Para obtener un generador asíncrono, se conecta un motor normal de jaula de ardilla a una red trifásica y se acopla a un motor primario como podría ser un motor de combustión interna (gasolina o diésel) (Fig. 1).
Inicialmente la máquina arranca como motor asíncrono arrastrando el motor primario, llegando a una velocidad de régimen como motor, cercana a la de sincronismo.
A continuación, se arranca el motor primario que debe girar en el sentido del motor asíncrono. Tan pronto como el motor primario supere la velocidad de sincronismo, la máquina asíncrona se convertirá en generador, cediendo potencia activa al sistema eléctrico al que esté conectada.
Figura 1
■ Conexión a una red de potencia “infinita”
Para potencias no muy importantes, hasta algunos MW, el generador asíncrono (GA) presenta más ventajas que el alternador o generador síncrono (GS).
Ventajas:
- Mayor fiabilidad: construcción más simple y generalmente más robusta, ningún bobinado giratorio (sin anillos ni escobillas), rotor pesado que soporta bien el embalamiento (turbinas hidráulicas, eólicos).
- Simplicidad y seguridad de utilización: acoplamiento muy fácil, aparamenta más simple, ningún riesgo de alimentación repentina de la red por desacoplamiento (ver Anexo A).
- No necesita un circuito independiente para su excitación y no tiene que girar continuamente a una velocidad fija.
- Siempre que su velocidad sea ligeramente superior a la de sincronismo, funcionará como un generador con respecto al sistema de potencia al que se encuentre conectado.
- A medida que el par aplicado a su eje sea mayor, tanto mayor será la potencia de salida resultante.
- Generalmente la salida nominal se alcanza con poco deslizamiento, normalmente inferior al 3%.
- Además no necesita regulación de tensión, pues ésta le viene impuesta por la red externa, lo cual hace que este generador sea una buena alternativa en centrales eólicas, donde las velocidades del viento son muy dispares.
Por tanto, la única ventaja del alternador frente al generador asíncrono es su capacidad de suministrar energía reactiva. Sin embargo, esta ventaja solo es interesante cuando el alternador tiene una potencia suficiente con relación a las necesidades locales de la red.
Inconvenientes:
Efectivamente, esta potencia reactiva que necesita recibir el generador asíncrono se requiere para mantener el campo magnético de su estator, ya que esta máquina no posee un circuito de excitación como es el caso de los alternadores.
Esta es la principal limitación del generador asíncrono, ya que al necesitar una red que le suministre la potencia reactiva que requiere, no puede funcionar (en principio) como generador aislado, como sucede con los alternadores (ver Anexo B).
Otro inconveniente necesario de mención es el fenómeno propio en el acoplamiento de los GA que puede, en ciertos casos, ser problemático. El rotor del GA, aunque no esté excitado, posee siempre una cierta imantación remanente. En el acoplamiento, cuando los dos flujos magnéticos, al creado por la red y al debido a la imantación remanente del rotor, no están en fase, se observa en el estator una punta de corriente muy breve (una o dos alternancias), asociadas a un exceso de par instantáneo de la misma duración.
Para evitar esta punta (y el exceso de par correspondiente), se puede utilizar:
- Resistencias de acoplamiento insertadas en serie con las fases del estator durante aproximadamente un segundo en el momento del acoplamiento. Estas son enseguida cortocircuitadas por un contactor temporizado.
- Utilizando un regulador en serie con las fases del estator, con el fin de efectuar el acoplamiento con una tensión reducida. La tensión es después aumentada progresivamente hasta la tensión nominal, seguidamente el regulador es cortocircuitado.
■ Alimentación de una red independiente
Las cualidades de simplicidad y robustez de los GA son igualmente válidas en estos casos.
Los GA pueden ser utilizados para alimentar una red independiente cuando se trata de instalaciones simples (necesidades del hogar, calefacción, cargas resistivas).
