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Volumen III: Diseo y Desarrollo del Sistema de Control

E.A.Cceres G.Dasso M.N.Perez

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ndice OBJETIVO ........................................................................................................................................................ 3 CAPTULO 1: FUNDAMENTOS DEL SISTEMA ELECTRNICO .............................................................................. 5

1.1 CURVAS DE POTENCIA .......................................................................................................................... 5 1.2 SISTEMAS DE REGULACIN ................................................................................................................... 8

1.2.1 Modelo mecnico de un aerogenerador ............................................................................................................... 8 1.2.2 Aerogeneradores de velocidad de rotacin fija................................................................................................... 10 1.2.3 Aerogeneradores de velocidad de rotacin variable .......................................................................................... 11

1.3 SISTEMAS DE GENERACIN ................................................................................................................ 14 1.3.1 Aerogeneradores de velocidad fija ...................................................................................................................... 14 1.3.2 Aerogeneradores de velocidad variable .............................................................................................................. 15

1.4 SISTEMA DE REGULACIN Y GENERACIN IMPLEMENTADA ............................................................... 23 CAPTULO 2: EL ALTERNADOR........................................................................................................................ 25

2.1 TIPOS DE ALTERNADORES ................................................................................................................... 25 2.1.1 Alternadores de polos intercalados con anillos colectores ................................................................................. 25 2.1.2 Alternadores compactos GC, KC, NC .................................................................................................................... 26 2.1.3 Alternadores compactos de segunda generacin (serie constructiva B) ........................................................... 27 2.1.4 Alternadores monobloc G1, K1 y N1 .................................................................................................................... 28 2.1.5 Alternadores monobloc (serie constructiva T1) .................................................................................................. 29 2.1.6 Alternadores de polos individuales con anillos colectores (serie constructiva U2) ........................................... 30 2.1.7 Alternadores con rotor-gua sin anillos colectores (serie constructiva N3) ....................................................... 32 2.1.8 Alternadores compactos de refrigeracin lquida ............................................................................................... 34 2.1.9 Alternador a utilizar .............................................................................................................................................. 35

2.2 ENSAYO DEL ALTERNADOR ................................................................................................................. 36 2.2.1 Banco de prueba ................................................................................................................................................... 36 2.2.2 Elementos .............................................................................................................................................................. 36 2.2.3 Ensayo en vaco ..................................................................................................................................................... 41 2.2.4 Constante K ........................................................................................................................................................... 43 2.2.5 Ensayo con carga ................................................................................................................................................... 44 2.2.6 Conclusin ............................................................................................................................................................. 49

CAPTULO 3: CONTROL ELECTRNICO ........................................................................................................... 51

3.1 CONTROL DE LA EXCITACIN .............................................................................................................. 51 3.1.1 Elevador-Reductor de tensin buck-boost .......................................................................................................... 51 3.1.2 Principio de funcionamiento ................................................................................................................................ 51 3.1.3 Obtencin de la tensin de salida ........................................................................................................................ 53 3.1.4 Diseo del convertidor.......................................................................................................................................... 56 3.1.5 Simulaciones en PSIM ........................................................................................................................................... 60

3.2 TOPOLOGA DEL SISTEMA ................................................................................................................... 62 3.2.1 Arduino .................................................................................................................................................................. 62 3.2.2 Interfaz visual ........................................................................................................................................................ 64 3.2.3 Sensores de corriente ........................................................................................................................................... 64 3.2.4 Sensor de vueltas .................................................................................................................................................. 67 3.2.5 Elevador/Reductor ................................................................................................................................................ 71 3.2.6 Fuentes reguladas de 8 y 5 volts .......................................................................................................................... 73 3.2.7 Sensor de tensin .................................................................................................................................................. 75

CAPTULO 4: BANCO DE PRUEBAS .................................................................................................................. 77

4.1 ELEMENTOS DEL BANCO DE PRUEBAS ................................................................................................ 79 4.1.1 Motor de induccin ............................................................................................................................................... 79 4.1.2 Variador de velocidad ........................................................................................................................................... 83 4.1.3 Carga ...................................................................................................................................................................... 84 4.1.4 Acumulador de energa......................................................................................................................................... 84 4.1.5 Filtro ....................................................................................................................................................................... 92

4.2 ANLISIS DE LA DINMICA DEL SISTEMA ............................................................................................ 93 4.3 TIEMPO MXIMO DE ENSAYO............................................................................................................. 98 4.4 CICLO DE CARGA DE LA BATERA ....................................................................................................... 101



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CAPTULO 5: MTODOS DE MPPT ................................................................................................................ 105 5.1 ENSAYO PREVIO ................................................................................................................................ 105

5.1.1 Programa Barrido ................................................................................................................................................ 105 5.1.2 Error en la medicin de potencia ....................................................................................................................... 107 5.1.3 Banco de pruebas del ensayo ............................................................................................................................. 108 5.1.4 Resultados ........................................................................................................................................................... 109

5.2 MTODO PARA CARGA FIJA .............................................................................................................. 112 5.2.1 Programa MaxPot ............................................................................................................................................... 112 5.2.2 Anlisis Previo ..................................................................................................................................................... 115 5.2.3 Resultados ........................................................................................................................................................... 117

5.3 MTODO PARA CARGA VARIABLE ..................................................................................................... 121 5.4 MTODO AUTOMTICO ................................................................................................................... 125

5.4.1 Programa MPPT .................................................................................................................................................. 125 5.4.2 Optimizaciones del programa ............................................................................................................................ 126 5.4.3 Resultados ........................................................................................................................................................... 131

5.5 PROGRAMA FINAL ............................................................................................................................ 136 5.5.1 Programa ............................................................................................................................................................. 136 5.5.2 Resultados ........................................................................................................................................................... 138

CAPTULO 6: CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 143 BIBLIOGRAFA ............................................................................................................................................. 145



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OBJETIVO

Esta tercera parte del trabajo tiene como finalidad el diseo y desarrollo de un sistema de control para la automatizacin del aerogenerador. Dicho control ser capaz de extraer la mxima potencia que el conjunto Aspa Generador Carga permitan obtener, independientemente de la velocidad del viento.

Esto se llevar a cabo sustituyendo el rotor elico por un motor asincrnico, con el fin de poder desarrollar el proyecto, ya que no se dispone del rotor elico ni de un tnel de viento para ensayarlo. El control que se desarrollar obtendr la mxima potencia disponible sin importar la curva de par motor que se use.

