Resumen— La tendencia a nivel mundial a la búsqueda

de energías renovables ha contribuido sin duda alguna al

fortalecimiento de la energía eólica, al punto que en la

última década fue una de las fuentes de energía que ha

tenido mayor desarrollo del punto de vista tecnológico. El

fortalecimiento de la generación eólica a nivel mundial

viene acompañado con el aumento en lo que respecta a

información sobre el tema. La creciente aceptación y

comprensión de dicha generación por la sociedad,

ayudado por la inclusión de estos temas en la agenda

política de muchos países ha permitido darle un lugar de

suma importancia en el plano global a este tipo de

generación. Ya hay países como el caso de Dinamarca en

los cuales el 19.9% de su demanda es satisfecha mediante

energía eólica.[1]

Este desarrollo sostenido ha contribuido a la disminución

de los costos de la energía extraída del viento, así como al

mejoramiento de la calidad de la misma y de otros

aspectos como pueden ser contaminación acústica,

contaminación visual, estabilidad de las redes, etc.

Este desarrollo al cual se hace mención en los párrafos

anteriores puede apreciarse en la evolución que han

tenido los generadores utilizados en turbinas eólicas, así

como los elementos de control de los mismos. Sobre estos

temas tratará este documento, el objeto del mismo no es

describir al detalle cada uno de los distintos generadores

y sus mecanismos de control sino dar una idea de las

diferentes opciones. Indicando ventajas y desventajas de

las mismas así como también dar una idea de cómo ha

sido el desarrollo de dichas tecnologías y cuales son los

temas en los que se está trabajando actualmente.

Palabras Clave— Turbina eólica, Generador Síncrono,

Generador Asíncrono, Convertidor AC/DC-DC/AC,

Cambio de paso, Pérdida aerodinámica.

I. INTRODUCCIÓN El desarrollo tecnológico para el aprovechamiento de la energía eólica en la producción de energía eléctrica tiene sus raíces a finales del siglo XIX. Durante la primera mitad del siglo XX se avanzó en el desarrollo de la tecnología eólica sobre todo en lo que respecta al diseño aerodinámico, sin embargo las dificultades que conlleva la explotación del recurso (variabilidad, poco predecible y baja densidad de energía) sumado al bajo costo de las centrales hidráulicas y térmicas hizo que en este período su utilización solo se limitara casi exclusivamente al bombeo de agua. Recién a mediados de los 70 aparecieron los primeros aerogeneradores comerciales, desde ese entonces la tecnología eólica ha avanzado notablemente. [2]

Este avance desemboco en la instalación de un mayor número de máquinas y de una mayor potencia. Por lo que el efecto de estas sobre la red comenzó a tener un impacto significativo, en este punto es donde se torna fundamental el papel de la electrónica de potencia como interfaz entre el generador y la red. Esto ha permitido mejorar significativamente la calidad de la energía inyectada a la red por los generadores eólicos así como también el rendimiento de los mismos, los cuales pasaron de 600kWh/año por metro cuadrado de rotor en 1982 a mas de 1200 kWh/año por metro cuadrado de rotor en 2002.[3] Respecto a sus comienzos los costos por kW instalado han disminuido así como también los referidos a operación y mantenimiento y en muchos países se ha vuelto una opción competitiva al momento de producir energía. En el 2007 el costo del kW instalado varío entre 1000 y 2000 €1 dependiendo del país, en tanto el costo de operación y mantenimiento vario entre 10 €/MWh y 19 €/MWh.[1] En cuanto al tamaño de los generadores instalados, este ha ido en aumento desde hace más de una década encontrándose actualmente el valor medio de la potencia nominal de los nuevos generadores instalados en el entorno de 1.8MW. Los costos de las turbinas y los costos totales del proyecto según datos del 2007 se pueden apreciar en la tabla 1, en tanto en la figura 1 se puede apreciar la evolución de la potencia nominal instalada por generador.

Tabla 1: Costos por kW, año 2007.[1]

1 Estos valores corresponden a generadores instalados en

tierra.(onshore)

Ignacio Afonso

Instituto de Ingeniería Eléctrica - Facultad de Ingeniería (UDELAR)

GENERADORES PARA TURBINAS EÓLICAS

Figura 1: Tamaño medio de las turbinas instaladas en los países

miembros de la IEA2.[1] En el presente documento se desarrolla de la siguiente forma: - En el punto II se realizará una introducción a los sistemas de control aerodinámicos. - En el punto III se analizan las distintas tecnologías de generadores, discriminando entre generadores asíncronos y generadores síncronsos. - En el punto IV se explica como se realiza la operación de aerogeneradores de velocidad variable - En el punto V se plantean diferentes comparaciones entre algunas de las tecnologías presentadas en el punto III. - En el punto VI se analiza cuales son las tendencias y perspectivas a futuro. - Por último en el punto VII se realizan unas breves conclusiones sobre los temas tratados.

II. SISTEMAS DE CONTROL AERODINÁMICO Los sistemas de control aerodinámicos están profundamente relacionados con el tipo de generador a ser instalado, por ellos en esta sección se presentarán brevemente los principales métodos para llevar a cabo este control. Básicamente las funciones del sistema de control aerodinámico son las de proteger al aerogenerador en casos de vientos elevados, así como también la regulación de la potencia generada por el mismo. Estos sistemas también permiten aumentar la eficiencia de los generadores dado que logran la operación de los mismos a velocidades propicias para maximizar su rendimiento. Desde el punto de vista de la eficiencia existen dos tipos de mecanismos para llevar a cabo este control, ambos se basan en la modificación del ángulo de ataque de las palas. Esto se puede lograr básicamente de dos maneras, de forma pasiva, mediante el diseño aerodinámico de las palas con el cual a partir de cierta velocidad del viento las palas entran en pérdida aerodinámica. Otra alternativa es realizar el control de potencia de forma activa, este control permite la

2IEA es la Internacional Energy Agency.

variación del ángulo de ataque de forma controlada e individual. A continuación se hace una breve reseña de cada uno de estos métodos.

A. Sistemas pasivos de control

Estos sistemas son utilizados en aerogeneradores con ángulo de paso fijo, o sea las palas están unidas rígidamente al buje del rotor, y en general en máquinas de velocidad fija.