Al contrario, cuando la red que se va alimentar es compleja, en particular cuando el cos ϕ varía constantemente, el alternador (GS) se adapta mejor a estas necesidades. Por tanto, es posible que la máquina asíncrona (GA) trabaje como generador aislado, independiente de la red externa, siempre que haya condensadores disponibles para suministrar la potencia reactiva que necesita (estos condensadores absorben la energía reactiva que produce el generador).
Para ello se conecta una batería de condensadores a los bornes del motor que también se unen a la carga eléctrica receptora externa (ver Anexo C). Se dice entonces que el generador trabaja en régimen de autoexcitación. La frecuencia del generador es algo menor de la que corresponde a la velocidad de rotación.
La tensión en bornes aumenta con la capacidad, que está limitada por la saturación del circuito magnético de hierro.
Si la capacidad es insuficiente no aparecerá tensión en el generador. De ahí que la elección de la capacidad necesaria sea un problema difícil y más aún si se tiene en cuenta que los condensadores deben también suministrar la potencia reactiva que requieren las cargas conectadas a la máquina (ver Anexo D).
La elección entre los dos tipos de generadores depende por tanto de las características de la red a alimentar. La tabla 1 da algunas indicaciones resumidas.
Características de la
red
|
Tipo de generador
|
Pequeña
potencia
Calefacción
por aire o agua
Iluminación
Pequeños
aparatos electrodomésticos
|
Generador asíncrono GA
|
Cos
φ variable
Numerosos
motores eléctricos
|
Alternador (GS)
|
Tabla 1: Elección del tipo de generador según las características de una red independiente
■ Zonas de empleo de los alternadores y de las generatrices asíncronas (GA) (tabla 2)
Potencias
|
Conexión a la red de
distribución
|
Alimentación de una
red independiente
|
Pequeñas
(hasta
50 kW aprox.)
|
GA
|
GA preferentemente
|
Medianas
(50
kW a 5 MW aprox.)
|
GA preferentemente
|
GS preferentemente
|
Fuertes
(> 5 MW)
|
GS
|
GS
|
Tabla 2: Zonas de empleo de los alternadores y de los generadores asíncronos.
ANEXO A
Desacoplamiento de un GA
El desacople involuntario por protección de un GA se traduce generalmente por un paso en sobrevelocidad del grupo máquina de accionamiento-generatriz, al menos cuando el conjunto no puede ser frenado muy rápidamente.
A causa de ésta sobrevelocidad, llamada embalamiento, no se utiliza prácticamente nunca GA bipolares (velocidad de sincronismo 3000 r/min a 50 Hz). Los GA tetrapolares no son empleados a baja potencia o cuando el grupo comporta un freno mecánico a la falta de corriente. Los GA más utilizados poseen 6 y 8 polos o incluso más (máquinas más lentas, pero en detrimento del cos. ϕ).
Es necesario observar una nueva ventaja de los GA sobre los alternadores auto-excitados; Cuando la máquina es desacoplada, es rápidamente (algunos segundos) desexcitada y no queda ninguna tensión en sus bornes, en la medida en que los condensadores son desconectados simultáneamente (si no, el GA será auto-excitado por los condensadores). Esta es una ventaja importante para la seguridad. En la práctica, no existe riesgo de alimentar un bucle local después que la red general ha sido cortada.
Esta es la razón por la cual algunos distribuidores de energía eléctrica imponen los GA para los acoplamientos en BT inferiores a los 100 kVA.
ANEXO B
El aporte de potencia reactiva
El funcionamiento de la máquina asíncrona se basa en la existencia de un flujo magnético giratorio creado por el bobinado del estator a través del entrehierro. Esta excitación consume una cierta potencia reactiva Q, que varía con la potencia activa P de la máquina:
S: potencia aparente de la máquina
A esta energía reactiva consumida por el GA, se añade eventualmente la consumida por ciertas cargas de la red (motores eléctricos por ejemplo).
Por lo tanto se deberán incorporar, en la red, una fuente de energía reactiva correctamente dimensionada. Se utiliza generalmente baterías de condensadores, incluyendo varias etapas adaptadas a las necesidades.