Se realizar la seleccin de un generador elctrico haciendo un anlisis de la disponibilidad en el mercado y su costo.

Se desarrollar un programa de carga de bateras que regular la potencia generada de manera de no sobrepasar los lmites de seguridad de la batera y proporcionar proteccin contra posibles rfagas de viento, a la vez que genera un ciclo de carga ptimo que asegure una larga vida til de los acumuladores.

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CAPTULO 1: FUNDAMENTOS DEL SISTEMA ELECTRNICO

1.1 CURVAS DE POTENCIA

Las caractersticas aerodinmicas de un rotor elico generalmente se definen mediante la relacin TSR-Cp (Figura 1.1.1). Se recuerda que la velocidad especfica

(TSR, Tip Speed Ratio), comnmente identificada por , se define como la relacin entre la velocidad tangencial en el extremo de la pala y la velocidad del viento a la entrada del tubo de flujo:

Donde:

velocidad tangencial de las aspas en sus extremos

velocidad del viento

Figura 1.1.1-Coeficiente de potencia vs Tip Speed Ratio.

La relacin -Cp de un rotor depende del ngulo de paso de sus aspas. Manteniendo constante el ngulo de paso se pueden hacer las siguientes consideraciones:

Hay un nico valor de TSR para el cual la eficiencia de conversin es mxima (Cpmax) y depende del tipo de pala.

Al cambiar la velocidad del viento , si se quiere mantener la TSR constante e igual al valor para el cual se tiene Cpmax, hay que cambiar tambin la velocidad de rotacin de las palas de forma proporcional.

Para valores bajos de TSR se tiene una reduccin de la sustentacin y un aumento de la resistencia hasta llegar a la condicin de prdida donde Cp se hace pequeo. Este caso se da cuando la velocidad de giro es excesivamente baja para la velocidad del viento.

Para valores elevados de TSR se tiene una reduccin tanto de la sustentacin como de la resistencia, en lo que se conoce como condicin "de fuga" y corresponde a un bajo valor de Cp. Este caso corresponde a una velocidad de giro demasiado elevada del rotor.

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La TSR ptima depende del nmero de palas. Cuanto menor sea ste, ms rpidamente deben girar para extraer la mxima potencia del viento (la TSR aumenta).

La forma de la curva TSR vs Cp es similar entre generadores de un mismo tipo. La Figura 1.1.2 muestra curvas aproximadas para diferentes clases de aerogeneradores.

Figura 1.1.2-Coeficiente de potencia vs Tip Speed Ratio para diferentes tipos de aerogeneradores.

Con el fin de maximizar la energa producida anualmente el coeficiente de potencia Cp debera mantenerse en su valor mximo tanto tiempo como fuera posible, aunque variase la velocidad del viento.

Para ello, la velocidad de rotacin del rotor debera variar para mantener la TSR en el valor que maximiza el Cp. En la Figura 1.1.3 se muestran las curvas de potencia producida en funcin de la velocidad del rotor, tomando como parmetro la velocidad del viento: para maximizar la produccin energtica, un aerogenerador debera girar a la velocidad a que le corresponde mxima potencia producida, la cual cambia con la velocidad del viento.

Recordando que la potencia en el viento es:

Por lo tanto la potencia til es:



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Como se desea obtener TSR constante y recordando su relacin con la velocidad del viento:

Se tiene:

Dada una velocidad de rotacin, la potencia mxima se dar para el valor mximo de Cp.

Como en la curva de mxima potencia, Cp es constante, resulta que dicha curva es una cbica. Esto aparece en lnea punteada en la siguiente figura:

Figura 1.1.3-Curvas de potencia y puntos de mxima potencia.

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1.2 SISTEMAS DE REGULACIN

1.2.1 Modelo mecnico de un aerogenerador

Un aerogenerador tpico puede esquematizarse de forma simplificada mediante un modelo mecnico formado por una masa rotativa con un elevado momento de inercia (representada por el rotor elico) y otra masa rotativa (representada por el generador), ambas conectadas mediante el eje de rotacin (Figura 1.2.1.1). A este modelo mecnico se aplica el par aerodinmico que acta sobre el rotor, el par electromagntico que acta sobre el generador y el posible par aplicado al eje por los frenos mecnicos.

Con vientos inferiores a la velocidad nominal, los sistemas de regulacin y control actan para encontrar el par aerodinmico y/o par electromagntico que da mxima potencia extrada, mientras que por encima de la velocidad nominal los sistemas de control modulan este par con el fin de mantener la velocidad de rotacin dentro de lmites aceptables.

Figura 1.2.1.1-Modelo mecnico de un Aerogenerador.

En los aerogeneradores concebidos para funcionar con velocidad de rotacin fija, el par del generador vara en funcin del par aerodinmico y la nica forma de controlar el par del generador (y, por tanto, la potencia de salida) es actuar regulando el propio par aerodinmico.

En los aerogeneradores de velocidad de rotacin variable, el par del generador puede variarse independientemente del par aerodinmico, por lo que la velocidad de rotacin del rotor podr controlarse actuando ya sea sobre el par aerodinmico, o sobre el par del generador, con la consiguiente aceleracin o deceleracin del rotor que conducir a una nueva velocidad de giro de equilibrio.

El par aerodinmico puede regularse actuando sobre la geometra del rotor, lo que modificar los valores de sustentacin y de resistencia y, por consiguiente, del par motor aerodinmico.

La variacin de la geometra del rotor puede llevarse a cabo por regulacin del ngulo de paso en toda la extensin de la pala o cambiando la geometra solamente en una parte.



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Generalmente, los objetivos de las estrategias de control de un aerogenerador son:

- Maximizar la produccin energtica manteniendo el funcionamiento de los diversos componentes del aerogenerador dentro de unos lmites de velocidad y de carga.

- Evitar cargas extremas, incluidas cargas transitorias excesivas y cargas que pueden causar resonancia, minimizando los esfuerzos de fatiga.

- Inyectar en la red una potencia de calidad aceptable.

- Garantizar un funcionamiento seguro del aerogenerador.

En la Figura 1.2.1.2 se muestran estrategias de control en funcin de la velocidad del viento para aerogeneradores de velocidad de rotacin fija o variable y de regulacin pasiva de prdida aerodinmica (ver 1.2.2) o activa del ngulo de paso.

Figura 1.2.1.2-Control de regulacin en funcin de la velocidad.