Figura 2: ángulos de paso y guiñada en una aeroturbina.[2]

El funcionamiento de este sistema es el siguiente, luego de que la velocidad alcanza un valor cercano al nominal el ángulo de ataque de los perfiles supera el valor crítico con lo cual comienza a haber desprendimientos en el flujo sobre el borde de salida de la pala. Esto desemboca en una rápida disminución de las fuerzas de sustentación y un aumento en las fuerzas de arrastre con lo cual disminuye la potencia desarrollada por la turbina. En la figura 3 puede apreciarse la evolución del ángulo de paso y de la potencia para un aerogenerador con un sistema aerodinámico de limitación de velocidad pasivo.[2]

Figura 3: curva de potencia y ángulo de paso de pala de un

aerogenerador con sistema aerodinámico de limitación de potencia pasivo. [2]

Los aerogeneradores en los cuales se emplea este sistema presentan las siguientes características, deben ser aerogeneradores estructuralmente más robustos ya que deben soportar cargas mecánicas más importantes que los que poseen ángulo de paso variable.

B. Sistemas activos de control de potencia

Como se mencionó anteriormente este sistema permite un control de forma activa de la potencia, este control permite no solo controlar la potencia generada sino también limitar la velocidad y aceleración de giro. Para ello lo que hace es modificar el ángulo de paso de la pala. Este sistema también es utilizado durante el arranque y la parada del aerogenerador, esto permite un proceso de conexión a la red más suave que en el caso de máquinas con un sistema de paso fijo. Otra ventaja de este sistema es que a diferencia del sistema de paso fijo permite ante velocidades de viento elevadas el aerogenerador puede controlar la potencia de modo de quedar dentro de valores admisibles. Este sistema se puede implementar básicamente de dos maneras, o bien variando el ángulo de la pala en dirección al viento (control de cambio de paso) o variando el ángulo de la pala en sentido contrario (pérdida aerodinámica activa). En las figuras 4 y 5 se muestran la evolución de la potencia y del ángulo de paso en función de la velocidad.

Figura 4: potencia eléctrica y ángulo de paso de pala en función de

la velocidad del viento para una aeroturbina con control de paso de pala. [2]

Figura 5: potencia eléctrica y ángulo de paso de pala en función de

la velocidad del viento para una aeroturbina con control pérdida aerodinámica activa. [2]

Como resumen este sistema de control permite un mayor aprovechamiento de la energía ya que para velocidades de viento mayores a la nomina la potencia se mantiene constante hasta la velocidad de desconexión. Como desventaja su costo es mayor al igual que su complejidad.

III. EL GENERADOR

El generador es uno de los elementos principales de una turbina eólica, en base a este se dimensionan los restantes elementos del sistema de supervisión y control. En principio no habría restricción en cuanto a utilizar un generador de corriente continua o uno de corriente alterna, sin embargo debido a la relación potencia/peso (factor fundamental en aerogeneradores con el generador instalado en la góndola), a sus menores costos de mantenimiento y a su mayor disponibilidad se utilizan casi en exclusividad generadores de corriente alterna. Por lo tanto existen dos tipos básicos de generadores: síncronos y asíncronos, encontrándose múltiples variantes dentro de estos dos grupos. Como aspectos generales de estos dos grandes grupos podemos decir que la principal característica de los generadores síncronos es el hecho de que para mantener la frecuencia constante deben mantener una velocidad de giro también constante. Esto trae como consecuencia la aparición esfuerzos mecánicos importantes sobre el sistema de transmisión y oscilaciones en la potencia mecánica generada. Debido a estas características este tipo de generadores se utilizan conectados a la red mediante un convertidor de frecuencia. En el caso de los generadores asíncronos, estos pueden tener pequeñas variaciones en la velocidad sin necesidad de variar la frecuencia, este hecho da cierta

flexibilidad de operación al aerogenerador y permite aprovechar la energía cinética de pequeñas ráfagas de viento.

A. Generadores asíncronos

Como se mencionó anteriormente una de las principales ventajas de los generadores asíncronos es la posibilidad de variar levemente su velocidad de giro sin cambiar la frecuencia en sus bornes. Además las máquinas asíncronas tienen la capacidad de ser sobrecargadas, en un cierto margen, sin perder el sincronismo. Para el caso de motores las normas dicen que la máquina debe poder suministrar un par en el eje equivalente al 160% del valor de plena carga por al menos 15 segundos. [2] Otra característica de estos generadores es que necesariamente necesitan consumir potencia reactiva para su funcionamiento, por este motivo se debe adoptar medidas para la compensación de dicha potencia. En la figura 6 se puede apreciar el consumo de reactiva en función de la potencia activa generada. Una de las soluciones para este tema es colocar una batería de condensadores a pasos variables o con regulación continua mediante tiristores.

Figura 6: evolución de la potencia reactiva, factor de potencia y

rendimiento de una máquina de inducción en función del grado de carga. [2]

Otro punto a tener en cuenta en los generadores asíncronos es el proceso de conexión a la red de los mismos, al conectar a la red un generador asíncrono se genera un pico de corriente el cual podría hacer abrir las protecciones. Para subsanar este hecho su utiliza un arrancador suave similar al utilizado para motores, de esta manera se evita la sobrecorriente en el arranque. Durante el proceso de arranque aparece un importante contenido amónico por lo cual es necesario desconectar los condensadores de compensación para evitar sobrecorrientes.

Figura 7: esquema de conexión de un sistema con dos generadores

asíncronos mediante variación continua de la tensión. [2]

A continuación se analiza esta tecnología empleada en aerogeneradores de velocidad fija y en aerogeneradores de velocidad variable.

1) Aerogeneradores de velocidad fija

Este tipo de generadores como se menciono anteriormente trabaja a una velocidad fija impuesta por su diseño y por la frecuencia de la red, aunque admiten pequeñas variaciones en su velocidad de giro sin necesidad de variar la frecuencia en sus bornes, por este último motivo se utilizan generadores asíncronos para este tipo de configuración. Como se puede observar en la figura 8 este tipo de generador se utiliza directamente conectado a la red.