□ Ejemplo
En una red aislada de consumo 50 kW con cos ϕ = 0,9 (o sea tang ϕ = 0,48), alimentada por una generatriz asíncrona con un cos ϕ de 0,8 a 50 kW ( o sea tang ϕ = 0,75), se utilizara una batería de condensadores que suministre:
Excitación, desexcitación
La creación del flujo magnético en la generatriz se realiza de la manera siguiente: suponiendo el GA en parada, sus condensadores de excitación en bornes, pero no conectados a las cargas activas. Cuando se acelera progresivamente el GA, se constata la aparición de una tensión en los bornes a partir de una cierta velocidad (aproximadamente la mitad de la velocidad de sincronismo). Esta tensión aumenta con la velocidad.
Cuando la velocidad de sincronismo es alcanzada, se puede cargar el GA.
La creación del flujo magnético es debido a la imantación remanente del GA. Esto es suficiente para iniciar la excitación del conjunto generatriz-condensadores. Es suficiente que la generatriz (GA) haya sido puesta una vez en tensión (generalmente, durante los ensayos de serie en fabrica) para conservar una imantación remanente duradera.
Observación:
Sin embargo, puede ocurrir que un GA sea totalmente desimantado. Esto se produce, en particular, cuando ha sufrido una fuerte sobrecarga o cuando se ensaya el arranque con una carga en los bornes.
Si la máquina está totalmente desimantada, no se excitara en el arranque. Pero es fácil reimantarlo, es suficiente aplicando momentáneamente (algunos segundos) en los bornes de una fase una tensión continua pequeña (pila o batería de acumuladores).
Se evita fácilmente este incidente previendo una secuencia correcta en el arranque y protegiendo la generatriz contra sobrecargas.
ANEXO C
Utilización práctica
Para que un GA alimente una red aislada en buenas condiciones, es necesario que igualdades siguientes se lleven a cabo, a tensión y frecuencia nominales:
- Potencia activa consumida = Potencia activa producida
- Potencia reactiva consumida = Potencia reactiva producida
Para obtener estos resultados, lo haremos, en la instalación, sobre:
- La potencia suministrada por la máquina de accionamiento.
- La potencia activa consumida, modificando la carga activa de la instalación
- La capacidad, por tanto la potencia reactiva de la batería de condensadores.
□ Utilización sin regulador
Cuando se toleran ciertas variaciones de tensión y frecuencia, no es necesario prever un regulador sofisticado. Citamos dos casos corrientes:
- Para los pequeños grupos electrógenos de algunos kVA, ciertos fabricantes utilizan GA especiales sin regulación.
Estas generatrices tienen curvas de características muy planas; la tensión queda en un margen de ± 10 %, cualquiera que sea la carga activa sobre la generatriz, de 0 a la plena carga.
Estos pequeños grupos son simples y robustos, son interesantes para aplicaciones corrientes de muy pequeña potencia (iluminación, resistencias, pequeños motores universales), pero no son adecuados para accionamiento de motores asíncronos, que consumen una potencia reactiva importante.
- Cuando el GA alimenta solamente una instalación de calefacción, por resistencias aéreas o termo-sumergidas, se puede dispensar la regulación. En efecto, la tensión y la frecuencia pueden salirse notablemente de los valores nominales sin molestias para el usuario.
El caso más frecuente de esta aplicación es en uso de turbinas hidráulicas para la calefacción de casas. Se admite normalmente variaciones de frecuencia y/o tensión del orden del 20 %.
El sistema turbina – GA – condensadores - resistencias se equilibra el mismo sin automatismos complejos.
Es sin embargo, prudente proteger la instalación cuando las características salen de las tolerancias.
□ Regulación
Cuando la potencia consumida por el usuario o la potencia suministrada por la máquina de accionamiento varían y se desea sin embargo mantener la frecuencia y la tensión en tolerancias reducidas, será necesario un dispositivo de regulación. Este dispositivo tiene por objeto mantener las características eléctricas correctas jugando sobre uno o varios parámetros:
- Potencia activa suministrada (máquina de accionamiento)
- Potencia activa consumida (cargas en el circuito de utilización)
- Potencia reactiva suministrada (generalmente condensadores).
