Generadores y regulación de potencia

Rotación → electricidad

Cómo funciona un generador

El generador transforma la energía de rotación en energía eléctrica gracias a la inducción electromagnética. Según la ley de Faraday, cuando un flujo magnético variable atraviesa un circuito, se induce en dicho circuito una fuerza electromotriz (f.e.m.).

Un generador está compuesto por dos partes: rotor y estátor. El rotor, que gira gracias a un eje movido por una turbina (hidráulica, de vapor, de gas o eólica), crea un campo magnético, bien mediante imanes permanentes, bien mediante bobinados alimentados con corriente continua. El estátor, la parte fija que lo rodea, contiene los bobinados de cobre. Al girar el rotor, el flujo magnético que atraviesa las bobinas del estátor varía una y otra vez, y genera en ellas una tensión alterna.

Un generador trifásico

Campo del rotorFase 1Fase 2Fase 3

Los tres bobinados están separados 120°. De esta forma se obtienen tres ondas desfasadas 120°, lo que corresponde al sistema trifásico de la red eléctrica.

¿Sabías que?

La frecuencia de la electricidad depende de la velocidad de giro y del número de pares de polos del generador. Con dos pares de polos hacen falta 1.500 rpm para producir los 50 Hz de la red europea. Con muchos más polos, el generador puede girar más despacio, como ocurre en las turbinas de las centrales hidroeléctricas.

Una vez creadas las tensiones trifásicas, el generador se conecta a la red para evacuar la energía, y por sus bobinados empieza a circular corriente. Esa corriente crea a su vez un campo magnético: el campo del estátor. Como se trata de tres corrientes desfasadas 120° que recorren tres bobinados también separados 120°, este campo no está quieto, sino que gira, a una velocidad que depende de la frecuencia de la red y del número de polos: la velocidad de sincronismo. El campo magnético total del generador es la suma del campo del rotor y el del estátor.

En función de la velocidad de giro del rotor, existen dos tipos de generadores eléctricos.

Dos familias

Síncronos y asíncronos

Hay dos grandes tipos de generador, y la diferencia está en cómo gira su rotor respecto al campo magnético del estátor:

Generador síncrono: el rotor gira exactamente a la misma velocidad que el campo magnético, «en sincronía» con él. Su campo lo crean imanes permanentes o bobinados alimentados con corriente continua. Si se conectara directamente a la red, tendría que girar a una velocidad fija exacta.
Generador asíncrono o de inducción: para generar, el rotor tiene que girar algo más rápido que el campo magnético. A esa pequeña diferencia se le llama deslizamiento. En este tipo de generador, el rotor no lleva imanes ni se alimenta con corriente continua: su campo magnético lo crean las corrientes que el propio estátor induce en él. Es un generador sencillo, robusto y barato.

Los generadores síncronos son los que producen la mayor parte de la electricidad del mundo: los usan las centrales térmicas, como las de ciclo combinado, las nucleares y las grandes hidroeléctricas. En eólica se emplean en los aerogeneradores con convertidor completo, como los direct drive. Los asíncronos, en cambio, son sobre todo la máquina por excelencia de la industria, pero funcionando como motor. Como generadores se utilizan en pequeñas centrales hidroeléctricas y, sobre todo, en eólica: en los primeros aerogeneradores de velocidad fija y en los doblemente alimentados, muy extendidos en tierra.

Conexión a la red

Velocidad fija y velocidad variable

Una vez vistos los distintos tipos de generadores y su funcionamiento, podemos entender los distintos tipos de aerogeneradores que existen, así como sus sistemas de regulación. Lo que distingue a unos de otros no es solo el generador, sino si su rotor gira siempre a la misma velocidad o puede adaptarse al viento.

Velocidad fija

Generador asíncrono conectado directamente

Es la tecnología de los primeros aerogeneradores. La red impone la frecuencia y el generador gira casi siempre a la misma velocidad, con un deslizamiento de apenas un 1 o 2 %. Para limitar la potencia con vientos fuertes se recurre a la pérdida aerodinámica (stall): las palas se diseñan para perder eficiencia por sí solas cerca de la velocidad nominal, sin ningún mecanismo.