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1.2.2 Aerogeneradores de velocidad de rotacin fija

En este tipo de control, independientemente de la velocidad del viento incidente, el rotor gira a una velocidad prcticamente fija, establecida por la frecuencia de red, la relacin del multiplicador y el nmero de polos del generador elctrico.

Los aerogeneradores de velocidad fija estn equipados con un motor de induccin (generalmente de jaula de ardilla) conectado directamente a la red, con un arrancador suave para reducir la corriente de arranque y un banco de condensadores para compensar la potencia reactiva.

Este tipo de aerogeneradores se disean para alcanzar la mxima eficiencia a una determinada velocidad del viento. No obstante, con el fin de aumentar la potencia extrada, algunos aerogeneradores de velocidad fija incorporan generadores de induccin con dos bobinados en el estator: uno con ms polos para actuar en regmenes de viento bajo y otro con menos para alcanzar el rgimen de funcionamiento a velocidades medias y altas.

Estos aerogeneradores tienen la ventaja de ser de construccin sencilla, robustos, fiables y con un costo del equipo elctrico moderado. Por otro lado, consumen potencia reactiva, deben poder resistir grandes esfuerzos mecnicos y su control sobre la calidad de la potencia que inyectan en la red es limitado.

Cada fluctuacin de la velocidad del viento produce una fluctuacin del par mecnico, que a su vez produce un cambio en la potencia inyectada a la red, la cual, en las redes de baja potencia de cortocircuito, causa una fluctuacin de la tensin con efectos negativos para los usuarios conectados en paralelo, pudiendo ocasionar molestias a las personas debido a una posible generacin de "flicker".

Regulacin pasiva de la prdida aerodinmica

Si consideramos un aerogenerador de velocidad constante, al aumentar la velocidad del viento incidente aumenta tambin el ngulo de ataque de las palas.

Ms all de cierta velocidad, el flujo de aire empieza a separarse de la superficie externa de las palas, creando la llamada condicin de prdida. Este fenmeno se da primero en las proximidades del buje y, a medida que aumenta la velocidad del viento, progresa hacia el extremo de la pala, actuando como un mecanismo automtico pasivo de regulacin de la potencia.

Este tipo de regulacin era ampliamente utilizado en los primeros aerogeneradores comerciales, generalmente de tres palas, ngulo de paso fijo y buje rgido, equipados con generadores asncronos y diseados para alcanzar la TSR ptima a una velocidad de viento baja.

En estos aerogeneradores, cuando se liberan los frenos mecnicos, el rotor se pone en marcha a la velocidad de funcionamiento y, a continuacin, el generador asncrono se conecta a la red, o bien el rotor se arranca con el propio generador (funcionando como un motor asncrono) hasta llegar a la velocidad de funcionamiento.

No obstante, el mtodo de prdida pasiva presentaba problemas tales como vibraciones, inestabilidad y dificultad en la previsin tanto de la entrada en prdida como del regreso al flujo laminar.



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Regulacin pasiva de la prdida aerodinmica a dos velocidades

Algunos aerogeneradores estaban equipados de generadores asncronos a dos velocidades, con los que era posible regular parcialmente la entrada en prdida, mitigando el efecto de la variacin de la velocidad del viento.

En cualquier caso, este sistema de regulacin se incluye en los de velocidad fija, ya que no es un verdadero sistema de velocidad variable aunque la turbina funcione como una mquina fija de dos velocidades preestablecidas.

Las ganancias energticas son solo de un 2 a un 3%, a pesar de lo cual el funcionamiento a dos velocidades se considera en ocasiones til por razones relacionadas con el ruido total generado por la turbina.

La regulacin a dos velocidades presenta algunos inconvenientes:

Coste adicional del generador;

Cuadro de control complementario con servicio de mantenimiento adicional;

Necesidad de control para cada una de las dos velocidades;

Prdida de energa en la desconexin del generador por cambio de velocidad.

Regulacin del ngulo de paso

Este sistema se basa en la modificacin controlada del ngulo de paso de las aspas para conseguir un control sobre el ngulo de ataque de las mismas, controlando as el par aerodinmico del rotor.

Cuando la velocidad del viento es excesiva el rotor se detiene, aumentando el ngulo de paso hasta la posicin de "bandera" (la carga aerodinmica sobre las palas se reduce al mnimo).

Al aumentar la velocidad del viento, en lugar de aumentar el ngulo de paso para provocar deliberadamente la prdida, tambin se puede reducir. Por tanto, la amplitud de rotacin de las palas necesaria para regular la potencia es inferior a la necesaria para ponerlas en bandera (solo requiere variaciones mnimas de 0 a -4), de forma que, la regulacin emplea menos tiempo.

Como se haba indicado en la Figura 1.2.1.2, a altas velocidades del viento el valor medio de la potencia extrada se mantiene prximo a la potencia nominal del generador. Sin embargo, por debajo de la potencia nominal el ngulo de paso se mantiene por lo general fijo para limitar el desgaste del mecanismo de regulacin, esto reduce la eficiencia del aerogenerador pero mejora la fiabilidad total del sistema.

1.2.3 Aerogeneradores de velocidad de rotacin variable

Los aerogeneradores de velocidad variable se han convertido en los tipos de turbina ms instalados.

Dichos aerogeneradores estn diseados para alcanzar la mxima eficiencia aerodinmica en un amplio margen de velocidades del viento. De hecho, con el funcionamiento a velocidad variable es posible adaptar de forma continua (acelerando o desacelerando) la velocidad de rotacin de las palas a la velocidad del viento, manteniendo as la TSR en un valor constante y ptimo.



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Al contrario que los sistemas de velocidad fija, los sistemas de velocidad variable pueden mantener constante el par electromagntico, de modo que la variacin de velocidad del rotor absorbe las fluctuaciones de potencia en el viento.

El sistema elctrico es ms complejo que el de los sistemas de velocidad fija y habitualmente incorporan generadores sncronos o asncronos conectados a la red mediante un convertidor de potencia que controla la velocidad del rotor.

Los sistemas de velocidad variable presentan algunas ventajas:

Incremento de la potencia extrada del viento como resultado de una mayor eficiencia.

La poca velocidad del rotor a bajas velocidades del viento supone una reduccin del ruido aerodinmico; con vientos leves esto es importante, ya que el ruido ambiental no puede enmascarar el ruido del aerogenerador.

Mejora de la calidad de la potencia vertida a la red gracias a la amortiguacin de las fluctuaciones del par motor.

Reduccin de las tensiones mecnicas sobre la turbina.

