Las máquinas de inducción, al carecer de un circuito de
excitación separado, no pueden producir la potencia reactiva necesaria para
mantener el campo magnético del estátor.
Por este motivo, necesitan ser instaladas en un sistema
del cual puedan absorber la potencia reactiva que requieran.
Esta fuente de potencia reactiva, debe controlar también
el voltaje que se obtiene del generador.
Sin corriente de excitación, un generador de inducción no
puede controlar su propia tensión de salida. Normalmente, este voltaje se
mantiene por medio del sistema de potencia externa donde se conecta.
Ventajas
La mayor ventaja del generador asíncrono radica en su
simplicidad:
- No necesita un circuito de excitación separada.
- No tiene que ser accionado continuamente a una ω fija.
Mientras la velocidad de la máquina sea superior a la de sincronismo,
funcionará como generador. La potencia de salida será mayor cuanto mayor sea el par
de torsión que reciba.
- No necesita una regulación muy elaborada.
Aplicaciones de
los generadores de inducción
Los generadores de inducción han sido utilizados desde
los primeros años del siglo XX, pero se dejaron de usar por los años de 1960 y
1970. Sin embargo, han comenzado a reaparecer desde que el precio del petróleo
comenzó su espectacular ascenso en 1973. Con los costos tan altos de la
energía, la recuperación de la energía ha vuelto a ser una parte importante de
la economía de la mayor parte de los procesos industriales. El generador de
inducción es ideal para tales aplicaciones, porque requiere muy poco en cuanto
a sistemas de control o mantenimiento.
Por su simplicidad y pequeño tamaño por kilovatio de
potencia de salida, los generadores de inducción se utilizan con bastante frecuencia
en aerogeneradores. Muchos de estos aerogeneradores se diseñan para funcionar
en paralelo, con grandes sistemas de potencia, suministrando una fracción de la
potencia que las redes de distribución eléctrica necesitan.
Con tal operación, puede confiarse en el sistema de
potencia para el control del voltaje y de la frecuencia y los condensadores
estáticos pueden usarse para la corrección de los factores de potencia.
Zonas de
funcionamiento del motor asíncrono
Dando valores al deslizamiento “s” puede obtenerse el
comportamiento de la máquina, tanto como motor o generador.
Figura 1: Zonas de funcionamiento del motor
asíncrono
El motor asíncrono en régimen generador
Características:
− Se tiene para deslizamientos negativos: s < 0
− En velocidades corresponde a velocidades superiores a
la de sincronismo: ω > ω SINC
Propiedades:
− La potencia mecánica interna es negativa: La máquina
absorbe potencia mecánica por el eje es suministrada por el motor primario que
la mueva a una velocidad superior al sincronismo.
− La potencia en el entrehierro es positiva, lo que
indica un par electromagnético positivo.
− Si la potencia en el entrehierro se hace negativa la
transferencia de energía se hace del rotor al estátor. La máquina entrega energía
eléctrica a la red por el estátor.
Figura 2: Sinóptico de potencias
Puesta en
marcha y funcionamiento
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).
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 3: Generador asíncrono acoplado a un
motor diésel
Potencia activa
y reactiva
Como s < 0:
Potencia absorbida de la red:
Potencia suministrada a la red:
La corriente IE, generador se adelanta a la tensión de la
red, lo que indica que la máquina asíncrona suministra a la red una potencia
reactiva capacitiva, o de otro modo, la máquina funcionando como generador
necesita recibir de la red a la que se conecta una potencia reactiva inductiva.
Como R’C >> R’E + R’R, la impedancia de
la rama del rotor tendrá la parte real negativa. Como consecuencia, la
corriente del rotor I’R absorbida se retrasa 90º de la tensión
aplicada, dando lugar a una corriente absorbida de la red IE cuya
fase ϕE es superior a 90º, y
por tanto, la potencia absorbida de la red es negativa, o de otro modo,
se está suministrando potencia activa hacia la red:
Figura 4: Composición de vectores de
corriente respecto a la tensión de red
Inconvenientes:
Físicamente, esta potencia reactiva que necesita recibir
el generador asíncrono se requiere para mantener el campo magnético de su
estátor, 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.