Su ventaja es la sencillez y el bajo coste. Su inconveniente: como el rotor no puede acelerar, cada ráfaga se transmite como un golpe de par al tren de potencia y como una fluctuación a la red.

Sencillo y robustoMás baratoMás cargas mecánicasCp máximo solo con un viento

Velocidad variable

Generador asíncrono doblemente alimentado

El estátor va conectado directamente a la red, y el rotor, a través de un convertidor electrónico. Ajustando lo que inyecta en el rotor, el convertidor permite que la máquina gire más deprisa o más despacio sin perder la sincronía con la red. Como solo pasa por él una parte de la potencia, el convertidor es más pequeño y barato.

Muy extendido en tierraConvertidor pequeñoLleva multiplicadora

Velocidad variable

Generador síncrono con convertidor completo

Toda la energía pasa por el convertidor: primero un rectificador la transforma en corriente continua y después un inversor la devuelve a alterna, ya a 50 Hz. El generador puede girar a cualquier velocidad, y con un generador de muchos polos se elimina la multiplicadora, con menos pérdidas mecánicas y menos mantenimiento.

Máximo controlHabitual en marinosPermite direct driveConvertidor grande

Hoy casi todos los aerogeneradores que se instalan son de velocidad variable. La razón está en el siguiente apartado.

Aerodinámica y control

La clave: λ y el Cp

Para extraer la máxima energía del viento, las palas no pueden girar a cualquier velocidad: tienen que hacerlo en proporción al viento. Esa proporción se mide con la velocidad específica de punta de pala, λ (lambda): la velocidad a la que se mueve la punta de la pala dividida entre la velocidad del viento.

Si las palas giran demasiado despacio, buena parte del aire pasa entre ellas sin aprovecharse. Si giran demasiado deprisa, el rotor se comporta casi como una pared que frena el aire en vez de extraer su energía. Entre medias hay un λ óptimo, con el que se consigue el coeficiente de potencia (C_p) máximo.

Cp según la velocidad de las palas

Curva orientativa de un aerogenerador tripala moderno. Los diseños de tres palas son los que alcanzan el C_p más alto, en torno a 0,5.

Aquí está la gran ventaja de la velocidad variable: como el rotor puede acelerar cuando sube el viento y frenar cuando baja, el aerogenerador mantiene λ en su valor óptimo y trabaja con el C_p máximo en un rango amplio de vientos. Una máquina de velocidad fija solo lo consigue con una velocidad de viento concreta.

Sistemas de control

Regulación de potencia

La potencia del viento crece con el cubo de su velocidad, pero cada aerogenerador está diseñado para una potencia máxima, la nominal. Si se dejara captar toda la energía de los vientos fuertes, el generador, el convertidor y el tren de potencia se sobrecargarían, y las palas y la torre soportarían esfuerzos que acortarían su vida útil. Por eso el control combina dos herramientas: la velocidad de giro, que gestiona el generador a través del convertidor, y el ángulo de pitch de las palas.

Con ellas, el funcionamiento se divide en cuatro zonas:

Las cuatro zonas de funcionamiento

ParadaMáxima capturaTransiciónPotencia nominal

Velocidad del viento 8 m/s

Potencia—

Ángulo de pitch—

C_p—

—

Curvas orientativas de un aerogenerador de 5 MW. Mueve el deslizador o pasa el dedo por la gráfica.