Figura 8: Configuración de aerogeneradores de velocidad fija con

diferentes controles aerodinámicos. [16]

En la figura 8 se muestra la configuración clásica de un aerogenerador asíncrono jaula de ardilla, con diferentes controles aerodinámicos. A pesar de no estar indicado en la figura 8, los tres sistemas necesitan de un arrancador suave para el arranque. Las ventajas en común de estas soluciones son su bajo costo y fiabilidad, en su contra tiene el hecho de que no posee un control rápido sobre la potencia activa generada. A esto hay que sumarle el hecho de que las ráfagas de viento pueden causar cargas significativas sobre la caja de transmisión generando un desgaste extra. [3]

Como se mencionó anteriormente otra desventaja es que este tipo de generadores solo pueden generar para velocidades por encima de la de sincronismo y necesitan en todos los casos de una caja multiplicadora la cual introduce pérdidas en el aerogenerador así como también encarece el mantenimiento, aumenta los costos de la estructura e introduce contaminación acústica.[8] Para dar una idea del lugar que ocupa esta tecnología hoy en día este tipo de máquinas fueron desarrolladas y utilizadas principalmente entre los años 1980 y 1990 en Dinamarca.

2) Aerogeneradores de velocidad variable

a) Introducción

Las variaciones de potencia activa y reactiva en los sistemas de velocidad fija debido a la variabilidad de la velocidad del viento, han hecho que actualmente se torne más frecuente la elección de generadores de velocidad variable. [5] Con el uso de este tipo de aerogeneradores se puede lograr un mejor aprovechamiento del recurso dado que se puede mantener al aerogenerador en el punto de funcionamiento óptimo para cada nivel de intensidad de viento. Esta estrategia de control es denominada “Maximum Power Tracking”. [6] La proliferación de este tipo de aerogeneradores se ha debido en gran parte al desarrollo de la electrónica de potencia y a la baja en sus costos, así como también al desarrollo de los microcontroladores necesarios. Como ventajas fundamentales de este tipo de aerogeneradores tenemos un mayor aprovechamiento de la energía disponible, la posibilidad de reducir las cargas sobre el sistema mecánico, las palas y la torre.

b) “Control del deslizamiento mediante

resistencia retórica”

La configuración ilustrada en la Figura 10 es la más sencilla de las tecnologías de velocidad variable (Control del deslizamiento mediante resistencia retórica), la misma consiste en variar el deslizamiento de una máquina de inducción de rotor bobinado mediante la variación de la resistencia del rotor. Otra forma de ver la manera de operar de este sistema es analizándolo desde el punto de vista de la potencia, cuando se produce una ráfaga de viento el molino se acelera con lo cual pasaría a entregar mayor potencia a la red. Como se pretende mantener constante la potencia entregada a la red lo que se hace es aumentar la resistencia del rotor con lo cual se disipa en este el exceso de potencia “captada” por el aerogenerador. Mediante esta metodología se puede operar el aerogenerador a una velocidad hasta un 10% mayor a la nominal del mismo.

Figura 9: Control de deslizamiento por variación de resistencia

rotórica. [16] La expresión del par eléctrico de una máquina de inducción para pequeños deslizamientos(s<0.1) es la siguiente:

23s

extRs

e URR

sT

+

=

ω

Donde sω es la velocidad de sincronismo, s es el

deslizamiento, RR es la resistencia del rotor,

extR representa la resistencia adicional incorporada al

rotor. De esta ecuación se aprecia que si aumenta el deslizamiento (aumenta la velocidad del rotor) y pretendemos mantener “constante” el par eléctrico debemos aumentar la resistencia en el rotor

( extR RR + ). En definitiva el funcionamiento de este

sistema consiste en aumentar la resistencia del rotor a medida que aumenta la velocidad del viento, y siempre en coordinación con el mecanismo de cambio de paso de las palas. Dicha metodología se puede implementar o bien colocando el reóstato movido por un servomecanismo fuera de la máquina, o bien sustituyendo dicho reóstato por un convertidor electrónico el cual regula la intensidad por el rotor controlando de esta manera el par, por último hay una variante de este último sistema en la cual el convertidor electrónico y las resistencias giran solidarias al rotor. En el caso de implementar este sistema mediante un reóstato externo se presentan ciertos inconvenientes, el sistema se vuelve lento e impreciso y pueden aparecer arcos en el reóstato debido a los valores de corriente que debe conmutar. Esto último causa degradación en los componentes y aumenta el costo de mantenimiento del equipo. [2] Estos inconvenientes se eliminan implementando la segunda opción (sustituir el reóstato motorizado por una resistencia controlada de forma electrónica), esta opción aumenta tanto la eficiencia como la robustez del sistema. Igualmente ambos sistemas presentan ciertos inconvenientes como son la necesidad de evacuar todo el calor disipado por las resistencias y la existencia de anillos rozantes. La tercera opción, en la cual el convertidor electrónico y las resistencias se encuentran girando de forma solidaria con el rotor soluciona en parte estos

inconvenientes (sistema Optislip de Vestas). La información para el control de convertidor electrónico es suministrada mediante un acople óptico lo cual permite eliminar los anillos rozantes, esto mejora la confiabilidad del sistema así como los costos de mantenimiento del equipo. Otra ventaja adicional es que las resistencias al encontrarse girando se refrigeran mas eficazmente. Esta tecnología fue desarrollada por la compañía Vestas a mediados de los 90’. [8] Los tres sistemas antes mencionados requieren de compensación de reactiva así como también de un arrancador suave.

Figura 10: Esquema de control del sistema con reóstato de tomas

variable en el rotor. [2]

Figura 11: esquema de control, sistema con convertidor de corriente

del rotor. [2]

Figura 12: esquema de control del sistema “sin escobillas” OptiSlip.

[2]

c) Control de Deslizamiento con

Recuperación de Energía

Otro sistema actualmente en desuso es el “Control de Deslizamiento con Recuperación de Energía” (conocido con el método de Scherbius estático), en este sistema se sustituye el reóstato por un puente rectificador de diodos y luego mediante un inversor se inyecta la potencia hacia la red. Este sistema lo que hace es en vez de disipar la energía en el rotor la inyecta a la red aumentando así la potencia eléctrica generada. [2] La limitante de este sistema es que solo genera para velocidades por encima de la de sincronismo, con lo cual no permite aprovechar la energía del viento de menor intensidad.

