GENERADORES DE VELOCIDAD CONSTANTE

4. GENERADOR DE CORRIENTE ALTERNA SÍNCRONO

Si en el caso anterior mantenemos el conductor o espira en reposo, haciendo que sea el campo magnético el que experimente un movimiento giratorio relativo respecto al conductor, se produce igualmente una fuerza electromotriz inducida en el conductor.

Figura 5. Esquema básico del generador síncrono.

La ventaja que se obtiene estriba en que la corriente alterna se puede extraer de los bornes fijos y no de las escobillas sometidas continuamente a rozamiento. La corriente inducida se produce en este caso en los devanados con núcleo de hierro, que están en reposo y se encuentran distribuidos en la parte interior del estátor, de manera que la tensión y la corriente inducidas sea sinusoidales.

Los electroimanes o polos generadores del campo magnético se encuentran en la parte giratoria -rotor- del generador eléctrico. Los polos se realizan sobresaliendo de la superficie de rotor para máquinas de más de cuatro polos o a ras de superficie para máquinas de 2 ó 4 polos. Estos polos dispondrán de una corriente continua de excitación suministrada desde el exterior, mediante anillos rozantes y escobillas o mediante una fuente especial instalada sobre el mismo eje del generador.

Normalmente, los generadores síncronos son trifásicos. Un generador síncrono trifásico dispone de tres devanados iguales en el estátor, dispuestos de forma que queden desplazados entre si 1200. Durante una vuelta del rotor, los polos Norte y Sur pasan frente a los tres devanados del estátor. Por ello, se habla de campo magnético giratorio. Durante éste proceso, en cada uno de los devanados se genera una tensión alterna monofásica. Las tres tensiones alternas monofásicas tienen el mismo ciclo en el tiempo, pero desplazadas entre sí en la tercera parte de una vuelta, por lo que se dice que tienen la misma "fase de oscilación".

Por coincidir siempre el desplazamiento del campo magnético giratorio con el desplazamiento del rotor (rueda polar) es por lo que se denominan generadores síncronos.

En los generadores síncronos la velocidad de rotación del rotor que genera el campo magnético y la frecuencia de la señal eléctrica inducida están relacionadas a través de la ecuación:

siendo el número "p' el número de pares de polos que generan el campo magnético "n" el numero de revoluciones por minuto que da el eje del rotor del generador y "f" la frecuencia de la señal eléctrica de salida.

En nuestro país la frecuencia de la tensión de red es 50 ciclos/segundo (Hz), por lo tanto, si se desea conectar a la red un generador síncrono compuesto por dos pares de polos en su rotor, la velocidad de sincronismo será 1500 rpm, a ésta velocidad girará siempre el rotor mientras el generador esté conectado a la red, ya que se supone que la red es de potencia infinita frente a la potencia del generador conectado a ella.

Es evidente que si un aerogenerador de eje horizontal de rotor rápido, por ejemplo un tripala de 40 metros de diámetro se diseña para girar, cuando está acoplado a la red a 30 rpm deberá de disponer de una caja multiplicadora de relación de transformación 30:1500, que haga el acoplo entre el eje de la pala y el eje de generador eléctrico.

Figura 6. Característica Potencia-frecuencia de un generador síncrono conectado a una red de potencia infinita.

Si el eje de la aeroturbina está solidariamente unido con el eje del generador, las bajas vueltas de la aeroturbina obligan a diseñar el rotor del generador con muchos polos. En estos diseños el problema que aparece es la dificultad de eliminación del campo magnético en caso de una falta en la red eléctrica, dependiendo de cómo sea de alta la impedancia de cortocircuito puede llegar a quemarse el generador.

El generador síncrono presenta una característica de potencia-frecuencia recta. Al estar conectado a una red de potencia infinita con frecuencia y tensión constantes, la velocidad de giro de las palas se mantiene constante, ante variaciones de la velocidad del viento. Los incrementos de velocidad del viento se transmiten a la red mediante un incremento de la potencia activa suministrada por el generador, pero a velocidad de giro constante.

Para altas velocidades de viento, por encima de la nominal el generador síncrono puede entregar potencias instantáneas de hasta el 150 y el 250%. Este valor denominado límite de par suele obtenerse a partir de la máxima carga que se puede soportar el generador durante 10 minutos, sin llegar a un excesivo calentamiento de los devanados. El generador síncrono se tiene que proteger contra cortocircuitos mediante un devanado amortiguador y/o protecciones externas.

Para la conexión de un generador síncrono a la red es necesario realizar un proceso de sincronización bastante complejo, ya que se deberá ajustar la velocidad de giro del rotor y el ángulo de par (ángulo que forma la tensión de línea de la red eléctrica y la fuerza electromotriz inducida en el estátor). Ambos valores deberán estar muy cercanos y conseguirlo será difícil, debido a que el par de la aeroturbina cambia constantemente con las rachas de viento.

Antes de la conexión la velocidad del rotor normalmente oscila sobre un 1% y el ángulo de par varia hasta 30 como máximo. Para hacer que coincidan se requiere alguna forma de regulación que mantenga el rotor en un punto de funcionamiento estable a velocidad un poco superior a la de sincronismo. Por ejemplo, ante una variación de par del 50%, lo cual puede ocurrir perfectamente en una racha, la velocidad del rotor puede cambiar un 1% en menos de un segundo, la probabilidad de encontrar el ángulo de par dentro de los límites requeridos es mínima. En ocasiones, se espera a que la velocidad del viento sea constante para efectuar la conexión.

Una vez sincronizado el aerogenerador a la red eléctrica, la conexión a la red a través de un generador síncrono mantendrá constante la velocidad de rotación de la máquina. Un aumento de la velocidad del viento incrementará la potencia del generador hasta llegar a la potencia nominal. Si la velocidad del viento sigue creciendo deberá entrar en acción el sistema de control ya sea por cambio del ángulo de paso de la pala o por entrada en pérdida aerodinámica, de forma que se pueda mantener el punto de operación alcanzado hasta llegar a la velocidad máxima en la cual se produce la desconexión.

El problema es que sólo existirá una velocidad del viento en todo el margen de funcionamiento para la cual la máquina esté operando con máximo rendimiento. Este punto óptimo vendrá determinado por la intersección de la curva de máxima potencia y por la característica del generador. En los demás puntos de operación, a velocidades de viento más bajas el sistema está infrautilizado.