Tema A5. Esquemas de conversión con máquina síncrona 2024-2025 PDF

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Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundamentos Fundam. de energías de energías renovables renovables BLOQUE A: SISTEMAS EÓLICOS Tema 5. Esquemas de conversión con máquina síncrona Pablo Sanchis Gúrpide Curso 2024-2025 [email protected] Dpto. de Ing. Eléctrica, Electrónica y de Comunicación 1 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables 5.0 Repaso de máquina síncrona PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA SÍNCRONA La máquina síncrona tiene el mismo estátor de alterna trifásico que la máquina asíncrona. Por ello, cuando por los devanados trifásicos del estátor circula una corriente alterna desfasada 120º, por el Teorema de Ferraris se genera un campo magnético Bs giratorio de amplitud constante y velocidad la de sincronismo (Ωs). El rotor, por el contrario, es distinto al de la máquina asíncrona. A diferencia de ésta, el rotor genera un campo magnético fijo al propio rotor y que, por tanto, gira a la velocidad mecánica del rotor. Este campo se puede generar mediante imanes permanentes (la amplitud del campo será constante en este caso) o mediante un devanado por el que se hace circular una corriente continua (la amplitud del campo será proporcional al valor de dicha corriente). B Ω e Dado que ambos campos magnéticos deben girar a la Bs misma velocidad para que haya par neto, el rotor debe C’ B Ωs girar siempre a la velocidad de sincronismo. Br A’ a A Ωm Ω! = Ω" C a’ B’ 2 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables 5.1 Esquemas de conversión con máquina síncrona Type A Type E-EESG Type F Type D-EESG Type D-PMG Type C Type B: WRIG Type E-PMG 3 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables With asynchronous machine (all with gearbox): Type A: SCIG - squirrel cage induction generator, direct connection to the grid Type F: SCIG – squirrel cage induction generator with full converter Type B: WRIG - wound-rotor induction generator Type C: DFIG - doubly-fed induction generator With synchronous machine (all are Full Converter): Type D: DD PMSG/EESG - direct-drive permanent magnet or electrically excited synchronous generator Type E: PMSG/EESG: permanent magnet or electrically excited synchronous generator with gearbox 4 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables ¿Es posible la conexión directa a red (es decir, sin convertidor)? PMG transformador (PMG: Permanent ¿Multipli- Magnet Generator, cadora? red máquina síncrona de imanes permanentes) velocidad fija frec. fija (por ej. 50 Hz) El generador gira a la velocidad de sincronismo, marcada por la frecuencia de red: fs = fg (" 2 , -" Ω! "#$/& = Ω" = = Velocidad fija ) ) Al ser tan rígida la velocidad de rotación, una ráfaga un poco grande puede hacer que la máquina se desacople NO ES POSIBLE 5 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables CONEXIÓN A LA RED A TRAVES DE UN CONVERTIDOR Para poder trabajar en eólica, un generador síncrono debe trabajar a velocidad variable Velocidad variable frecuencia variable Para acoplar el generador a la red eléctrica (frecuencia fija) se debe cambiar antes la frecuencia con un convertidor por donde pase toda la potencia: convertidor PMG alterna / alterna transformador El convertidor trabaja con toda la ¿Multipli- cadora? ~ red potencia è ~ convertidor “full converter” velocidad variable frec. variable frec. fija (por ej. 50 Hz) bus DC convertidor convertidor lado máquina lado red (AFE) convertidor back-to-back 6 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables 5.2 Tecnologías de máquina síncrona utilizadas en eólica POR EL TIPO DE ROTOR: IMANES PERMANENTES vs. EXCITACIÓN INDEPENDIENTE Máquina síncrona: el rotor gira a la misma velocidad que el flujo magnético. o Las pérdidas magnéticas en el rotor (en estado estacionario) son nulas rendimiento alto Tipo de rotor: o De excitación independiente SG Puede regular el flujo del rotor Necesita un sistema de excitación (pérdidas de Joule) o De imanes permanentes Sistema más sencillo PMG No tiene pérdidas de Joule máximo rendimiento Funciona siempre con el mismo flujo Más caras 7 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables POR EL TIPO DE MÁQUINA: MÁQUINAS MULTIPOLO (SIN MULTIPLICADORA) Máquinas multipolo A diferencia de los generadores asíncronos, los Generadores síncronos pueden trabajar de forma eficiente incluso multipolares si se construyen con un gran número de polos. Para una misma frecuencia eléctrica fs, la velocidad mecánica Ωm puede ser mucho menor: 60 )" Ω! "#$ = # Eso permite evitar la multiplicadora. rotor de una máquina de 36 polos Máquinas Se evita la multiplicadora direct-drive / gearless Generador más grande y caro Convertidor de toda la potencia 8 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables 5.4 Control del convertidor back-to-back Convertidor lado máquina: controla el par (o potencia, ya que viene a ser lo mismo) del generador. Convertidor lado red: controla la tensión del bus de continua del convertidor (y con ello la potencia activa que viene del convertidor del lado de máquina y que es inyectada en la red). También puede inyectar potencia reactiva en la red. El chopper sirve de protección del bus de continua ante sobretensiones provocadas por caídas de red, huecos de tensión, etc. convertidor convertidor máquina bus DC red (AFE) transformador ¿Multipli- red cadora? MS control de: control control control - pitch par chopper Vbus - velocidad - protecciones par - etc. unidad de control (CPU) PLC 9 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables 5.5 Comparación MS Full Converter (Direct Drive) vs. MADA MAS doblemente alimentada MS Full Converter Direct Drive e Imanes permanentes Rango de velocidad variable Mayor rango de variación de restringido velocidad Mayor mantenimiento: Menor mantenimiento: - Multiplicadora de gran RT - Sin multiplicadora - Anillos rozantes - Sin conexión con el rotor Peor integración en red vs. Mejor integración en red Generador ligero y barato Generador más pesado y mucho Convertidor de poca potencia más caro, pero más eficiente - Menor coste - Menores pérdidas Convertidor de toda la potencia Tem Tem generador generador Ωmin Ωmax Ωmin Ωmax motor motor Ωs 10 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables 5.6 Ejemplos comerciales de máquina síncrona full converter TECNOLOGÍA SIEMENS OFF-SHORE (SIEMENS GAMESA RENEWABLE ENERGY) https://www.siemensgamesa.com/es-es 11 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables TECNOLOGÍA SIEMENS OFF-SHORE (SIEMENS GAMESA RENEWABLE ENERGY) https://www.siemensgamesa.com/es-es 12 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables TECNOLOGÍA VESTAS (fuente: https://www.vestas.com/) 13 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables (fuente: https://www.vestas.com/) 14 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables TECNOLOGÍA ENERCON https://www.enercon.de/en/home/ 15 Tema A5. Esquemas de conversión con máq. síncrona Fundam. de energías renovables TECNOLOGÍA ENERCON https://www.enercon.de/en/home/ 16