Figura 13: Control de deslizamiento con recuperación de energía. [2]

d) Generador doblemente alimentado

(DFIG)

Otra posible variante dentro de los generadores asíncronos es la de los generadores de doble alimentación. (Figura 14) El DFIG es un generador asíncrono de rotor bobinado el cual se conecta a un convertidor de frecuencia electrónico que a su vez se conecta a la red. Este tipo de generadores necesitan de una caja de transmisión de manera de multiplicar la velocidad de la turbina eólica. Estos generadores son capaces de generar una tensión de valor eficaz y frecuencia constantes para un amplio margen de velocidades, aproximadamente +/- 30% en torno a la velocidad de sincronismo [10]. Para lograr esto se alimenta el rotor mediante un convertidor de frecuencia compuesto por dos convertidotes electrónicos AC/DC reversibles, a diferencia del sistema representado en la figura 13, en este se controla la amplitud, frecuencia y fase de la tensión aplicada al rotor lo cual permite realizar un control vectorial de la máquina. Vale aclarar que el rango de velocidades de funcionamiento indicado anteriormente depende de la capacidad del convertidor utilizado. [13] Mediante el control vectorial se regula el par electromagnético y el factor de potencia del generador en un amplio margen de velocidades, tanto por encima como por debajo de la velocidad de sincronismo tal cual se indicó anteriormente. De forma semejante el convertidor conectado a la red permite regular independientemente el flujo de potencia activa y reactiva entre el rotor de la máquina y la red, así como también se encarga de mantener el valor de tensión en el bus de continua. En definitiva con este sistema se logra un control de la energía inyectada a la red parecido al de la máquina sincrónica pero con la ventaja de que la velocidad de giro de la máquina puede variar. Además el convertidor necesario es de una potencia reducida, del entorno del 20% o 30% de la nominal de la máquina lo cual reduce considerablemente los costos del equipo. [2] Por estas razones este sistema es uno de los más utilizados actualmente, dado que permite maximizar la potencia generada y minimizar los efectos de la variación del viento. [6]

Figura 14: Esquema del generador de inducción de doble

alimentación. [2]

e) Generador asíncrono de jaula de ardilla

Por último, el sistema indicado en la figura 15 esta compuesto por un generador asíncrono de jaula de ardilla conectado a la red mediante un convertidor electrónico. Esta configuración presenta como ventajas una mayor robustez y fiabilidad así como un menor precio en comparación al generador de rotor bobinado. Sin embargo no es empleada debido al tamaño del convertidor necesario ya que este debe soportar toda la potencia generada por la máquina. Una variación de este sistema es el ilustrado en la figura 15, la diferencia radica en que el convertidor es conectado solo en la zona de velocidad variable. Si la velocidad del aerogenerador es elevada el convertidor es desconectado y el aerogenerador queda conectado directamente a la red, en este caso el molino es operado como uno de velocidad fija. [2]

Figura 15: Generador asíncrono de jaula de ardilla[2]

B. Generadores síncronos

Los generadores síncronos tienen una estrecha relación entre la velocidad de giro y la frecuencia de las tensiones y corrientes generadas, con lo cual si se pretende mantener la frecuencia constante es necesario mantener la velocidad de giro constante también. Por este motivo no se utilizan en aerogeneradores

máquinas síncronas conectadas directamente a la red. Para poder llevar a cabo esto es necesario en todos los casos interponer un convertidor electrónico entre el generador y la red. Podemos dividir a los generadores síncronos en dos grupos, por un lado están los generadores de rotor bobinado y por otro los de imanes permanentes, estos grupos se analizan a continuación.

1) Generadores de rotor bobinado.

Dentro de los generadores síncronos de rotor bobinado hay diferentes topologías respecto al sistema de excitación, las variaciones en dichas topologías implican cambios tanto en el costo de la máquina como en el costo de su mantenimiento. (Por más detalle [7]) Las máximas capacidades de estos generadores se ubican por encima de los 4.5 MW. [8] En el caso de este tipo de máquinas es necesario alimentar el devanador inductor con una tensión continua, para ello existen básicamente tres sistemas de excitación, excitación propia, autoexcitación y excitación sin escobillas. El primero de estos tres sistemas esta actualmente en desuso para los nuevos diseños, ya que implica tener un generador de corriente continua para alimentar el bobinado inductor. Esto trae aparejado altos costos de mantenimiento, explotación y financieros ya que mientras se realiza el mantenimiento la máquina debe de estar fuera de servicio. El segundo sistema (autoexitación) consiste en alimentar el devanado inductor mediante un puente rectificador, este sistema presenta la ventaja respecto al anterior de que el puente rectificador es un equipo mucho más confiable que la máquina de C.C, pero igualmente necesitan de una fuente independiente de continua para el arranque. Los dos sistemas anteriores presentan un problema en común, este es la utilización de anillos rozantes. El tercer y último sistema de excitación es el denominado “sin escobillas” o “brushless”. Este consiste en una excitatriz principal la cual es un generador síncrono de estructura invertida (polos inductores en el estator e inducidos en el rotor), se conecta el inducido(bobinados del rotor) a un rectificador el cual se conecta directamente al devanado de excitación del generador. La alimentación de la excitatriz puede llevarse a cabo o bien mediante la propia salida del generador o bien mediante una excitatriz piloto.[2][7]

Figura 16: Excitación mediante puente rectificador (autoexcitación).

[2]

Figura 17: Excitación sin escobillas con autoexcitación. [2]

Figura 18: Excitación sin escobillas con excitatriz piloto. [2]

Los generadores síncronos de rotor bobinado pueden o no tener caja de velocidades dependiendo del número de polos del generador. En el caso de no tener caja de velocidades el número de polos será grande lo cual tiene como desventaja el aumento tanto del peso como del tamaño de generador, lo cual redunda en un aumento de los costos del aerogenerador. Otra desventaja común a todos los generadores síncronos de rotor bobinado son las pérdidas de energía en el “circuito” de excitación.

2) Generadores de imanes permanentes.