La regulación de la máquina de accionamiento utiliza dispositivos clásicos; por lo general, a partir de una indicación de velocidad del grupo (taquímetro) o de frecuencia sobre el circuito de utilización, se regula la máquina de accionamiento, es decir sobre la alimentación de un motor térmico o el consumo de una turbina hidráulica.
Sin embargo, estos dispositivos son generalmente de tiempos de reacción demasiado largos (al menos del orden del segundo). Sobre una variación brusca de consumo, la frecuencia y la tensión no se restablecen muy rápidamente; estos es molesto en particular para la iluminación y el arranque de motores eléctricos.
Por esto cuando este tipo de regulación se utiliza, se asocia cada vez más una regulación electrónica sobre la potencia consumida (por ejemplo por absorción de energía, ver a continuación) para paliar estos inconvenientes.
● Regulación simplificada
Se trata de adaptar la potencia consumida a la potencia producida modificando automáticamente la carga de utilización.
El caso más común concierne al uso de una turbina hidráulica para alimentar resistencias de calefacción al aire o en agua. El dispositivo está esquematizado en la figura 2.
Cf : Batería fija de condensadores
Cs : Batería secundaria de condensadores
R1,R2,R3 : Resistencias de caldeo
Figura 2: Regulación simplificada
La carga está constituida por varios escalones de resistencias de caldeo.
Un relé de mínima y máxima tensión controla automáticamente la apertura y cierre de contactores de alimentación de los escalones de resistencias.
Este simple dispositivo permite mantener la tensión en un margen correcto (por ejemplo ± 5 %).
Cuando el GA tiene una curva característica tensión-carga demasiado plana, se adapta una batería fija de condensadores. Si no, se completa la batería principal de condensadores con dos condensadores secundarios en paralelo sobre las resistencias, detrás de los contactores
Ciertos fabricantes montan armarios eléctricos estándar fundamentados sobre este principio; integran este tipo de regulación, los automatismos de arranque y paro y las protecciones.
● Regulación por absorción de energía
Este tipo de regulación es cada vez más empleado. El principio se esquematiza en la figura 3, y es el siguiente: se pone en derivación sobre el circuito de utilización un circuito secundario no prioritario.
Pc : Potencia consumida
Pd : Potencia derivada
Pp : Potencia producida
RC : Regulador de carga
Figura 3: Regulación por absorción de energía
Las cargas de este circuito son puestas en servicio o al contrario eliminadas bajo el control de un regulador de carga. Este regulador busca continuamente mantener las características de frecuencia y tensión correctas en el circuito de utilización adicionando o retirando cargas del circuito secundario.
Se comporta como un cambiador de agujas repartiendo la potencia Pp producida por el GA entre la red de utilización (potencia Pc) y el circuito secundario (potencia Pd).
Se tiene permanentemente la igualdad:
La frecuencia y la tensión en la red de utilización serán estables cuando Pp y/o Pc varíen.
La fig. 4 esquematiza la repartición de la potencia producida cuando la potencia varia en el tiempo:
- Las variaciones de la potencia consumida son debidas a las variaciones de las necesidades del usuario.
- Las variaciones de la potencia producida son debidas a causas naturales (variación de la caída para una turbina hidráulica, velocidad del viento para un eólico) o a una regulación de la máquina de accionamiento cuando se busca economizar energía primaria (regulación en el caudal de una turbina hidráulica, consumo de un motor térmico).
Pc : Potencia consumida
Pd : Potencia derivada
Pp : Potencia producida
Figura 4: Repartición de la potencia producida
Una descripción detallada de los diferentes tipos de reguladores por absorción de energía propuestas por los fabricantes sería demasiado extensa.
Pero, se pueden hacer las observaciones siguientes:
- El parámetro de regulación puede ser la frecuencia o la tensión sobre la red de utilización o una combinación de las dos. Los reguladores más evolucionados integran los dos parámetros de manera de mantener la tensión y la frecuencia muy próximas a sus valores nominales en todas las condiciones de funcionamiento.
