a 50-70kN/m2. Por tanto, cualquier incremento de la corriente, producirá un aumento en el volumen.

2.5.1.2 Aspectos sobre el material conductor y magnético en las RFPM En muchas máquinas rotativas, la fem es proporcional al número de polos. Para lograr una tensión lo mayor posible, el número de polos deberá ser bastante elevado. Para lograr la potencia de la máquina lo mayor posible, el número de vueltas y la corriente que circule por los conductores deberá ser también lo mayor posible. Para obtener una corriente alta y un alto número de vueltas, es necesario darle un ancho, alto y profundidad a las ranuras del estator suficientes para poder alojar una sección de conductor suficiente. Surge entonces un conflicto entre el espacio necesario para el conductor y el material ferromagnético del estator. Si el conductor ocupa la mayoría del espacio, el hierro será pequeño se saturará. Esto lleva a un incremento en el paso de los polos, reduciendo el número de polos para un diámetro dado, lo cual no es deseado. Si por el contrario el diente es ancho y el cobre estrecho, se producirán pérdidas en el cobre por disminución de su sección. Los finales de vuelta son necesarios para establecer la conexión entre los distintos conductores pero no contribuyen a la fem. Una ventaja de esta tipología es que todas las láminas son idénticas y están colocadas una a continuación de otra, con lo que su coste de fabricación se reduce considerablemente, y permite bastante flexibilidad en lo que a tamaño de diseño se refiere. Por otro lado gran parte de la máquina es electromagnéticamente inactiva. En cualquier aerogenerador de conexión directa, el número de polos es elevado, y el diámetro es grande. En consecuencia, la parte central del rotor no se utiliza, lo que contribuye a hacer baja la densidad de potencia.

61

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

En cuanto a los imanes permanentes, se comprueba que las zonas de unión entre dos imanes consecutivos contribuyen muy poco a la magnetización del estator, y por lo tanto se recurre en el diseño a la eliminación de material de los imanes en estas zonas, obteniendo un ahorro en el coste de material. La separación que se suele dejar entre imanes es entre 0.1 y 0.3 veces el paso del polo.

2.5.1.3 Máquina de flujo radial modular

Estator convencional

Estator modular

La tipología de este tipo de máquinas no es muy distinta de las anteriores. Permite una construcción más sencilla y reduce el gasto de material. El mismo modelo de estator se puede utilizar para varios diseños de máquina distintos, lo que constituye una ventaja de cara a su fabricación.

Existen muchos tipos de

modulación, en los que no entraremos particularmente. Experimentalmente se concluye que para obtener inducciones altas, es necesario poner una unidad compleja de potencia. Esta solución puede resolver problemas relacionados con la inestabilidad mecánica entre los módulos, la cual puede llegar a generar ruido y fatiga. Para usar esta estructura se deberá prestar especial atención al trazado mecánico. La siguiente figura ilustra el trazado de otro tipo de módulo que es posible con este planteamiento.

Máquina longitudinal con PM de flujo radial. Modelo modular

62

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

2.5.1.4 Uso de técnicas de concentración de flujo La superficie de magnetización permanente en el rotor puede sustituirse por la orientación lateral de imanes permanentes dentro de ranuras del rotor como se muestra en la siguiente figura. Con esto se consigue una densidad de flujo en el entrehierro superior lo que permite emplear imanes férreos de bajo coste frente a los utilizados en el otro modelo (Fe-Nd-B). Además se consigue mayor masa magnetizada y menor coste de magnetización. Sin embargo tiene como inconveniente la mayor complejidad de fabricación del rotor, por lo que se podría compensar el ahorro conseguido por el uso de imanes de ferrita.

Máquina longitudinal de flujo radial con imanes férreos y concentración de flujo

Otra forma de conseguir concentración de flujo en la máquina RFPM es mediante el uso de imanes permanentes de Nd-Fe-B con perfil en V en lugar de rectangular, como en la figura que se muestra a continuación:

Imanes permanentes de tierra raras con sección en V

Por ejemplo, para una reducción de área del imán de rectangular de 144 a 120 2

mm en V, el flujo en vacío baja de 17.5 a 16.5 mWb/m. Esto supone que una reducción de un 17% de material implica una reducción de flujo de un 6% (aprox. la 63

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

tercera parte), y además se obtiene un aumento de Wb/m3 generados del 13% en vacío. 2.5.1.5 Uniformización del par mediante uso de imanes curvados Las máquinas de magnetización permanente poseen una característica inherente como es un par entregado no uniforme, sino con fluctuaciones periódicas, debido a la geometría del generador. Es importante conseguir uniformizar este par porque afecta al autoarranque de la máquina, y además produce vibraciones y ruidos en el aerogenerador. La potencia aerodinámica generada por el aerogenerador se puede expresar según la siguiente ecuación:

P=

1 ρ · A·C p ·V 3 2

donde ρ es la densidad del aire, A el área barrida por las palas, V la velocidad del viento y Cp un coeficiente de funcionamiento. Y el par se puede expresar como:

T=

P

ωs

donde P es la potencia de salida de la turbina y ωs la velocidad de giro del rotor. Otro factor usado es el TSR (tip-speed ratio), definido como sigue:

TSR =

ω s ·R V

donde R es el radio de rotor. Una curva típica del coeficiente de funcionamiento es la siguiente, donde el límite superior del TSR lo marca la generación de ruidos y vibraciones:

64

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Cp vs. TSR

Cuando el rotor está parado o arrancando, el coeficiente TSR es muy bajo y por tanto también lo es Cp, por lo que es muy poca la potencia que se extrae del viento. En esta situación es muy deseable que el par sea lo más uniforme posible para que la potencia aerodinámica pueda vencerlo y que la turbina comience a girar. Durante el funcionamiento, en aerogeneradores pequeños, estas fluctuaciones de par pueden llevar a un funcionamiento irregular de la máquina debido a su baja inercia, que no es capaz de suavizar la marcha, además de poner en peligro la integridad de la estructura por vibraciones producidas. En grandes generadores este efecto es mucho menos importante debido a la gran inercia del sistema. Las máquinas de magnetización permanente poseen un gran número de polos debido a la velocidad de giro de su rotor. Así, aunque los polos sean planos, el espesor del entrehierro es aproximadamente constante.

Sin embargo, según

algunos estudios, se puede conseguir una reducción de la fluctuación del par hasta en un 50% mediante el uso de imanes con superficie curvada, como se aprecia en la siguiente figura:

65

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Fluctuación de par con espesor de entrehierro constante y no constante

También se ha observado la influencia en la fluctuación del ancho del polo. Para un mismo paso de polo, mismo estator y mismo forma curvada de la superficie del polo, existe un punto óptimo del ancho del polo para el que se obtienen una amplitud mayor y una frecuencia menor de la fluctuación, como se puede apreciar en la siguiente gráfica:

Fluctuación del par para distintos anchos de polo

Se puede observar que para un ancho de 0.9 veces la longitud nominal (igual al paso), se obtiene la menor fluctuación del par y mayor frecuencia, lo que es sumamente ventajoso sobre todo para el arranque de la máquina. Para un valor cercano, 0.88, la frecuencia se mantiene aproximadamente pero aumenta la amplitud, y para valores alejados de 0.9, la amplitud aumenta y la frecuencia disminuye en mayor medida. Otra forma muy efectiva de disminuir la fluctuación es desviando la dirección de los polos o de las ranuras del estator. Esta práctica puede llegar incluso a hacer desaparecer la fluctuación por completo, haciendo que un polo abarque un diente y

66

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

una ranura del estator completamente, pero esto conlleva un coste adicional de fabricación y de montaje que hace desestimar esta opción, teniendo que optar por una solución de compromiso, como se puede apreciar en la siguiente figura:

Fluctuación del par para distintos desvíos entre polo y estator.

2.5.2 MÁQUINA DE FLUJO RADIAL TRANSVERSAL La siguiente figura muestra el interior del estator con una vuelta de cobre en una máquina RFPM (Radial Transverse-Flux Machine) . Este diseño hace que parte del flujo magnético sea paralelo a la dirección del movimiento. Con este tipo de sistema la densidad de fuerza está limitada a 50-70 kN/m2.

Figura: Concepto de flujo longitudinal en estator de flujo radial En el libro “Achievable Force Densities for Permanent Magnet Excited Machines in New Configurations” de May H. se sugiere orientar el flujo magnético en una dirección perpendicular a la dirección de rotación. Este concepto se denomina Flujo transversal de imán permanente TFPM ( Transverse-Flux Permanent-Magnet) y se ilustra a continuación:

67

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Figura: Concepto de flujo transversal en estator de flujo axial En la imagen puede apreciarse la disposición del estator, el devanado de cobre, y los polos magnéticos (norte y sur representados por N y S) del rotor. Esta distribución permite una muy buena utilización del cobre, al eliminar los finales de vuelta. Una característica muy interesante, es que la inclinación del polo puede hacerse muy reducida, siendo menos dependiente de la corriente del estator. Los experimentos llevados a cabo por Weh H. y May H., manifestaron densidades de fuerza (en la práctica) de 251 kN/m2. Este valor puede incrementarse aumentando la altura del imán, por lo que se deduce que mediante el concepto de flujo transversal pueden obtenerse mayores densidades de potencia. La máquina representada en la figura es de dos fases, aunque también se pueden construir de una fase. Para simplificar los cálculos a partir de ahora se considerará una máquina de una única fase. Suponiendo que es la fase exterior en el dibujo. La fuerza electromotriz generada (fem) es:

femtot = N ∗

B ∗ dAc dϕ =N∗ dt dt

68

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

donde N es el número de vueltas por el ancho de la ranura hs, y Ac es el área magnetizada que contribuye a la fem. Se define Acmax como:

p  L Ac max =  ∗ τ p  ∗ 2  2 donde p es el número de pares de polos, L es la longitud axial del rotor y τp es la inclinación del polo. Se entiende como par de polos a la combinación de imán nortesur en dirección axial. Para la máquina RFPM la fem sin carga tiene una onda cuadrada, y el flujo magnético tiene onda triangular. Para la RFPM la densidad de flujo máxima es Bg. Así la ecuación de femtotal queda:

fem total = N ∗ p ∗ τ p ∗

L d (B ) L ∗ = N ∗ p ∗ τ p ∗ ∗ B g ∗ (4 f 4 dt 4

)