Los generadores síncronos de imanes permanentes, presentan hoy en día una alternativa muy interesante para la generación eólica dado el importante desarrollo de las aleaciones de alto magnetismo remanente

llevado a cabo en los últimos años. La utilización de imanes permanentes elimina tanto la necesidad de anillos rozantes como las pérdidas en el devanado del rotor por lo cual no hay necesidad de refrigerarlo. Además la utilización de imanes permanentes permite reducir considerablemente el tamaño de la máquina, con lo cual al disminuir el paso polar es posible hacer máquinas con un mayor número de polos. Esto a su vez elimina la necesidad de utilizar un multiplicador de velocidad y en consecuencia también se eliminan las pérdidas asociadas al mismo así como la contaminación acústica generada por este, por otro lado el ahorro derivado de la desaparición de la caja multiplicadora compensa el incorporar convertidores con mayores prestaciones.[2] Como desventajas para los generadores de imanes permanentes tenemos que, tienen un alto costo, son mas dificultosos para manipular debido a su tamaño y los imanes permanentes son dificultosos de manipular y podrían llegar a desmagnetizarse en caso de estar expuestos a altas temperaturas.[8] Al igual que para el resto de las máquinas eléctricas dentro del grupo de las máquinas síncronas de imanes permanentes hay múltiples configuraciones posibles, según el diseño del rotor y la ubicación de los imanes en el mismo(generadores de flujo radial, axial o transversal). [2] A continuación se comentaran brevemente algunas de las posibles variantes dentro de las máquinas síncronas de imanes permanentes.

a) Máquinas de flujo radial

Este tipo de máquinas permiten operar con un buen rendimiento en un amplio margen de velocidades y tienen una mejor densidad de torque que las máquinas de rotor bobinado.[8] Dentro de este tipo de máquinas encontramos dos tipos de topologías, las máquinas con imanes superficiales y las máquinas de flujo concentrado con imanes embutidos. En la figura 19 se puede apreciar las dos topologías antes mencionadas.

Figura 19: Configuraciones básicas en máquinas de flujo radial. a)

montaje superficial, b) flujo concentrado. [8]

La máquina de flujo radial e imanes superficiales, también denominada en la literatura como “Máquina síncrona de imanes permanentes convencional”, es el tipo más común de máquina síncrona de imanes permanentes. Las características constructivas básicas de esta máquina son: el espacio entre estator y rotor(air-gap) es radial respecto al eje, estator

longitudinal con ranuras e imanes montados en la superficie del rotor. En el caso de la máquina de flujo concentrado con imanes embutidos, esta presenta como características constructivas básicas un espacio entre estator y rotor(air-gap) radial respecto al eje, estator longitudinal con ranuras e imanes montados en ranuras dentro del rotor. Este tipo de máquina permite obtener una densidad de flujo mayor entre el rotor y estator, esto posibilita la utilización de imanes permanentes más económicos como son los ferritas en lugar de los imanes de tierras raras. Esto no implica necesariamente una disminución del costo de la máquina para un torque dado. Lo que si es seguro al utilizarse imanes ferritas es el aumento de la masa del generador debido al incremento en la cantidad de material magnético. Una desventaja que se le puede atribuir a las máquinas de flujo concentrado respecto a las de imanes superficiales es la mayor complejidad constructiva de su rotor. [8]

b) Máquinas de flujo axial

En la figura 20 podemos apreciar un esquema básico de una máquina de flujo axial, la misma tiene el espacio entre el rotor y estator (air-gap) en dirección axial, estator longitudinal (respecto al eje del rotor) con ranuras, e imanes montados superficialmente. La principal ventaja de este tipo de máquinas es su reducido tamaño para un torque dado como contrapartida tiene gran complejidad la construcción del núcleo del estator. Esto es debido a que el núcleo del estator debe ser laminado en dirección paralela a la de movimiento y a la vez paralela a la dirección del eje.[9]

Figura 20: máquina de flujo axial con ranuras. [9]

Otra topología representativa de este tipo de máquinas es la denominada “Torus”[9], la figura 21 muestra un esquema de esta máquina.

Figura 21: máquina tipo TORUS[9]

La característica que diferencia esta máquina de las demás máquinas de flujo axial es el hecho de tener un estator bobinado y dos rotores con imanes permanentes montados superficialmente3 tal cual se muestra en la figura 21. Como ventaja respecto a la configuración mostrada en la figura 20, la construcción del estator en la máquina Torus es mucho más simple. Como desventaja se pueden destacar un espacio entre estator y rotores grande, debido a que el estator no tiene ranuras para introducir el bobinado. Esto causa un aumento en la masa de imanes necesarios con el incremento en los costos que esto conlleva. En términos generales el costo de material activo por unidad de par para esta máquina es el doble que el de una máquina de flujo radial.

c) Máquinas de flujo transversal

La diferencia fundamental de estas máquinas respecto a las anteriormente mencionadas subyace en que la trayectoria del flujo es perpendicular a la dirección de giro del rotor. Este tipo de máquinas tienen algunas ventajas comparado con las máquinas longitudinales como una mayor densidad de fuerza, menos pérdidas en el cobre y sus bobinados son más sencillos. Como desventaja obvia la construcción de esta máquina es mucho más compleja que la de las máquinas longitudinales. Otro punto desfavorable es que estas máquinas tienen un bajo factor de potencia los que incrementa los costos del convertidor electrónico. [8]

3 Los imanes van colocados de manera alternada norte-sur

y los polos norte de un rotor enfrentan a los polos norte del otro rotor y de igual manera los polos sur.

Figura 22: máquina de flujo transversal, con montaje superficial. [9]

Por mas detalles sobre los diferentes tipos de máquinas síncronas de imanes permanentes consultar [9].

C. Configuraciones de aerogeneradores

En la figura 23 se muestran algunas de las topologías de aerogeneradores utilizadas para generadores síncronos, tanto de imanes permanentes como de rotor bobinado. Las características generales de las distintas opciones han sido desarrolladas en los puntos A) 1) y A) 2) de este documento. Vale aclarar que también hay topologías que contienen generadores de imanes permanentes y caja de velocidades.