Sin embargo, estos sistemas presentan el inconveniente de sufrir prdidas de potencia debidas a la presencia del convertidor y costes superiores en el equipo elctrico, incluido el propio convertidor.

Regulacin pasiva de la prdida aerodinmica

Los aerogeneradores de velocidad variable con regulacin pasiva de prdida han sido objeto de investigacin en Europa y en los Estados Unidos, pero no han tenido desarrollo comercial ni difusin. Son aerogeneradores controlados mediante electrnica de potencia, que regula el par electromagntico del generador.

Utilizando el par del generador para regular la velocidad del rotor, un aerogenerador puede funcionar en el punto de TSR ptima dentro de los lmites constructivos de funcionamiento del generador y del rotor.

Cuando se alcanza la mxima velocidad para la que est dimensionado el rotor, el aerogenerador trabaja a velocidad constante mediante la regulacin pasiva de prdida. Si la velocidad del viento sigue aumentando y la potencia extrada supera la nominal del generador, la turbina trabaja a potencia constante regulando la velocidad del rotor para limitar la potencia extrada mediante el aumento de la condicin de prdida, con la consecuente reduccin de eficiencia.

Regulacin del ngulo de paso

Estos sistemas tienen dos posibles maneras de controlar el funcionamiento del aerogenerador: mediante el control del par del generador y mediante la variacin del ngulo de paso.

Con velocidades de viento moderadas, estas turbinas funcionan generalmente a paso constante y, mediante el control del par, a velocidad de rotor variable para mantener la TSR ptima. Al aumentar la velocidad del viento, generalmente el rotor alcanza su velocidad nominal antes de que se alcance la potencia nominal; la

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velocidad de rotacin debe entonces mantenerse constante, lo que supone una fluctuacin de la potencia de salida.

Cuando se alcanza la potencia nominal, se usa la accin combinada sobre el par del generador y sobre el ngulo de paso para controlar tanto la potencia de salida, mantenindola en el valor nominal Pn, como la velocidad del rotor, mantenindola dentro de unos lmites aceptables alrededor de la velocidad nominal.

Figura 1.2.3.1-Control de regulacin en funcin de la velocidad.

Adems, durante las rfagas de viento, la potencia generada se mantiene constante (por control) y la velocidad del rotor aumenta. El aumento transitorio de la energa del viento se acumula como energa cintica en el rotor. Por el contrario, si la velocidad del viento disminuye bruscamente, la reduccin del par aerodinmico decelera el rotor, si bien la potencia generada se mantiene constante (por control) utilizando la energa cintica acumulada.

Si la velocidad del viento se mantiene elevada, el ngulo de paso se modifica para reducir la eficiencia aerodinmica (y con ella el par aerodinmico) con el resultado de una disminucin en la velocidad del rotor. De este modo se puede controlar con precisin la potencia de salida, y el mecanismo de control del ngulo de paso puede ser de respuesta ms lenta y amortiguada que en el caso de los sistemas de velocidad fija.

Tabla 1.2.3.1- Comparacin de las principales caractersticas de los sistemas de control del ngulo de paso y de prdida aerodinmica.

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1.3 SISTEMAS DE GENERACIN

1.3.1 Aerogeneradores de velocidad fija

En estos tipos de aerogeneradores, para la conversin de la energa mecnica extrada del viento en energa elctrica se usan mquinas elctricas de induccin (mquinas asncronas), empleadas habitualmente como motores en muchas aplicaciones industriales.

En los aerogeneradores, en cambio, dichas mquinas elctricas se utilizan como generadores, en gran medida por su robustez y simplicidad constructiva, por su bajo coste relativo y por la simplicidad de su conexin y desconexin de la red (Figura 1.3.1.1).

Son ms caras y menos robustas que las del tipo anterior y se utilizan en los aerogeneradores de velocidad variable, como se ver mejor a continuacin.

Para su funcionamiento, las mquinas de induccin requieren cierta cantidad de potencia reactiva.

Esta potencia debe tomarse de la red o proveerse localmente mediante un banco de condensadores que se debe dimensionar correctamente, cuidando que ocurra la autoexcitacin del generador asncrono en caso de desconexin de la red. Adems, estas mquinas necesitan una fuente externa de frecuencia constante para generar el campo magntico rotativo y, por tanto, se conectan a redes con una potencia de cortocircuito elevada capaz de mantener la frecuencia.

En su funcionamiento como generador, el rotor elico acelera la mquina asncrona hasta la velocidad de sincronismo y luego esta se conecta a la red, o bien primero se conecta a la red y arranca como motor hasta llegar a la velocidad de rgimen. Cuando se utiliza el primer mtodo, el aerogenerador debe ser necesariamente de arranque automtico, por lo que habitualmente dispone de control de ngulo de paso. El segundo mtodo se utiliza con aerogeneradores de control pasivo de la condicin de prdida. En este caso, el sistema de control monitoriza la velocidad del viento y establece el rango de velocidades para la puesta en marcha del aerogenerador.

Una vez alcanzada la velocidad de sincronismo, la potencia elica extrada hace que el rotor funcione en modo hipersncrono, con deslizamiento negativo, entregando potencia activa a la red. Dado que el deslizamiento tiene un valor del orden del 2%, el desvo de la velocidad nominal resulta muy limitado y es por ello que el uso de estas mquinas elctricas condiciona el funcionamiento del aerogenerador a velocidad constante. Para reducir la corriente de arranque, generalmente se interpone un arrancador suave entre la mquina asncrona y la red.



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Figura 1.3.1.1- Sistema de generacin en aerogeneradores de velocidad fija.

1.3.2 Aerogeneradores de velocidad variable

Existen varias soluciones que permiten al rotor funcionar a velocidad variable, manteniendo al mismo tiempo la frecuencia constante. Estas soluciones pueden ser de naturaleza mecnica y elctrica, aunque en la actualidad las ms utilizadas son de tipo elctrico, incorporando alguna de las siguientes configuraciones:

Generadores asncronos de rotor bobinado con resistencia variable externa.

Generadores asncronos de rotor bobinado con un convertidor de potencia interpuesto entre el rotor y la red (configuracin doblemente alimentado).

Generadores asncronos con un convertidor electrnico de potencia interpuesto entre el estator y la red (configuracin de convertidor total).

Generadores sncronos (alternadores) con un convertidor electrnico de potencia interpuesto entre el estator y la red (configuracin de convertidor total).

Generador asncrono con resistencia variable

Aadiendo una resistencia variable externa en serie con los bobinados del rotor de un generador asncrono, se puede obtener una variacin del par electromagntico del generador y de la velocidad a la que este se suministra.