La frecuencia eléctrica se define como:

f =

ns  p  n ∗  = p ∗ s 60  2  120

donde ns es la velocidad de giro de la máquina en rpm. Dado que el diámetro de la máquina se puede poner como:

dg =

p ∗τ p Π

sustituyendo en la ecuación de femtotal obtenemos una tensión de:

E=

N ∗ (Π ∗ d g )∗ L ∗ B g 4

n  Π  ∗4∗ p ∗ s  = ∗ N ∗ d g ∗ L ∗ B g ∗ p ∗ ns 120  120 

69

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Vemos que aumentando los pares de polos, aumentamos la tensión en funcionamiento sin carga. Esto también se vio en las máquinas RFPM. En el caso de las TFPM hay menos conflicto en cuanto al espacio para la corriente y el flujo magnético. El espacio ocupado por los conductores, puede doblarse, únicamente si duplicamos el ancho de ranura hs. Esto no afecta ni al circuito magnético ni a la fem sin carga. Para obtener los mayores beneficios en la TFPM también es recomendable utilizar el máximo número posible de polos. Para una máquina de una fase, la potencia aparente es:

S = E∗I =

Π ∗ N ∗ d g ∗ L ∗ Bg ∗ p ∗ ns ∗ I 120

Tomando P=S y el 100% de eficiencia, el par será:

T=

S n   2∗Π ∗ s  60  

=

N ∗ I ∗ Bg ∗ d g ∗ L ∗ p 240

De donde se deriva que la densidad de fuerza es:

F / Ag =

2 ∗T  N ∗ I  Bg =  ∗ L ∗ Π ∗ d g2  2  τ p

La densidad de fuerza se define por N*I, limitado por el campo magnético coercitivo Hc. Depende también de la inclinación de la pala τp. Dicha inclinación se debe hacer lo menor posible, teniendo en cuenta que está limitada por la construcción mecánica, y por las pérdidas de flujo entre las piezas, lo que impone cierto margen (desconocido hasta el momento) entre las piezas magnéticas y los polos. Para la máquina RFPM el límite de densidad de fuerza lo marca el compromiso entre el área de flujo magnético y el área de conductor. Este no es el caso de la TFPM. Hay límites para densidades de fuerza siendo en general mayores que para las RFPM. Por ejemplo, para un grosor de imanes de 4 cm, la densidad de fuerza es de 251 kN/m2 en el caso de máquinas TFPM.

70

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

En el texto de Huang S. y Luo J. “Analysis and Evaluation of the Transverse Flux Circumferential Machine”, se determina la densidad de potencia según la expresión:

ξ = 1,762 ∗ (1 − K s ) ∗ K L ∗ B g ∗ A ∗

f

η

∗ λ0

donde Ks es la longitud axial de la ranura del estator respecto a la longitud total de la máquina, KL es la longitud total de la máquina respecto el diámetro de la huella de aire, Bg es la densidad de flujo de aire, A es la corriente por carga lineal (A/m), f es la frecuencia eléctrica del estator en Hz, η es la eficiencia del generador y λ0 es el diámetro de la huella de aire (ver figura TFPM). La densidad de potencia se mide en W/m3. Dicha ecuación es la forma general de la que se deriva la ecuación en la que definíamos S. En ambos casos, la densidad de potencia es proporcional a la velocidad de giro de la máquina, y al número de polos. A mayor número de polos, la frecuencia eléctrica aumenta, consiguiendo mayor densidad de potencia. La mayor desventaja de esta tecnología estriba en los problemas de fabricación de este tipo de máquinas. 2.5.3 MÁQUINAS DE FLUJO AXIAL PERMANENTE Las máquinas de flujo axial son máquinas que producen un flujo magnético en la dirección axial, en lugar de la dirección radial. La principal ventaja aportada por este tipo de máquinas es la capacidad de producir más flujo magnético que las de flujo radial para un diámetro dado. Esto se debe principalmente al uso de la zona dentro del diámetro , que en las de flujo radial no se aprovecha magnéticamente. Otro aspecto interesante es que estas máquinas cuenta con un hueco axial para el aire. Esto puede conducir a la disminución de las relaciones diámetroanchura en los huecos para aire respecto a los valores en las máquinas convencionales de flujo axial, porque las fuerzas gravitacionales actúan en la dirección radial y el hueco para el aire se encuentra en dirección axial. Uno de los inconvenientes de este tipo de máquinas son las fuerzas axiales de atracción entre el rotor y el estator. Mientras que en las máquinas de flujo radial las fuerzas de atracción se cancelaban dos a dos a lo largo del perímetro del hueco