Figura 23: configuraciones de aerogeneradores síncronos. [16]

IV. OPERACIÓN DE AEROGENERADORES DE

VELOCIDAD VARIABLE

En términos generales la operación a velocidad variable de un aerogenerador no depende del tipo de generador ya que en todos los casos está basado en un control del par de la máquina. Como se realiza este control del par, es lo que depende del tipo de generador seleccionado. Básicamente para la operación de generadores a velocidad variables se han empleado dos soluciones, una opción es trabajar con la velocidad del eje del generador “constante” mientras la velocidad del eje de las palas es variable. Para esto se emplea una transmisión mecánica. Otra solución es el empleo de un convertidor de frecuencia4 el cual permite la operación del generador con una velocidad variable en su eje y manteniendo una frecuencia de red constante. Esta solución es la más empleada actualmente. Como se mencionó en el punto 1) la estrategia de control para los aerogeneradores de velocidad variable es la de seguimiento de punto de máxima potencia, para ello lo que se busca es mantener al generador en su velocidad de giro óptima para cada velocidad de viento. Para esto lo que se hace es variar la referencia de par del generador, con lo cual al aumentar el par del generador se producirá una desaceleración en la turbina y al disminuirlo se acelerará lográndose la velocidad deseada cuando el par de la turbina se iguala al del aerogenerador. Por otro lado pero en estrecha relación con el control de par del generador actúa el mecanismo de cambio de paso(para aquellos generadores que lo posean). En general este tipo de controles se utilizan para controlar la velocidad de giro e indirectamente la potencia, el motivo de ello es que la velocidad presenta transiciones más lentas que la potencia debido a la inercia del sistema, con lo cual se reduce la exigencia mecánica del mecanismo de cambio de paso. La pregunta ahora es ¿como operan estos dos mecanismos en conjunto en un aerogenerador? La idea es la siguiente, el aerogenerador se diseña con una cierta potencia nominal y una máxima velocidad de giro. Con lo cual el seguimiento del punto de máxima potencia se ve limitado por la máxima velocidad de giro del aerogenerador, por lo tanto entre la velocidad del viento de conexión y la velocidad del viento que lleva a la máxima velocidad de giro del aerogenerador se realiza el control del seguimiento del punto de máxima potencia. Desde esta velocidad de viento hasta la velocidad nominal del viento(a la cual se genera la potencia nominal) la velocidad de giro permanece constante mientras la potencia aumenta hasta llegar a su valor nominal. Cuando la velocidad del viento aumenta por encima de la velocidad nominal se requiere la actuación del sistema de limitación de potencia el cual actúa sobre el paso de las palas, de esta

4 El uso de un convertidor de frecuencia no implica la no

utilización de la transmisión mecánica.

manera al variar el paso de las palas se logra mantener “constante” tanto la velocidad de giro como la potencia generada. En la figura 24 se aprecia como para velocidades de viento menores a 5 m/s la velocidad de giro del aerogenerador se mantiene incambiada mientras el par interno de la máquina aumenta, al llegarse a valores de velocidad del viento del entorno de 5 m/s la velocidad de giro del aerogenerador comienza a aumentar y comienza a generar conforme aumenta el par interno de la máquina hasta llegar a la velocidad de giro nominal(punto C). A partir de este punto al aumentar la velocidad del viento el par interno de la máquina aumenta por lo cual la potencia generada aumenta manteniéndose constante la velocidad de giro. Esto se mantiene hasta llegar al punto D en el cual se alcanza la potencia nominal del aerogenerador, a partir de este punto comienza a actuar el control de ángulo de paso o en su defecto el control por entrada en pérdia. Según sea el sistema de control aerodinámico del aerogenerador la curva de potencia evolucionará según lo indicado en las figuras 3, 4 o 5.

Figura 24: Curva par-velocidad para un generador doblemente

alimentado. [2]

V. COMPARACIÓN DE DIFERENTES

GENERADORES EÓLICOS En esta sección se presentan diferentes comparaciones entre algunas de las tecnologías mencionadas en este documento, la intención no es demostrar cual es la mejor opción sino poner en evidencia que la mejor opción de generador depende de diversos factores, entre ellos la ubicación del aerogenerador en términos geopolíticos, los requerimientos de calidad de energía exigidos, la potencia del aerogenerador, características geográficas del emplazamiento, características del recurso eólico, etc. En la Tabla 2[11] se comparan dos tipo de generadores, por un lado un generador síncrono de imanes permanentes y sin caja multiplicadora(PMSG) y por otro lado un generador asíncrono jaula de ardilla de velocidad fija(SCIG). Estas comparaciones han sido realizadas para dos potencias nominales distintas 500kW y 3 MW.

Generador concepts PMSG SCIG PMSG SCIG

Rated power (kW) 500 500 3000 3000 Outer diameter of

generator (m)

2.7 1.5 5 2.5

Length of system (incl. hig-speed shaft

in SCIG) (m)

1.2 3 2 6

average efficiency ( %)

90.7 88.4 91.6 90.0

Tabla 2: COMPARACIÓN ENTRE PMSG Y SCIG[11]

De la Tabla 2 podemos sacar dos conclusiones, por un lado se aprecia una de las desventajas de los generadores de imanes permanentes, su gran tamaño, vemos que para una potencia de 3000kW el diámetro exterior debe ser de 5 metros. Esto como es evidente trae importantes complicaciones desde el punto de vista logístico para el traslado y la maniobrabilidad del generador, lo cual no es un tema menor principalmente para instalaciones “onshore”. Una opción para disminuir el tamaño del generador es la utilización de una transmisión, de manera de disminuir la cantidad de polos del generador. Esta solución evidentemente tiene las desventajas de los sistemas con transmisión y de los generadores de imanes permanentes, pero en muchos casos el ahorro que implica la colocación de dicha transmisión lo justifica. Como referencia el agregar la transmisión de relación fija permitiría por ejemplo instalar un generador de 3MW en el espacio de uno de 1.5MW sin la transmisión.[11] Un ejemplo de esto es el nuevo modelo de compañía Vestas el cual saldrá al mercado este año bajo el nombre V112, este aerogenerador posee un generador sincrónico de imanes permanentes de 3MW y una caja multiplicadora. El máximo radio exterior de la góndola del aerogenerador es de solo 3.9m, la diferencia queda a la vista. Por otro lado la eficiencia del generador síncrono de imanes permanentes es superior que la del generador asíncrono de jaula de ardilla. Este punto no es tan obvio fuera de los datos mostrados por la Tabla 2, debido a que el generador de jaula de ardilla no tiene grandes pérdidas de potencia en el rotor por efecto Joule en comparación a una máquina con rotor bobinado y por otro lado la máquina de imanes permanentes como mencionamos anteriormente necesita de un convertidor “full scale”. Esto quiere decir que toda la potencia generada por la máquina pasa inexorablemente por el convertidor lo cual aumenta no solo su costo sino también las pérdidas en el mismo. Como se mencionó anteriormente el dinero ahorrado al no instalar la caja de transmisión es compensado con el mayor costo del convertidor “full scale”.[2] Mediante las gráficas ilustradas en las figuras 26 y 27 podemos apreciar la migración de tecnologías de aerogeneradores en los últimos años. Si bien las gráficas no llegan hasta el presente a grandes rasgos las