Zona gris, por debajo de la velocidad de arranque: el viento no aporta energía suficiente para vencer las pérdidas de la máquina. El aerogenerador está parado o gira despacio, sin generar.
Zona verde, máxima captura: el pitch se mantiene fijo en su ángulo óptimo y el generador ajusta la velocidad de giro para mantener λ, y con ello el C_p, en su máximo.
Zona amarilla, transición: al acercarse a la potencia nominal, el pitch empieza a actuar para evacuar parte de la energía, y la curva se separa poco a poco de la curva cúbica teórica.
Zona roja, potencia nominal: la prioridad es mantener la potencia constante y proteger la máquina. El pitch gira las palas para reducir su eficiencia y desperdiciar a propósito el exceso de energía. Por encima de la velocidad de corte, las palas van a bandera y la máquina se detiene.

¿Sabías que?

Las máquinas de velocidad fija también pueden regularse con pitch, pero lo habitual era el stall: un control pasivo en el que la propia forma de la pala hace que, con vientos fuertes, el aire se desprenda de ella y deje de empujarla con tanta fuerza. No necesita mecanismos, pero es mucho menos preciso que el pitch.

Lo que llega a la red

Potencia activa y reactiva

La potencia que circula por una red de corriente alterna tiene dos componentes. La potencia activa es la que realmente hace un trabajo útil: mueve motores, calienta o ilumina. La potencia reactiva no produce trabajo, pero es necesaria para crear los campos magnéticos de motores y transformadores y para mantener la tensión de la red en su valor.

Una comparación muy habitual es un vaso de cerveza: el líquido es la potencia activa, la que de verdad te bebes; la espuma es la reactiva, que ocupa sitio pero no quita la sed; y el vaso entero es la potencia aparente, la que tienen que transportar los cables.

Aquí también importa la tecnología del aerogenerador. Los generadores asíncronos de velocidad fija consumen potencia reactiva de la red para crear su campo magnético, así que necesitan baterías de condensadores que la compensen. En cambio, las máquinas con convertidor pueden controlar la reactiva que absorben o entregan, de forma independiente a la activa.

Esa capacidad es cada vez más importante: hoy las normas de conexión exigen a los parques eólicos que ayuden a regular la tensión de la red con su potencia reactiva y que sigan conectados durante las caídas bruscas de tensión, los llamados huecos de tensión. Cómo se comportan los aerogeneradores ante estos problemas de la red lo veremos en el próximo artículo.

Aerogeneradores y red eléctrica

Para los más curiosos Las ecuaciones detrás de este artículo Faraday-Lenz, frecuencia, deslizamiento, λ y potencias · 3 min

Ley de Faraday-Lenz

E = −N · dΦ / dt

La tensión inducida (E) en un bobinado de N espiras es proporcional a la rapidez con la que cambia el flujo magnético (Φ) que lo atraviesa. El signo negativo indica que la corriente inducida se opone al cambio que la produce. En un generador, el flujo varía porque el giro del rotor cambia continuamente el ángulo entre su campo y los bobinados.

Frecuencia y velocidad de giro

f = p · n / 60

La frecuencia (f, en Hz) depende del número de pares de polos (p) y de la velocidad de giro (n, en rpm). Para 50 Hz: con p = 2 hacen falta 1.500 rpm; con p = 3, 1.000 rpm.

Deslizamiento

s = (n_s − n_r) / n_s

Compara la velocidad del campo magnético (n_s, de sincronismo) con la del rotor (n_r). Cuando el generador asíncrono genera, el rotor gira más deprisa que el campo y el deslizamiento es negativo. En las máquinas de velocidad fija se mueve en torno al 1–2 %.

Velocidad específica de punta de pala

λ = ω · R / v

Relaciona la velocidad de la punta de la pala (ω, velocidad angular del rotor, por R, longitud de la pala) con la velocidad del viento (v). Los grandes tripalas suelen tener su λ óptimo entre 7 y 9: la punta de la pala se mueve entre siete y nueve veces más rápido que el viento.

Potencia activa, reactiva y aparente

S² = P² + Q² · cos φ = P / S

La potencia aparente (S) combina la activa (P) y la reactiva (Q) como los lados de un triángulo rectángulo. El factor de potencia, cos φ, indica qué parte de la potencia aparente es activa: cuanto más cerca de 1, menos «espuma».

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