71

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

para el aire, en las de flujo axial surge una resultante axial de valor elevado. Esto lleva a la necesidad de un refuerzo mecánico en la estructura, que encarece la fabricación. A continuación se describen los diferentes tipos de máquinas de flujo axial. 2.5.3.1 Máquinas de flujo axial de imán permanente ranuradas Esta máquinas tienen tal y como se ha descrito un hueco para el aire en dirección axial, presentan además un ranurado longitudinal del estator, por lo que algunos autores han dado en denominarlas “slotted axial-flux permanent magnet machine”. Estas máquinas han sido descritas por varios autores, como P. Letellier en “High power permanent magnet machines for electric propulsión drives,”( 2000), F. Profumo, A. Tenconi, Z. Zhang, y A. Cavagnino en “Design and Realization of a Novel Axial Flux Interior PM Synchronous Motor for Wheel-Motors Applications,” (2000) ó F. Sahin en “Design and development of a high-speed axial-flux permanentmagnet machine,”( 2001). En la tercera publicación de las mencionadas, se describe una máquina similar a la esquematizada a continuación, mientras que las otras dos publicaciones se describe un estator de doble efecto:

Algunos autores han aligerado la compacta estructura de los ranurados axiales. Pero para un diámetro exterior y un rango de esfuerzo de torsión dados, estas máquinas son en muchas casos más cortas que las convencionales máquinas síncronas de imán permanente.

72

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

De nuevo nos encontramos con los inconvenientes de fabricación. La producción del núcleo del estator en este caso es realmente complicada. Debe ser laminado en un plano paralelo a la dirección de rotación y a la vez paralelo a la dirección de los ángulos de rotación como se indica en la figura anterior. Las dificultades de este mecanizado deben considerarse seriamente en la construcción de este tipo de estator. 2.5.3.2 Máquinas de flujo axial con un estator y un rotor El autor Campbell P. describió en su libro “Principles of a Permanent-Magnet Axial-Field D.C. machine” el llamado disco de Faraday para una máquina de corriente contínua. El área devanada se encuentra enfrentada al área de los imanes.

En la siguiente figura puede observarse la disposición del devanado en el disco de Faraday.

73

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Y Zhang Z. Junto con otros autores planteó una aproximación similar para las máquinas sincronas de corriente alterna 2.5.3.3 Máquina TORUS con un estator sin dentado y dos rotores Otro tipo de máquina que también se incluye en este grupo es la llamada TORUS. Tiene igualmente orientación axial del hueco para aire, no lleva ranurado longitudinal del estator y tiene dos discos que actúan como rotores y un estator con devanado toroidal, que explica la procedencia de su designación. Aunque se han utilizado otras terminologías para designarlo en este trabajo se adoptará la propuesta por E. Spooner y B.J. Chalmers, en su libro ‘‘TORUS‘‘: A slotless, toroidalstator, permanent-magnet generator” . En esta máquina los imanes están enfrentados a los salientes del rotor en disposición S-N-S-N etc. Los polos sur se enfrentan dos a dos y lo mismo hacen los polos norte.

El estator ofrece una construcción muy simple. Está formado por una especie de cinta aislante devanada radialmente. Aunque esta estructura presenta las siguientes desventajas: •

Mayor altura de imán y por lo tanto mayor coste en elementos magnéticos, debido a que hay más espacio ocupado por el aire al no tener dientes el estator.

74

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

•

La densidad del cobre está limitada ya que el diámetro interior del toro es menor al diámetro medio.

•

Los conductores situados cerca de la zona interna del toro contribuyen menos ala fuerza electromagnética, debido a la menos velocidad tangencial, aunque su contribución a las pérdidas en el cobre son las mismas.

Los últimos dos puntos son aplicable también a las slotted axial flux PM machines. En la siguiente figura puede verse el camino del flujo en la configuración toridal:

La expresión general para este tipo de máquina es:

Donde Kd es el factor de pérdida de flujo permanente; Bu es la densidad de flujo magnético, A representa los amperios por metro ( Corriente por unidad de longitud); f es la frecuencia eléctrica del estator (Hz) ; p es el número de pares de polos, η es la eficiencia del generador (%), KL es la relación entre el diámetro exterior y la longitud, Do es el diámetro exterior del toro

y Dt es el diámetro exterior incluyendo los

conductores. La densidad de potencia se mide en W/ m3. La densidad de potencia aumenta proporcionalmente con la velocidad de rotación pero es independiente del número de polos. El factor f/p es constante para cualquier velocidad de rotación dada.

75

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Las densidades de potencia obtenida son mejores que en las máquinas tradicionales de flujo radial. Aunque ya se han explicado también, las desventajas de este tipo de máquina. 2.5.3.4 Estator con dientes y dos rotores Tenemos una máquina de flujo axial con dos discos de rotor y un estator con dientes. En la máquina de la figura que se muestra a continuación, los dos discos del rotor tienen un polo Sur que se opone a un polo Norte, de manera que el flujo no fluye radialmente en el estator.

Núcleo del estator Imán Disco de rotor Devanado

Los cálculos realizados demuestran que este tipo tiene una energía mayor que el observado en las máquinas de RFPM, también es mayor que la máquina de flujo axial de un rotor y un estator. Esta máquina reduce la longitud del estator axial, porque el flujo no va radialmente, también reduce el hueco de aire y la altura de imán. 2.5.3.5 Máquina de imán permanente de flujo axial interior El comportamiento de la máquina de un rotor y dos estator de flujo axial interior fue estudiado anteriormente. Como se ve en la siguiente figura, un disco del rotor es puesto en el centro de la máquina con un estator en cada lado. Esta máquina produce un ligero aumento de energía debido a la longitud axial tan pequeña de hierro que hace falta en el rotor.