tendencias de estas curvas siguen siendo similares. La codificación de las gráficas es la siguiente “Type A”: generador de velocidad fija(SCIG), “Type B”: generadores de velocidad variable mediante variación de resistencias retóricas (por ejemplo sistema Optislip), “Type C”: generadores de inducción doblemente alimentados y “Type D”: generadores denominados “full converter” entre los cuales hay tanto máquinas asíncronas de rotor bobinado como máquinas sincrónicas.

Figura 25: Porcentaje anual de potencia instalada por tipo de

tecnología. [17]

Figura 26: Porcentaje acumulado de la potencia instalada por tipo de

tecnología.[17] En la figura 27 se aprecia la evolución de la tecnología en los aerogeneradores, la misma ilustra las curvas de potencia a presión normal de dos aerogeneradores no prototipos. Por un lado un típico generador danés de 1998(generador asíncrono jaula de ardilla y paso fijo) y por otro un generador marca Vestas V112(generador sincrónico de imanes permanentes con transmisión y paso variable) de 2009. Esta gráfica no hace más que reafirma lo ya dicho anteriormente, el avance de la tecnología eólica en estos últimos 10 años ha sido asombroso. En 1998 con una velocidad de viento de aproximadamente 13 m/s obteníamos 500kW mientras que hoy en día lo podemos lograr con velocidades de aproximadamente 6.5 m/s. Por otro lado actualmente las potencias nominales de los equipos se han incrementado notoriamente respecto a hace 10 años.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

Velocidad de viento(m/s)

Po

ten

cia

(MW

)

Vestas V112 Típico generador danes de 1998

Figura 27: Curvas de potencia para un generador de 2009(V112) y un generador de 1998.

En la figura 29 se presentan las curvas de potencia de varios aerogeneradores que pueden encontrarse en el mercado hoy en día. Esta gráfica muestra claramente como las distintas tecnologías han optimizado su diseño de tal manera que sus curvas de potencia son muy similares. Para poder identificar cual sería la mejor opción no alcanza con observar las curvas de potencia, sino que es necesario calcular con dichas curvas la energía generada en base a una serie de datos de viento. Este resultado dependerá claramente del emplazamiento elegido. Otros puntos no menores al comparar los distintos aerogeneradores son por ejemplo las dimensiones de los mismos, su masa, costo por unidad de torque, su eficiencia, los costos por MW instalados, etc. En conclusión la elección del “mejor” aerogenerador no es para nada trivial. Otro punto importante en la comparación de diferentes tecnologías de aerogenerador es su comportamiento ante faltas. En este aspecto las máquinas con generadores asíncronos doblemente alimentados tienen la desventaja de necesitar de sistemas de protección adicionales (CROWBAR ACTIVO) debido a las los picos de corrientes que aparecen en la misma ante una falta, en cambio las máquinas conectadas a la red mediante un convertidor “full scale” no tienen este problema además de ser en muchos casos más sencillas y eficientes. Un tema no menor a la hora de comparar tecnologías es la capacidad de estas para adaptarse a los requerimientos actuales de las redes eléctricas. Uno de

estos requerimientos es el comportamiento de los aerogeneradores ante huecos de tensión, problema que en redes débiles puede aparecer frecuentemente. Los generadores de velocidad fija no permiten mantenerse en servicio para huecos de tensión de cierta duración y magnitud. Esto es debido a que al disminuir la tensión disminuye el par eléctrico que realiza la máquina sobre el rotor, esto provoca el envalamiento de la máquina dado que el par ejercido por el viento no ha variado. Por supuesto con que rapidez se envale la máquina depende de varios factores como son la velocidad del viento, la potencia a la cual estaba generando la máquina, etc. En este aspecto las tecnologías de velocidad variable son muy superiores, permitiendo responder ante huecos de tensión de manera de ayudar a mantener la misma en niveles adecuados. En la figura 28 se muestra una curva típica de respuesta ante huecos de tensión para aerogeneradores. Un punto interesante respecto a las nuevas exigencias para respuestas de los aerogeneradores ante huecos de tensión es que, cada paso las exigencias son mayores y en algunos casos las tecnologías de velocidad variable instalada en los últimos años no pueden hacer frente a estas exigencias necesitando de la instalación de equipos auxiliares. Este hecho abre las posibilidades a tecnologías dejadas de lado en los últimos años como pueden ser los generadores asíncronos de jaula de ardilla conectados a la red mediante un convertidor. [15]

Figura 28: Curva tensión-tiempo que define el área del «hueco de tensión» en el punto de conexión a red que

debe ser soportado por la instalación. Tensión fase-tierra correspondiente a las fases en falta.[14]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Mill

ares

Velocidad viento m/s

Po

ten

cia

kW

Enercon E82 Enercon E70 Gamesa G83 Gamesa G87

Figura 29: Curvas de potencia para aerogeneradores disponibles en el mercado Clase II según norma IEC.