Esto permite tanto funcionar en el punto ptimo de TSR en funcin del viento como dejar que el rotor acelere cambiando de velocidad como respuesta a rfagas de viento, aunque aumenten las prdidas por efecto Joule en la resistencia externa. Adems, con velocidades del viento elevadas se puede aumentar la resistencia total del rotor para mantener constante la corriente que circula por l (y, por tanto, tambin en el estator) y con ello mantener la potencia inyectada en la red cerca de la potencia nominal.

As, el exceso de energa mecnica en el rotor se disipa en forma de calor en la resistencia exterior.

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Mediante esta resistencia es posible obtener una variacin de la velocidad por encima de la de sincronismo en el rango 0-10%. En la Figura 1.3.2.1 se muestra el esquema elctrico equivalente de un generador asncrono de resistencia variable RX, en el cual al tpico circuito en T de la mquina asncrona de jaula de ardilla se aade el componente resistivo RIx/s.

Figura 1.3.2.1- Esquema de sistema de generacin con resistencia rotrica variable.

Configuracin doblemente alimentado

Para no perder la potencia disipada en forma de calor en la resistencia aadida, se puede interponer un convertidor electrnico de potencia entre el rotor del generador asncrono de anillos y la red, que primero convierta a continua la potencia en corriente alterna excedente en el rotor mediante un rectificador controlado, y luego la reconvierta en alterna a la frecuencia nominal mediante un inversor, inyectndola en la red (Figura 1.3.2.2).

Figura 1.3.2.2- Generadores asncronos de rotor bobinado con un convertidor de potencia interpuesto entre el rotor y la red.



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De esta forma se puede alimentar el rotor con tensiones de amplitud y frecuencia adecuadas proporcionadas por el convertidor electrnico, a fin de compensar la diferencia de frecuencia entre la velocidad angular del campo magntico rotativo del estator y la velocidad angular efectiva del rotor. El trmino "doblemente alimentado" refleja el hecho de que la tensin del estator se aplica desde la red, mientras que la del rotor proviene del convertidor electrnico. En la Figura 1.3.2.3 se muestra el esquema elctrico equivalente del generador de induccin doblemente alimentado, donde al tpico circuito en T de la mquina asncrona de jaula de ardilla se aade un generador de tensin variable en funcin del deslizamiento VR

I/s que representa al convertidor.

La potencia activa en el estator es siempre saliente e inyectada en la red, independientemente de si funciona en rgimen hipersncrono o subsncrono, mientras que el rotor consume potencia funcionando como motor (subsincronismo) y la suministra cuando funciona como generador (hipersincronismo).

Figura 1.3.2.3- Esquema de sistema de generacin doblemente alimentado.

Considerando que tanto las prdidas del estator como las del rotor son despreciables, la potencia del rotor PR, gestionada por el convertidor, estar relacionada con la potencia del estator PS a travs del deslizamiento segn la relacin:

La potencia total PRED que la mquina proporciona a la red, consiste en la suma algebraica de las potencias del estator y del rotor, viene expresada como:

con:

s negativo funcionando en modo hipersncrono;

s positivo funcionando en modo subsncrono.

Con este tipo de configuracin, el generador elctrico proporciona a la red 2/3 de su potencia nominal mediante la conexin directa del estator y 1/3 mediante el rotor, conectado a travs del convertidor. Por tanto, el convertidor tambin puede dimensionarse para una potencia igual a 1/3 de la potencia nominal del generador.



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Adems es posible controlar la produccin de potencia reactiva, lo que permite la regulacin de la tensin y la magnetizacin de la mquina por el rotor, prescindiendo de la tensin de red.

Mediante la configuracin doblemente alimentado es posible obtener una variacin de velocidad del 30% por encima o por debajo de la velocidad de sincronismo.

Por lo general, el generador asncrono de rotor bobinado desarrolla una velocidad de sincronismo de hasta 2000[rpm] y est unido al eje del rotor mediante un multiplicador de tres etapas. La conexin de los bobinados del rotor al convertidor se realiza a travs de los anillos giratorios y las respectivas escobillas.

Generador asncrono y convertidor

En los aerogeneradores de velocidad variable puede usarse un generador asncrono de jaula de ardilla interponiendo un convertidor electrnico entre el generador y la red. Este convertidor desacopla y desvincula la frecuencia del campo magntico rotativo de la frecuencia de la red; la frecuencia del campo magntico rotativo se modula para controlar la velocidad de rotacin del rotor.

De forma anloga a la configuracin doblemente alimentado, se dispone un sistema electrnico de potencia, pero esta vez conectado al estator del generador.

Por ello, y a diferencia de la configuracin anterior, el convertidor debe gestionar la totalidad de la potencia generada.

Al tratarse de un generador de induccin, seguir necesitando absorber potencia reactiva para funcionar, la cual puede ser aportada por el propio convertidor.

Generador sncrono y convertidor

Un generador sncrono (alternador) estndar consiste en un rotor que crea el campo magntico y un estator que contiene los bobinados del inducido. El campo

magntico del rotor ( = kr .lr) se crea mediante una corriente continua (lr) que circula

por los bobinados en el inductor.

Esta corriente continua la suministra una dinamo coaxial con el alternador o bien se extrae de los terminales del estator y se rectifica con un puente de diodos.

La rotacin del eje principal genera un movimiento del campo magntico del rotor respecto de los bobinados del estator, induciendo en estos una terna de tensiones alternas de un valor eficaz proporcional al flujo magntico del rotor y a la velocidad de rotacin (n):

Dado que la frecuencia de la fuerza electromotriz generada se relaciona con la velocidad de rotacin segn:

Donde p es el nmero de pares de polos del bobinado del rotor.

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El valor eficaz de la tensin inducida en el estator ser proporcional a la frecuencia con que se genera:

Cuando el generador se conecta a una carga (en isla o a la red) y se suministra una corriente, esta genera a su vez en el entrehierro de la mquina un campo magntico rotativo sincronizado con el campo de induccin, sin deslizamiento relativo. Adems,

si los dos campos magnticos estn alineados (ngulo = 0), no hay par resistente,

por lo que la potencia activa inyectada en la red es nula.

Por el contrario, si existe un desplazamiento debido a un par motor exterior, se genera un par elctrico resistente de compensacin con inyeccin de potencia activa

en la red ( > 0).

Cuanto mayor sea el desplazamiento, mayor ser la potencia activa vertida a la red.