76

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

2.5.3.6 Máquina de flujo axial circunferencial El comportamiento de esta máquina fue estudiado por Luo J., Qin D., Lipo T.A., Li S. Y Huang S.,en el libro “Axial Flux Circumferential Current Permanent Magnet (AFCC) Machine”. En este caso los imanes están sobre el estator y los polos del rotor concentran el flujo magnético por un cilindro de cobre.

Figura: Máquina AFCC con hueco para aire axial

77

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Figura: Máquina AFCC de hueco para aire radial

El flujo magnético es distribuido axial y radialmente. En esta máquina la utilización de cobre es excelente.

La densidad de energía sacada de esta máquina sería:

donde Ki y Kp son factores de forma para el voltaje, la corriente y la energía. La Km es la proporción de el área ocupada por los polos en el estator frente al área total de superficie del estator. Bg es la densidad de flujo en el hueco de aire. A es la densidad de corriente lineal (A/m) . η es la frecuencia eléctrica del estator (Hz). h es la eficacia del generador (%). λ es el diámetro medio del hueco del aire.

Esta

densidad esta en W/m3. Para voltaje y corriente de onda cuadrada en fase Ki = 1 y Kp = 1.

78

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Como

se

habló

anteriormente

esta

topología

se

beneficia

de

las

características de máquinas de flujo transversal, donde la densidad de energía puede ser aumentada simplemente aumentando el número de polos. Pero esto también tiene la desventaja de la máquina de flujo transversal, la dificultad de fabricar, debido a la complejidad del estator. Para el diseño y modelado de este tipo de máquinas se define la siguiente sección:

Como ejemplo se incluye en este trabajo algunos modelos estudiados con la ayuda de las herramientas de software para análisis en tres dimensiones Maxwell 3 – D. Los flujos en las superficie de imán permanente, el flujo en el extremo de los polos del rotor y el flujo en el centro del rotor se calculan integrando las densidades de flujo en esas superficies. Por ejemplo, en una máquina AFCC de 12 polos los resultados obtenidos por varios miembros de la IEEE son los que se muestran a continuación:

79

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

2.6 COMPARACIÓN ENTRE DIFERENTES TIPOS DE MÁQUINAS 2.6.1 INTRODUCCIÓN Comparar los distintos tipos de máquinas eólicas sin multiplicador es una tarea complicada y que merece una gran reflexión, ya que debemos abordar esta cuestión desde diferentes puntos de vista, considerando por ejemplo: densidad de energía de cada una de las máquinas, comportamientos térmicos, formas de pérdida de energía, medios necesarios para una refrigeración eficaz..

80

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

De forma análoga a los parámetros anteriores, debemos considerar, en un lugar destacado, los parámetros geométricos característicos de cada una de las máquinas, que se presentan en una gran variedad dependiendo de los objetivos que se deseen alcanzar. Por ejemplo, reduciendo el tamaño interior de un máquina de flujo axial slotless del 90 % del diámetro externo al 75% producirá un momento de rotación más alto, pero bajará la eficacia para una longitud axial dada. Las máquinas de Imán Permanente de Flujo radial (RFPM) son bien conocidas, es por ello que vamos a comparar las características de las anteriores con otros tipos de máquinas, mediante la toma de datos de prototipos y comparando estos resultados con los de la máquina de RFPM. Los criterios que nos van a permitir realizar la comparación entre un tipo y otro de máquina son:

•

La densidad del momento de rotación (kNm/m3)

•

Coste / momento de rotación (ECU/ kNm)

La densidad de energía en las máquinas eólicas se puede aumentar mediante un incremento de la velocidad de rotación de la turbina de viento, por lo que no es adecuado realizar una comparación entre máquinas que tengan diferentes velocidades de rotación, debido al criterio de densidad del momento de rotación. Sin embargo, si es posible aplicar el criterio de la densidad del momento de rotación, ya que éste resulta independiente de la velocidad de rotación, siendo esta afirmación verdadera hasta una determinada velocidad, que suele estar bastante por encima de las velocidades típicas en las turbinas de viento. La densidad del momento de rotación se define mediante la siguiente expresión:

Donde los parámetros significan:

• T : momento de rotación nominal de la máquina (Nm) • Td : densidad del momento de rotación de la máquina ( Nm/m3) • do : diámetro exterior del estator (sólo diámetro activo)

81

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

• La : longitud axial total de la máquina (sólo longitud activa). El siguiente criterio que nos va a permitir comparar los distinto tipos de máquinas es el coste por momento de rotación empleado en ese momento. En este apartado es importante que señalemos que la producción de más momento de rotación requiere un extra del imán, una conducción extra del material y una cantidad extra de hierro, lo cual supone un incremento considerable en el coste. A pesar de lo anterior, es difícil obtener el coste de la mayor parte de las máquinas, por lo que haremos una estimación del coste de tres formas distintas:

•

Los imanes naturales tienen un coste específico de 40 €/kg.