VI. TENDENCIAS Y PERSPECTIVAS A FUTURO En términos generales se podría decir que la tecnología de generadores eólicos apunta hacia las máquinas de mayor potencia y con mayores prestaciones en cuanto al control de tensión y potencia. En este aspecto hay una clara tendencia hacia el desarrollo de máquinas sincrónicas con o sin imanes permanentes conectadas a la red a través de un convertidor. De todos modos hasta el momento el mercado mundial de aerogeneradores está dominado por la tecnología DFIG (generadores asíncronos doblemente alimentados), al tratar de llevar este hecho a los números han aparecido distintos valores pero todos confirman su dominio. A modo de ejemplo hasta el 2005 según [17] aproximadamente el 47% de la potencia eólica instalada en el mundo eran DFIG y solo el 18% del mercado lo cubrían las máquinas con tecnología “full converter”.5Otros datos más recientes mediante los cuales se aprecia lo dicho anteriormente se pueden ver en la figura 30. En la misma se ve que en la potencia instalada acumulada en España por fabricantes hay un claro dominio de Gamesa y Vestas, las cuales son dos fabricantes tradicionales de molinos con tecnología asíncrona. En la figura 31 se puede ver la potencia instalada por fabricante en España durante el año 2008, manteniéndose el dominio de las empresas antes mencionadas. Otro sector en el cual hay claras tendencias es en el reglamentario, las mismas apuntan a una mayor exigencia en las respuestas de las máquinas ante huecos de tensión y variaciones de frecuencia. Ya no solo se exige a los generadores cumplir con una cierta curva del estilo de la ilustrada en la figura 28, sino que las nuevas reglamentaciones apuntan también a, dentro de cierto margen, “regular” la frecuencia mediante el control de la potencia activa de los generadores. Para ello se presentan restricciones reglamentarias en cuanto a la máxima potencia activa generada así como también soluciones tecnológicas que permiten aprovechar la energía cinética del rotor para dar un “extra” de potencia activa en el momento adecuado.6 Desde el punto de vista de las redes se trata de concentrar la generación eólica en grandes parques de potencia elevada y “pocas” máquinas [17], por ejemplo en países como Dinamarca en los cuales las locaciones propicias para este tipo de generación ya han sido utilizadas se opta por reemplazar las máquinas existentes por máquinas de mayor potencia. Otro frente de desarrollo para la generación eólica es el de las instalaciones “ofshore” (instalaciones sobre el agua). En este aspecto los avances han sido varios en los últimos años, se está trabajando para la construcción de máquinas de mayor potencia con generadores capaces de generar en media tensión. También se trabaja en la mejora de los sistemas de transmisión en corriente continua (HVDC) para

5 Se puede apreciar en la figura 26.

6 Un ejemplo de esta tecnología es el sistema

WindINERTIA de la compañía General Electric.

evacuar la potencia generada en los parques “ofshore” hacia la costa.

Figura 30: Potencia instalada en España acumulada por fabricantes al

01/01/2009 [18]

Figura 31: Potencia instalada en España en 2008 por fabricantes.

[18]

VII. CONCLUSIONES En el presente trabajo se trató de exponer el estado del arte referido a los generadores eólicos, mostrándose las diferentes tecnologías con sus principales características. Como resultado de la comparación queda claro que desde el punto de vista del aprovechamiento del recurso no hay grandes diferencias entre las diferentes opciones de aerogeneradores de hoy en día. Por otro lado se ha mostrado el avance de las tecnologías en los últimos 10 años, tanto del punto de vista de la generación como del de la calidad de energía. Probablemente la supervivencia de cada una de las tecnologías presentadas en este trabajo esta condicionada a futuro por su capacidad de adaptarse a los nuevos requerimientos de los operadores de sistemas eléctricos, los cuales en los últimos años han aumentado considerablemente sus exigencias y sin duda lo seguirán haciendo en la medida que aumente el porcentaje de potencia eólica instalada en los distintos sistemas eléctricos. Probablemente estas mismas exigencias guíen el camino por el cual avanzarán estas tecnologías.

VIII. REFERENCIAS

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[2] J.L Rodriguez Amenedo, JC. Buegos Díaz, S. Arnalte Gómez; Sistemas eólicos de producción de

energía eléctrica; Rueda, 2003.

[3] F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F Iov; Power

Electronics in Wind Turbina Systems; Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC 2006. CES/IEEE 5th International.

[4] IEC 61400-2,Seguridad de los pequeños

aerogeneradores,1998.

[5] Luis S. Vargas, Claudia Arman, Rodrigo Palma-Behnke; Análisis Dinámico de la Operación de

Parques Eólicos Interconectados al SIC;

http://146.83.6.25/lit_charl_sem.htm; 2006.

[6] Germán C. Tarnowski, Romeu Reginatto; “Adding

Active Power Regulation to Wind Farms with Variable

Speed Induction Generators”; Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE

[7] Stephen J. Chapman; “Máquinas Eléctricas”; Mac Graw Hill; 2005

[8] H. Li, Z. Chen; “Overview of different wind

generator systems and their comparisons”, Renewable Power Generation, IET IEEE; 2008 .

[9] Maxime Roger Joseph Dubois; “Optimized

Permanent Magnet Generator Topologies for Direct-

Drive Wind Turbines”; http://repository.tudelft.nl/file/80792/161816; 2004.

[10] Gabriele Gail, Anca D. Hansen , Thomas Hartkopf ; “Controller design and analysis of a variable speed

wind turbine with doubly-fed induction generator”; 0210_Ewec 2006 full paper; 2006 [11] Henk Polinder, Frank F.A. van der Pijl, Gert-Jan de Vilder, Peter Tavner; “Comparison of Direct-Drive

and Geared Generator Concepts for Wind Turbines”, IEEE 2005.

[12] Vestas Wind Systems A/S; “Vestas_V112_web.pdf”; HTTP://V112.VESTAS.COM/; 2009.

[13] Ion Boldea, Syed A. Nasar; “The Induction Machine Handbook”; CRC 2002.

[14] Red Eléctrica Española; P.O 12.3; 2006

[15] M.B.C. Salles, K. Hameyer, J.R Cardoso, W. Freitas; “Dynamic Analisis of Wind Turbines

Considering New Gris Code Requirements”; http://users.ntua.gr/stpapath/paper_2.34.pdf ; 2008

[16] Frede Blaabjerg, Zhe Chen; “Power Electronics for Modern Wind Turbines”; Morgan & Claypool Publishers; 2006 [17] Anca D. Hansen y Lars H. Hansen; “Market

penetration of wind turbine concepts over the years”; EWEC 2007 [18] AEE(Asociación Empresarial Eólica); www.aeeolica.org