- La regulación por absorción de energía solo funciona cuando el regulador dispone de una reserva de potencia en el circuito secundario, si no, en caso de un exceso de demanda de potencia en la red de utilización, no podría responder a esta demanda.
- La energía en el circuito secundario, necesaria para el buen funcionamiento, es generalmente disipada en las resistencias aéreas. Siendo por tanto pérdida, cosa que a menudo no tiene importancia cuando la energía primaria es gratuita y no puede almacenarse (caso de las minicentrales con salto de agua sin tanque de reserva o de los eólicos). Se puede siempre prever utilizar esta energía, pero esta utilización seria no prioritaria y debería poder ser interrumpida en provecho de la red principal de utilización.
- La regulación por absorción de energía puede ser combinada sin inconvenientes con una regulación en la potencia producida (ver regulación simplificada, en el párrafo anterior). Se obtiene por tanto una regulación denominada mixta. Por ejemplo, se puede completar la regulación tradicional de una turbina hidráulica por una regulación por absorción de energía que pueda por tanto no ser dimensionada nada más que para una fracción reducida de la potencia rotal instalada.
- Este tipo de reguladores por absorción está cada vez más utilizado por las fuentes autónomas de energía tales como minicentrales hidráulicas o eólicos. Ciertos fabricantes proponen regulaciones para potencias hasta 500 kW. Por encima, se utilizan preferentemente regulaciones mixtas.
ANEXO D
Compensación de energía reactiva
En el caso más general, es necesario suministrar energía reactiva:
- A la generatriz asíncrona
- A las cargas de utilización
Para alimentar de energía reactiva estos dos tipos de consumos, se dispone, en paralelo del circuito, una fuente de energía reactiva de potencia adecuada. Esta es generalmente una batería de condensadores con uno o varios escalones que, según los casos, será fija, ajustable manualmente (por pasos) o automática.
● Compensación de la generatriz (GA)
Las curvas características dan el valor de la energía de excitación en función de la carga de la máquina:
- Si la carga varia poco, se puede compensar con una batería fija; la tensión variara muy poco.
- Si la carga varía mucho, las variaciones de tensión pueden ser muy fuertes; es necesario por tanto un sistema regulable.
● Compensación de cargas reactivas
El caso más corriente corresponde a los motores eléctricos asíncronos. Según su número y potencia, se utilizara una u otra de las dos soluciones siguientes:
- Compensación individual de los motores por conexión de condensadores permanentes directamente en sus bornes.
- Compensación general del circuito, fija, ajustable manualmente o automáticamente.
Este problema de compensación complica un poco la instalación con relación a un alternador que suministra automáticamente la corriente reactiva demandada por la carga.
Esta es la única ventaja importante de los alternadores sobre los GA, pero esta ventaja puede ser decisiva cuando el circuito de utilización tiene un cos ϕ muy variable.
□ Pilotaje y protección
Los únicos dispositivos particulares son:
- La temporización de acoplamiento del circuito de carga para evitar una des-excitación de la máquina en el arranque.
- El control de los condensadores de excitación, manual o automático según el caso.
□ Acoplamiento de varios generadores en paralelo
El acoplamiento en paralelo de varias generatrices asíncronas alimentando una red independiente no presenta ninguna dificultad particular. Si las generatrices se utilizan con un dispositivo de regulación por absorción de energía, se podrá disponer de un solo regulador.
El acoplamiento en paralelo en una red independiente de dos generadores compuestos por un lado de una generatriz asíncrona (GA), y por otro de un alternador (GS), es diferente según las potencias respectivas de los dos generadores:
- Si el alternador es más potente que el GA, será este el que pilote la red; el GA, sin regulación, será acoplada como en una red de potencia infinita.
- Si el alternador es de potencia más pequeña que el GA, será necesario asegurar la regulación de este. Se deberá ajustar la corriente reactiva necesaria de la excitación y de la carga, para que el alternador trabaje con un factor de potencia correcto.
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