•

Sólo el material activo es considerado en gastos.

•

Hierro, imanes de cobre y de ferrita tienen costes específicos de 6€/kg.

Las comparaciones se hacen para diámetros dados. La razón de la utilización de diámetros equivalentes, es que las máquinas siempre pueden ser apiladas en su longitud axial. Se compara la densidad de momento de rotación y el diámetro. Para un diámetro dado el criterio de densidad de momento de rotación y del coste por momento es el mismo para una, dos, tres o n máquinas apiladas en su longitud axial. 2.6.2 TIPOS DE MAQUINAS ESTUDIADAS Los distintos tipos de máquinas que vamos a evaluar y comparar se encuentran en la siguiente lista:

•

Máquina de Imán permanente de Flujo Radial (RFPM) con imanes superficiales

• Máquina de Imán permanente de Flujo Radial (RFPM) con concentración del flujo

•

Máquina de imán permanente con Flujo Axial con hueco de aire (AFPM)

•

Máquina de Imanes permanentes de Flujo Transversal (TFPM)

•

Máquinas con Imanes Permanentes con flujo axial interior (AFIPM)

82

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

2.6.3 COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS 2.6.3.1 Máquina de imán permanente con flujo axial y hueco de aire (AFPM) frente a RFPM En la figura que se muestra a continuación, se comprueba que las máquinas con dos veces la densidad de momento de rotación de una máquina de Imán Permanente de Flujo Radial (RFPM) pueden ser construidas usando una máquina de tipo Imán Permanente de Flujo Axial ( AFPM )

Densidad De Rotación Para Slotless ARPM Y RFPM Con Imanes Superficiales.

Como indicamos con anterioridad, otro parámetro importante para comparar maquinaria es el coste, este hecho se puede apreciar en la figura que se muestra a continuación, observando que las máquinas AFPM con slotless tienen un coste de material activo doble al coste de la máquina RFPM para el mismo momento de rotación.

83

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Momento De Rotación Máquinas AFPM Con Slotless Y RPFM Con Imanes Superficiales.

2.6.3.2 Máquina de imán permanente de flujo transversal (TFPM) frente a RFPM El gráfico que se muestra a continuación, nos permite observar que las máquinas TFPM pueden ser construidas con dos o tres veces la densidad de momento de rotación de las máquinas RFPM.

Densidad de momento de rotación para TFPM y RFPM con imanes superficiales.

Algunos prototipos de máquinas de Imán Permanente de Flujo Radial (RFPM) con determinadas estructuras no han sido probados para obtener una forma tan compacta como otras de este tipo mismo tipo ( RFPM), por ejemplo, los prototipos

84

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

diseñados con la estructura propuesta por Mecrow o por Mitcham dieron la mejor densidad de momento de rotación. Contrariamente a la máquina de Imán Permanente con flujo axial y con slotless (AFPM) , donde se ha alcanzado el doble a cambio de dos veces el coste/ momento de rotación, la máquina de Imán Permanente de Flujo Transversal (TFPM) puede alcanzar un coste por momento más bajos que la máquina (RFPM). En la figura posterior, se aprecia el hecho de que es posible construir una máquina TFPM con la mitad del coste por momento de rotación que las máquinas con imanes superficiales.

Coste Por Momento De Rotación Para TFPM Y RFPM Con Imanes Superficiales.

2.6.3.3 Máquina RFPM con concentración del flujo superficiales

frente a RFPM con imanes

Las dos siguientes gráficas, nos muestran que no hay ninguna ventaja en la utilización de máquinas RFPM con imanes enterrados en ferrita (estructura de concentración de flujo).

85

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Densidad De Momento De Rotación Para RFPM Con Concentración De Flujo (Imanes De Ferrita) Y RFPM Con Imanes Naturales Superficiales

Coste Por Momento De Rotación Para RFPM Con Concentración De Flujo (Imanes De Ferrita) Y RFPM Con Imanes Naturales Superficiales.

Se puede comprobar, que en los prototipos construidos, obtenemos una densidad del momento de rotación similar y un coste por momento de rotación análogo (o hasta algo más alto). Con la disminución del coste de los imanes naturales, la ventaja de las RFPM con concentración de flujo se hace menor.

86

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

2.6.3.4 Máquinas con imanes permanentes con flujo axial interior frente a otras En el cuadro que se muestra, se pueden observar las diferencias existentes en cuanto a tamaño, densidad de rotación y coste por unidad de momento de rotación entre algunos de los tipos de máquinas eólicas sin multiplicador: TIPO DE MÁQUINA

DIÁMETRO (m)

DENSIDAD DE ROTACIÓN (kNm/m3 )

COSTE/ MOMENTO DE ROTACIÓN(kECU/kNm)

AFIPM

0,17

26,1

1,7

TFPM SSSM C-Core

0,17

28,0

No disponible

RFPM

0,16

11,5

4,0

AFPM Torus 1-stage

0,22

17,5

2,6

Algunas de las conclusiones que podemos extraer son:

•

Los prototipos de máquinas AFIPM muestran características de densidad de momento de rotación equivalentes a los de TFPM.

