¿Qué es un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG)?
Principio de funcionamiento
Un generador de inducción doblemente alimentado es una máquina de inducción de rotor bobinado cuyo estátor se conecta directamente a la red, mientras el rotor se alimenta por anillos rozantes desde un convertidor back-to-back. El convertidor inyecta una tensión a la frecuencia de deslizamiento, de modo que el estátor ve siempre la frecuencia de la red, sea cual sea la velocidad. Por fase, V_r/s = (R_r/s + jX_r)·I_r − E: la tensión del rotor es proporcional al deslizamiento s, y por eso el convertidor puede ser pequeño.
Funcionamiento subsíncrono y supersíncrono
Con el deslizamiento s = (n_s − n)/n_s, la potencia del rotor es P_r ≈ −s·P_s y la potencia total a la red es P ≈ (1 − s)·P_s. Por debajo de la velocidad síncrona (s > 0) el rotor absorbe potencia de la red a través del convertidor; por encima (s < 0) el rotor también entrega potencia, así que la máquina puede dar más que la potencia nominal de su estátor. A velocidad síncrona la corriente del rotor es continua y su potencia es nula. Un convertidor del 25–30 % de la potencia de la máquina cubre cerca de ±30 % de velocidad.
Control de la turbina eólica
La potencia de la turbina es P = ½·ρ·A·v³·Cp(λ, β), con la relación de velocidad en punta λ = ω·R/v. Por debajo del viento nominal las palas están planas (β = 0) y el seguidor del punto de máxima potencia fija la velocidad que mantiene λ en su óptimo, cerca de 8, así que la velocidad sube con el viento. Al alcanzar el límite de velocidad y la potencia nominal, las palas cambian de paso para limitar la potencia. Entre las velocidades de conexión y desconexión la turbina funciona; fuera de ese margen se detiene.
Potencia reactiva y apoyo a la red
La corriente del rotor debe aportar la corriente de magnetización que el estátor no da, por lo que el convertidor controla la potencia reactiva (y la activa) del estátor mediante las corrientes d y q del rotor. La máquina puede entregar o absorber potencia reactiva para sostener la tensión de red, dentro de los límites de tensión y corriente del convertidor. Si la consigna pide más de lo que este permite, se limita primero la potencia reactiva y después se señala una sobrecarga. El convertidor del lado de red suele trabajar con factor de potencia unidad.
Preguntas frecuentes
- ¿Por qué el convertidor puede tener solo cerca del 30 % de la potencia de la máquina?
- Porque solo transporta la potencia de deslizamiento. La tensión del rotor es proporcional al deslizamiento y la potencia activa del rotor es aproximadamente s veces la del estátor; en un rango de ±30 % de velocidad el convertidor maneja como máximo cerca del 30 % de la potencia nominal. Un convertidor de plena potencia, como en un aerogenerador síncrono, debe manejarla toda: es más grande, más caro y tiene más pérdidas.
- ¿Qué ocurre a la velocidad síncrona?
- El deslizamiento es cero, así que la tensión del rotor es casi nula y su corriente es continua, como la excitación de una máquina síncrona. La potencia del rotor es cero y cambia de signo: por debajo el rotor absorbe y por encima entrega. Permanecer mucho tiempo en este punto calienta el convertidor de forma desigual, porque una fase lleva la mayor parte de la corriente continua; por eso las turbinas suelen atravesarlo con rapidez.
- ¿Por qué la turbina cambia el paso de las palas por encima del viento nominal?
- La potencia del viento crece con el cubo de su velocidad, pero el generador y el convertidor tienen una potencia fija. Cambiar el paso reduce el coeficiente de potencia Cp, de modo que la turbina capta solo la potencia nominal mientras la velocidad se mantiene en su límite. Por debajo del viento nominal las palas permanecen planas y el seguidor maximiza Cp.