Manteniendo fijo el ngulo , la potencia activa inyectada en la red crece

linealmente con el valor eficaz de la tensin inducida y, por tanto, de manera proporcional a la velocidad de rotacin y a la frecuencia de la propia tensin:

En los aerogeneradores suelen utilizarse alternadores de imanes permanentes en los que el rotor carece de bobinados de excitacin y cuyo campo magntico es directamente inducido por los imanes permanentes integrados en el rotor.

En consecuencia, para la alimentacin del circuito de excitacin no son necesarios ni los anillos giratorios ni las correspondientes escobillas. El principio de funcionamiento es semejante al de los alternadores con bobinados en el inductor, slo que en los de imanes permanentes la tensin inducida en el estator evidentemente no puede regularse actuando sobre la corriente de excitacin; por lo tanto, la tensin en los terminales del generador es funcin exclusiva de la velocidad de rotacin del rotor.

Dado que la frecuencia a la salida del alternador depende de la velocidad de rotacin del rotor y del nmero de pares de polos, para poder usar un generador sncrono en un aerogenerador de velocidad variable manteniendo siempre constante la frecuencia en el lado de red hay que interponer un convertidor de potencia de dos etapas que pueda gestionar toda la potencia elctrica generada (Figura 1.3.2.4):

En la primera etapa, un rectificador de puente de diodos o controlado con tiristores convierte las magnitudes elctricas alternas de frecuencia variable a la salida del alternador en magnitudes continuas;

En la segunda etapa, mediante un enlace de continua, se alimenta un inversor que reconvierte las magnitudes continuas de tensin y corriente en magnitudes alternas a la frecuencia de red.



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Figura 1.3.2.4- Aerogenerador con generador sincrnico de imn permanente.

Cuando el alternador es de excitacin separada, la regulacin del valor eficaz de la tensin generada se efecta actuando sobre la propia corriente de excitacin, mientras que si es de imanes permanentes, la tensin se regula o bien en el rectificador mediante un puente controlado con tiristores, o bien en el inversor mediante una modulacin por ancho de pulsos (PWM, por sus siglas en ingls). El control del inversor mediante PWM puede efectuarse de distintas maneras:

Regulando la amplitud de la moduladora sinusoidal, comparando el valor de la tensin del enlace de continua con la curva de Potencia vs Velocidad de viento ptima.

Con un seguidor del punto de potencia mxima (MPPT, por sus siglas en ingls), mediante el uso de un anemmetro. La potencia en el lado de continua se compara con la de referencia, y de la comparacin con la curva ptima (dependiendo de la velocidad del viento) se determina la nueva tensin de continua. Al variar las condiciones de funcionamiento, la seal de control PWM vara de manera casi instantnea.

MPPT con previsin de viento: se considera la energa extrada con anterioridad y, mediante modelos estadsticos, se prev la velocidad del viento en los prximos momentos. El control sigue los puntos ptimos en funcin de las velocidades previstas.

El uso de la configuracin alternador-convertidor de potencia permite, por tanto, desacoplar el generador de la red, reduciendo de esta manera los esfuerzos mecnicos del aerogenerador durante los fallos de red. Adems, se genera la potencia reactiva deseada y se tiene un control total sobre la potencia activa. En la configuracin convertidor total, la conversin electromecnica puede ser de alta, de media o de baja velocidad.

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La conversin de alta velocidad es en trminos mecnicos similar a la que se usa en la configuracin doblemente alimentado y comnmente utiliza un multiplicador de tres etapas y un turboalternador (hasta 2000[rpm]), con frecuencia de imanes permanentes, o un generador asncrono

Figura 1.3.2.5- Modelo de conversin de alta velocidad.

Esta configuracin presenta la ventaja de utilizar un generador de dimensiones y peso reducidos y puede ser usada para sustituir a una doblemente alimentado ya existente.

En la conversin de media velocidad se usa en cambio un multiplicador de una o dos etapas con un alternador compacto de imanes permanentes (hasta 500[rpm]) (Figura1.3.2.6).

Figura 1.3.2.6- Modelo de conversin de media velocidad.

Esta configuracin, con un multiplicador menor y velocidades de rotacin inferiores a la anterior, permite reducir los esfuerzos mecnicos mejorando la fiabilidad.

No obstante, en relacin con el caso anterior, el dimetro del alternador aumenta.

Por ltimo, la conversin de baja velocidad suprime el multiplicador y usa un alternador lento (hasta 30[rpm]), generalmente de imanes permanentes o de



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excitacin separada, y por consiguiente con un nmero de polos ms elevado que en los casos precedentes (Figura 1.3.2.7).

Esta configuracin ofrece por encima de todo las ventajas derivadas de la ausencia del multiplicador, es decir, una reduccin de las prdidas mecnicas, la no contribucin al ruido total y un incremento adicional de la fiabilidad del aerogenerador.

Figura 1.3.2.7- Modelo de conversin de baja velocidad.



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1.4 SISTEMA DE REGULACIN Y GENERACIN IMPLEMENTADA

De los sistemas de regulacin y generacin presentados se seleccion el ms adecuado para el proyecto considerando que ste se trata de un aerogenerador de baja potencia destinado al consumo hogareo, y por lo tanto es fundamental presentar un volumen reducido y un bajo costo.

El sistema de regulacin ser de velocidad variable, ya que se busca desarrollar un sistema que maximice la potencia que se pueda extraer del viento.

Este sistema se basa en mantener las aspas a TSR ptimo. Para lograrlo se opt por la regulacin pasiva de las prdidas aerodinmicas, lo cual se consigue mediante un control electrnico que vara el par electromagntico del generador.

Como se present anteriormente, los sistemas de generacin a velocidad variable son:

- Generador asincrnico con resistencia variable y doble alimentado.

- Generador asincrnico y convertidor.

- Generador sincrnico con convertidor.

Para mejorar el rendimiento del sistema y reducir el mantenimiento del mismo se adoptara el uso de generadores sincrnicos, ya que de esta manera se independizar de la fuente de suministro de energa reactiva que los generadores asincrnicos necesitan (evitando contactores y capacitores y sus mantenimientos). Adems con un diseo adecuado de generadores sincrnicos se evita el uso de cajas multiplicadoras, mejorando el rendimiento mecnico y nuevamente reduciendo el mantenimiento.

Por otro lado trabajando a bajas velocidades tambin se reduce la contaminacin acstica y las solicitaciones mecnicas de las aspas.