Ventajas:
¡Su sencillez!
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.
Trabajo como
generador aislado de la red
Es posible que la máquina asíncrona 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. 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.
Necesidad de un
banco de condensadores como fuente de reactiva
Para poder hacer trabajar una máquina asíncrona como
generador, aisladamente de cualquier otra red, es necesario disponer un banco
trifásico de condensadores en bornes del generador de inducción que le
proporcione la potencia reactiva necesaria para mantener el flujo en la
máquina.
Figura 5: Banco trifásico de condensadores en
bornes del generador asíncrono
Proceso de
autoexcitación
1ª Fase: Cuando se hace girar el generador asíncrono, el
campo magnético remanente que existe en el hierro del rotor induce sobre los
devanados del estátor una pequeña tensión alterna de frecuencia igual a la
correspondiente a la velocidad que gire el motor y al número de polos de la
máquina.
2ª Fase: Al conectar la batería de condensadores en los
devanados del estátor, circulará una corriente capacitiva alterna que hará la
función de corriente de magnetización de la máquina, creándose un campo
magnético giratorio que inducirá sobre el rotor unas corrientes.
Estas corrientes inducidas en el rotor refuerzan el campo
magnético remanente, lo cual refuerza la tensión en el estátor, incrementándose
aún más la corriente capacitiva y así sucesivamente se va autoexcitando el
generador hasta alcanzar el punto de equilibrio.
Si no hay flujo residual en el rotor del generador
asíncrono, entonces su tensión no se formará y en tal caso deberá energizarse
sucesiva y momentáneamente, poniéndolo a trabajar como motor asíncrono.
Tensión en
bornes del motor
La tensión en bornes del generador asíncrono en vacío en
funcionamiento aislado puede hallarse representado la curva de magnetización
del rotor y la característica voltaje-corriente de la batería de condensadores
en un mismo eje de coordenadas. La intersección de ambas curvas indica el punto
en el que la batería de condensadores suministra la potencia reactiva exigida
exactamente por el generador y en tal punto se determina la tensión en vacío en
bornes del generador.
Figura 6: Curva de magnetización del rotor y
la característica voltaje-corriente de la batería de condensadores
Leyenda de la figura 6:
(1) Curva de magnetización
La curva de magnetización del material del rotor se
obtiene haciendo funcionar como motor en vacío y midiendo la corriente en su
inducido como función de la tensión en sus bornes.
(2) Características de batería de condensadores
Para una batería de condensadores cuanto mayor
sea la capacitancia, mayor será su corriente para un voltaje determinado. Esta corriente adelante el voltaje de fase
en aproximadamente 90º.
Conexión de una
carga
El problema mayor del generador asíncrono es que la
tensión en sus bornes varía fuertemente con el tipo de carga que se conecte.
Para estabilizar la tensión de salida se incorpora un banco de condensadores en
serie, además del banco en paralelo.
Figura 7: Banco de condensadores en serie
para estabilizar la tensión de salida
Estabilización
por condensadores en serie
Al conectar una carga inductiva, el voltaje se reduce muy
rápidamente. Esto sucede porque la batería de condensadores en paralelo debe
suministrar toda la potencia reactiva requerida por la carga y el generador
(que también requiere para su campo magnético).
Cualquier potencia reactiva que se desvíe hacia la carga,
hace regresar al generador a lo largo de la curva de magnetización, causando
una caída de tensión mayor en éste.
Es muy difícil poner en marcha un motor de inducción en
un sistema de potencia que suministre un generador de inducción. Se deben
emplear técnicas especiales para incrementar la capacidad efectiva durante el
arranque y luego disminuirla durante la operación normal.
Por ejemplo, se conecta un banco de condensadores en
serie, además del banco en paralelo. La potencia reactiva capacitiva se aumenta
con el incremento de carga, compensando parcialmente la Q exigida por la carga.
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