•

Los prototipos AFIPM y TFPM tienen mayores rendimientos que los RFPM y AFPM con stotless.

2.6.4 RESULTADOS DE LA COMPARACIÓN DE DATOS ENTRE LAS DISTINTAS MÁQUINAS Del estudio realizado con anterioridad entre los diferentes tipos de máquinas podemos llegar a las siguientes conclusiones finales:

• Los prototipos RFPM construidos usando imanes de ferrita con concentración de flujo no tienen características superiores a otras máquinas RFPM construidas con imanes superficiales. Además la complejidad de la fabricación de esta máquina es muy superior.

• Es posible construir máquinas con el doble de densidad de momento de rotación de las máquinas RFPM usando máquinas AFPM con slotless. Sin embargo la cantidad de imanes requeridos para la máquina AFPM hace que el coste específico de ésta sea el doble que en las máquinas RFPM.

• Es posible construir máquinas con dos veces la densidad de momento de rotación y la mitad de los gastos específicos de las máquinas de RFPM usando máquinas TFPM. 87

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

• El prototipo de máquina AFIPM mostró características excelentes, comparables para los del tipo TFPM de diámetro equivalente. Básicamente, el AFIPM es una máquina de flujo axial con dientes, requiriendo menos material de imán. Aunque el análisis que hemos realizado no tenga un fondo demasiado teórico, es de especial relevancia, pues son los resultados obtenidos a través de la experiencia y construcción de prototipos. De ello, debemos sacar en consideración el empleo de dos tipos de máquinas por cumplir los objetivos impuestos en turbinas de viento directrices: diámetros inferiores y bajo coste en materiales:

•

Máquina TFPM

•

Máquina AFIPM

Finalmente cabe señalar de forma general que se debe buscar:

• Los diámetros de máquina mayores • La densidad de momento de rotación mayor • El menor coste por momento

3. CONEXIÓN ENTRE EL GENERADOR Y LA RED DE SUMINISTRO 3.1. INTRODUCCIÓN Como hemos indicado anteriormente las maquina eólicas sin multiplicador tienen que usar generadores síncronos en vez de generadores de inducción. Los generadores síncronos permiten obtener un voltaje e intensidad, con varias frecuencias y varias amplitudes, dependiendo de la velocidad del viento. Por lo que para que los generadores sin multiplicadores produzcan una potencia eléctrica útil en la red de suministro, necesitamos convertidores de frecuencia y de voltaje. El

88

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

voltaje obtenido directamente por el generador deberá convertirse en otro con frecuencias de 50 ó 60 Hz. Para convertir una corriente alterna en otra con la frecuencia y amplitud deseada (la de la red), los tres procedimientos más comunes son:

•

Conversión directa corriente alterna- corriente alterna: en este caso se obtiene una c.a. de frecuencia variable a partir de trozos de una c.a. de entrada; los convertidores se denominan entonces cicloconvertidores. Este tipo de conversión no es muy atractivo comercialmente porque requiere un equipo de control bastante complejo. Se utiliza casi exclusivamente en la regulación de velocidad de motores de c.a. trifásicos de gran potencia.

•

Conversión c.a.-c.a. por control de fase: se utiliza una tensión de c.a. que se conmuta periódicamente una vez en cada semiciclo, dando lugar a una c.a. controlada en fase de la misma frecuencia que la de entrada pero de menor amplitud. Los dispositivos empleados son los triacs o dos tiristores en paralelo-inverso. Este sistema se utiliza para el control de alumbrado incandescente en iluminación industrial y doméstica. También se emplea en la regulación de velocidad de motores monofásicos

de c.a. con colector de delgas (de pequeña potencia).

•

Conversión c.a.-c.c.-c.a.: En este caso la conversión de corriente alterna a corriente alterna incluye una etapa intermedia de c.c. Para pasar de la corriente alterna de entrada a corriente continua se utilizan rectificadores fijos o controlados (tiristores); en la etapa siguiente se transforma la corriente continua intermedia en corriente alterna por medio de inversores. Este es el sistema más apropiado en nuestro caso.

89

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

3.2. RECTIFICADORES TRIFASICOS La conversión de grandes potencias de alterna a continua lleva consigo un funcionamiento con circuitos de tres fases, ya que estos sistemas son los que se emplean en la generación y distribución de energía eléctrica.

3.2.1.RECTIFICADOR TRIFASICO DOBLE ONDA (DIODO PUENTE RECTIFICADOR)

Este puente rectificador trifásico es muy clásico en aplicaciones en alta potencia y responde al esquema de circuito mostrado en la figura.