Entre los generadores sincrnicos se pueden distinguir dos tipos:

- Generadores de rotor bobinado. - Generadores de imanes permanentes.

Los generadores de rotor bobinado presentan la principal desventaja de poseer mayor volumen a misma potencia, consumo de energa en el rotor y mayor mantenimiento debido a los anillos rozantes.

Por otro lado los generadores de imn permanente poseen un mayor costo debido a la necesidad de utilizacin de tierras raras (por ejemplo, NdFeBr) para lograr la reduccin de volumen. Adems tienen la desventaja de que el control electrnico debe ser de la potencia del generador o mayor, ya que este actuara directamente sobre el estator, presentando mayores prdidas y mayor costo. Esto no es as en los generadores de rotor bobinado donde el control se puede realizar sobre el rotor, que maneja potencias mucho menores que la nominal del alternador.

Por consiguiente se utilizar un generador sincrnico de rotor bobinado, principalmente por su costo total menor.

Como en el mercado se vio que los generadores sincrnicos de rotor bobinado a disposicin son de potencia muy elevada (del orden de los 10[KW] a 5[MW]). Se opt por experimentar con un alternador automotriz.

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A continuacin se presentarn algunos de los productos del fabricante de

generadores sincrnicos Mecc Alte, destinados a energa elica:

Tabla 1.4.1- Generadores sncronos Mecc Alte.

2 Pole

Singlephase - Brushless - Capacitor regulation (115,5kVA)

Singlephase - Brush - Electronic regulation (4.513.2kVA)

Singlephase - Brushless - Capacitor Regulation for Lighting Towers (712kVA)

Three-phase - Brush - Compound regulation (5.524kVA)

Three-phase - Brush - Electronic regulation (5.517kVA)

Three-phase - Brushless - Compound/electronic regulation (2298.5kVA)

Three-phase - Brushless - Electronic regulation (8208kVA)

4 Pole

Singlephase - Brushless - Capacitor Regulation for Lighting Towers (3,59.6kVA)

Three-phase - Brush - Compound regulation (718kVA)

Three-phase - Brushless - Compound/electronic regulation (1684kVA)

Three-phase - Brushless - Electronic regulation (6,53000kVA)

6 Pole

Three-phase - Brushless - Electronic regulation (5002100kVA)

NPE Series (2 and 4 pole)

NPE31 2p, 3Ph/1Ph, Brushless, A.V.R. (838.4kVA)

NPE32 4p, 3Ph/1Ph, Brushless, A.V.R. (833kVA)

400 Hz

HCP 14 24p, Brushless, A.V.R. (5.5 200kVA)

Permanent Magnets

NdFeB or Ferrite, 430p, 3Ph/1Ph, Brushless,(1400kVA)



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CAPTULO 2: EL ALTERNADOR

2.1 TIPOS DE ALTERNADORES

Tabla 2.1.1- Tipos de Alternadores. Versin Aplicacin Tipo n polos

Compacto Turismos y motocicletas GC, NC, KC

12

Monobloc

Turismos, vehculos industriales, tractores, motocicletas G1

Turismos, vehculos industriales, tractores K1, N1

Autobuses T1 16

Vehculos industriales. Largos recorridos, mq. de construccin N3 12

Estndar Vehculos especiales T3 14

Vehculos especiales, barcos U2 4, 6

2.1.1 Alternadores de polos intercalados con anillos colectores

A esta clasificacin pertenecen la mayora de los alternadores vistos en la tabla, menos el monobloc N3 y el Estndar U2. La construccin de estos alternadores (polos intercalados con anillos rozantes) hace del mismo un conjunto compacto con caractersticas de potencias favorables y reducido peso. Su aplicacin abarca una amplia gama de posibilidades.

Estos alternadores son especialmente apropiados para turismos, vehculos industriales, tractores, etc. La versin T1 de mayor potencia est destinada a vehculos con gran demanda de corriente (por ejemplo: autobuses).

Caractersticas

La relacin longitud/dimetro elegida permite conseguir mxima potencia con escasa demanda de material. De ello se deriva la forma achatada tpica de este alternador, de gran dimetro y poca longitud. Esta forma permite adems una buena disipacin de calor. La denominacin de "alternador de polos intercalados" proviene de la forma de los polos magnticos. El rbol del rotor lleva las dos mitades de rueda polar con polaridad opuesta. Cada mitad va provista de polos en forma de garras engarzados entre si formando alternativamente los polos norte y sur. De ese modo recubren el devanado de excitacin, en forma de bobina anular, dispuesto sobre el ncleo polar. El nmero de polos realizable tiene un lmite. Un nmero de polos pequeo determinara un rendimiento insuficiente de la mquina, mientras que un nmero demasiado grande hara aumentar excesivamente las perdidas magnticas por fugas. Por esta razn, estos alternadores se construyen, segn el margen de potencia, con 12 16 polos.



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Figura 2.1.1.1- Alternadores de polos intercalados con anillos colectores

2.1.2 Alternadores compactos GC, KC, NC

Aplicacin

Estn destinados a turismos con gran demanda de potencia. Son especialmente apropiados para los modernos motores de vehculos con rgimen de ralent reducido. La velocidad de giro mxima aumentada del alternador (20.000 [rpm] durante breve tiempo) permite una mayor desmultiplicacin, por lo que estos alternadores pueden entregar hasta un 25% ms de potencia con una misma velocidad de giro del motor que los alternadores del tipo monobloc.

Estructura

Los alternadores compactos son alternadores trifsicos autoexcitados, de 12 polos, con rotor sncrono de garras polares, anillos colectores pequeos y diodos de potencia zener, con doble flujo de ventilacin. En el estator se encuentra el devanado trifsico con 12 polos y en el rotor el sistema de excitacin con el mismo nmero de polos. Dos ventiladores interiores refrigeran el alternador desde las carcasas frontales. Esto reduce el ruido de la ventilacin y permite una mayor libertad de eleccin del punto de montaje en el motor.

Los anillos colectores presentan un dimetro sensiblemente menor, con lo cual disminuye tambin la velocidad perifrica de los mismos. Con ello disminuye el desgaste, tanto de la superficie de los anillos colectores como de las escobillas, gracias a lo cual la vida til del alternador ya no est determinada por el desgaste de estas. El regulador electrnico de tensin est integrado en la porta escobillas.

Un revestimiento de plstico protege de la corrosin al rectificador, realizado en versin estratificada, con diodos zener. Los diodos zener ofrecen una proteccin adicional contra sobretensiones y picos de tensin.