90

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

Utiliza seis diodos que conducen dos a dos. Estos diodos se han numerado de acuerdo con la secuencia de conducción de los mismos y cada uno de ellos funciona durante 120º. La secuencia de conducción es 12 ,23 , 34, 45 , 56 y 61. Los dos diodos que conducen en cada momento son los que tienen aplicada la tensión instantánea compuesta o de línea (fase a fase) más elevada. Supóngase una situación inicial en la que están conduciendo los diodos D5 y D6; al llegar al instante t0, correspondiente al punto A, la tensión compuesta mayor del puente es la VRS, por lo que D1 comienza a conducir por tener polarización positiva, el diodo D6 sigue conduciendo y D5 deja de conducir por quedar polarizado inversamente. Es decir, a partir de t0 conducen D6 y D1 y la corriente sigue el camino señalado por la línea de trazo discontinuo mostrada en la figura, por lo que la tensión en bornes de la resistencia de carga es la d.d.p. en bornes de los diodos D6 y D1, es decir, VRS. Esta situación continúa durante 60º, hasta el instante t1(punto B), en el que se hace mayor la tensión VRT, por lo que el diodo D6 queda sometido a polarización inversa y pasa a conducir el diodo D2; es decir, a partir de t1 conducen los diodos D1 y D2 y lo hacen hasta el instante t2 (punto C), en el que

91

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

conducen D2 y D3, y así sucesivamente; de este modo el diodo D2 ha conducido desde el punto A hasta el punto C (es decir, durante 120º). En resumen , la tensión VR en la carga resistiva está formada por tramos de 60º de las respectivas tensiones de línea que son más elevadas en cada momento. De este modo, en un ciclo completo de 360º existen 6 tramos de onda, y es por lo que este rectificador recibe el nombre de 6 impulsos (cada diodo conduce durante 120º).Los tiempos correspondientes a los puntos A,B,C etc., se denominan instantes de conmutación. Existen variantes de este tipo de rectificador:

•

Puente Rectificador con condensador. Se consigue un voltaje mas suave, reduciendo el tamaño y número de

componentes en los filtros en el circuito de continua. Y tiene como inconvenientes que se disminuye el voltaje de salida

además de

no poder regularse

adecuadamente.

•

Diodo-Puente Rectificador con inducción Tiene como ventaja que la inducción permite mayor regulación del voltaje de

salida.

Para disminuir las pérdidas de cobre en el estator, las perdidas de hierro y los problemas de inestabilidad, existen distintos sistemas:

92

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

3.2.2. DIODO PUENTE RECTIFICADOR CON BOOST CONVERTIDOR Es como el diodo puente rectificador pero gracias al IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), trae una corriente casi continua al inversor evitando irregularidades

Sus inconvenientes fundamentales son que el IGBT es mucho más caro que los diodos y produce cierta disminución de la eficacia del sistema ya que utiliza parte de la potencia del generador.

3.2.3. PWM RECTIFICADOR. Tiene como ventaja que reduce las perdidas de hierro y de cobre en el generador síncrono, pero su coste es mucho mayor que el de otros rectificadores debido a la utilización de varias IGBT.

93

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

3.3.INVERSOR TRIFÁSICO EN PUENTE Este inversor produce una tensión alterna trifásica a partir de una alimentación de corriente continua. El esquema correspondiente es el mostrado en la siguiente figura:

El funcionamiento de este inversor es como el de un monofásico en puente pero como si se le hubiera añadido otra rama, de tal forma que los terminales R, S, y T se conectan alternativamente (por medio de los interruptores estáticos) a los terminales positivo y negativo de la fuente de c.c., dando lugar a la obtención de una tensión trifásica siempre que los impulsos de disparo de los interruptores se desfasen 120º entre sí y entren en conducción siguiendo un determinado orden cíclico. En la figura anterior la numeración de cada interruptor corresponde al orden de estas secuencias de disparo para obtener un ciclo completo de la tensión de salida. El control de la frecuencia de esta tensión viene definido por la frecuencia de disparo de los interruptores estáticos. Tomando como referencia de tensiones el borne N negativo de la fuente y suponiendo una conmutación instantánea se obtienen las ondas de las tensiones VRN, VSN y VTN mostradas en esta figura:

94

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

•

CONTROL DE LA TENSION DE SALIDA DE UN INVERSOR Es indudable que se puede regular la tensión de salida del inversor ajustando

la tensión de c.c. de entrada, pero al ser ésta una acción externa al inversor no se va a desarrollar así, en nuestro caso para lograr ajustar la anchura de los impulsos de salida actuaremos sobre los instantes de conmutación de los interruptores estáticos, procedimiento que se denomina pulse width-modulated (PWM) o modulación por la anchura de los impulsos, y que pueden clasificarse en tres categorías:

•

Modulación de un solo impulso. En este tipo de control se produce un solo impulso por semiciclo cuya anchura

se puede ajustar actuando sobre los instantes de encendido de los interruptores estáticos del inversor. Se dispone de dos tensiones de control, una de las cuales es una señal de referencia con un valor de pico VR y frecuencia f igual a la que debe producir el inversor; esta tensión tiene la misión de onda moduladora. La otra tensión

95

DISEÑO DE MÁQUINAS EÓLICAS SIN MULTIPLICADOR

se comporta como portadora y es una onda triangular con un valor de pico VT y frecuencia fT.

Los instantes de encendido de los interruptores estáticos vienen definidos por los puntos de intersección de las dos ondas anteriores. La anchura de los impulsos de salida corresponde al periodo de tiempo durante el cual se cumple la desigualdad VT(t)