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Figura 2.1.2.1- Alternador compacto.

2.1.3 Alternadores compactos de segunda generacin (serie constructiva B)

Aplicacin

La serie B de alternadores compactos para turismos y vehculos industriales es una versin perfeccionada del alternador compacto, con mayor vida til, menores dimensiones, peso ms reducido y potencia inicial aumentada. La serie se compone de seis tamaos constructivos con 14[V] de tensin nominal y tres tamaos con una tensin nominal de 28[V]. El estrecho escalonamiento permite una ptima adaptacin a la demanda de potencia y al espacio disponible en el compartimento motor de los automviles modernos.

Tabla 2.1.3.1- Corriente nominal de Alternadores Compactos.

Denominacin Tensin nominal

Corriente nominal:

1.800[rpm] 6.000[rpm]

GCB1

14[V]

22 55

GCB2 37 70

KCB1 50 90

KCB2 60 105

NCB1 70 120

NCB2 80 150

KCB1

28[V]

25 55

NCB1 35 80

NCB2 40 100



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Estructura

La estructura fundamental de la serie constructiva B no se diferencia de la de un alternador compacto convencional. Una nueva ejecucin del rectificador (puente de diodos) permite un mayor caudal de aire con lo que se mejora la refrigeracin. Adems estos alternadores estn equipados con un regulador de tensin multifuncional.

2.1.4 Alternadores monobloc G1, K1 y N1

Aplicacin

El extenso nmero de modelos de alternadores trifsicos en versin monobloc, series constructivas G1, K1 y N1, permite utilizarlos en turismos y vehculos industriales, aunque los turismos se equipan cada vez ms con alternadores compactos.

Estructura

Los alternadores un versin monobloc tiene un funcionamiento igual al de los alternadores compactos.

Los monobloc son alternadores trifsicos con un solo flujo de ventilacin, autoexcitados, de 12 polos. En las chapas de refrigeracin de la tapa de anillos colectores van montados a presin 6 diodos de potencia para la rectificacin de la tensin del alternador. En la mayora de las versiones, el regulador electrnico de tensin va montado formando una unidad con el portaescobillas, directamente en la cara frontal de la tapa de anillos colectores.

Para condiciones de utilizacin especiales, los alternadores K1 y N1 estn provistos del siguiente equipamiento:

< A travs de un adaptador de conexin de tubos flexibles se aspira aire fresco por un manguito si la temperatura ambiente es muy elevada.

< La velocidad mxima de giro puede aumentar hasta 18.000[rpm].

< Para condiciones de montaje muy desfavorables existe una proteccin especial contra la corrosin.

< Para la proteccin de componentes sensibles a los picos de tensin en caso de desconexin repentina de la carga y funcionamiento sin batera, se utilizan diodos de potencia zener para la rectificacin.



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Figura 2.1.4.1- Alternador monobloc K1.

2.1.5 Alternadores monobloc (serie constructiva T1)

Aplicacin

Estos alternadores estn previstos para vehculos con elevado consumo de corriente, sobre todo para autobuses. Los autobuses urbanos requieren una elevada entrega de potencia dentro de un margen amplio de revoluciones, que abarca tambin el ralent del motor. El funcionamiento es idntico al de los alternadores de la versin monobloc de las series constructivas G1, K1, y N1.

Estructura

Los alternadores T1 son alternadores trifsicos con un solo flujo de ventilacin, autoexcitados y de 16 polos, con diodos rectificadores incorporados y anillos colectores encapsulados. En el estator va alojado el devanado trifsico, y en el rotor, el sistema de excitacin.

Los alternadores T1 en versin de brazo giratorio, con brazo de fijacin hacia la izquierda o a la derecha, para fijacin elstica o rgida. Rodamientos especialmente anchos con grandes reservas de grasa, permiten largos tiempos de utilizacin y mantenimiento. Los alternadores estn refrigerados por ventiladores independientes del sentido de giro y protegidos en invierno contra las salpicaduras de agua dulce y agua con sal mediante medidas anticorrosin especiales. En caso de funcionamiento en condiciones extremas (calor y polvo) puede aspirarse aire fresco, seco y exento de polvo, a travs de un adaptador y un tubo flexible dispuesto con ese fin.

Dentro de los alternadores T1 se tiene una versin especial que es el DT1 se trata de un doble alternador que sirve para satisfacer las mayores demandas de potencia que se dan en los autobuses actuales. El DT1 se trata de un doble alternador que se



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compone de dos alternadores de la serie constructiva T1, acoplados elctrica y mecnicamente en una carcasa comn.

El regulador electrnico de tensin est montado en el alternador. Las escobillas y los anillos colectores se encuentran dentro de una cmara de anillos colectores

protegida contra el polvo. Una resistencia de 100[] entre D+ y D-, hace que se encienda la lmpara de control del alternador en caso de interrupcin del campo.

Figura 2.1.5.1-Doble alternador T1 con dos estatores y doble excitacin.

2.1.6 Alternadores de polos individuales con anillos colectores (serie constructiva U2)

Aplicacin

Se utilizan preferentemente para vehculos grandes con gran demanda de corriente (ms de 100[A]) y tensiones de batera de 24[V]. Son especialmente apropiados, por lo tanto, para autobuses, vehculos sobre rales, embarcaciones y grandes vehculos especiales.

Se trata de un alternador de 4 polos autoexcitado. En cada vuelta del rotor tienen lugar cuatro pasos polares, inducindose cuatro semiondas por devanado. Es decir, para tres fases, 4 x 3 = 12 semiondas por vuelta.

Estructura

La disposicin del devanado estatrico trifsico y la variacin de corriente son idnticas a las del alternador de polos intercalados. Sin embargo, el rotor de este tipo bsico del alternador difiere del sistema del rotor de garras polares.



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Figura 2.1.6.1-Esquema bsico de un alternador de polos individuales.

El rotor de garras presenta un devanado de excitacin central que acta conjuntamente para todos los polos. El de polos individuales, por el contrario, lleva cuatro o seis polos individuales a los que esta aplicado directamente el devanado de excitacin.

Cada uno de estos bobinados esta individualmente. La forma caracterstica del rotor determina la forma cilndrica alargada del alternador de polos individuales. En la carcasa cilndrica del alternador est dispuesto el estator con el devanado estatrico trifsico. La carcasa est cerrada por una tapa de anillos colectores y una tapa de cojinete de accionamiento. El rotor de polos individuales alojado en el interior lleva el devanado de excitacin. La corriente de excitacin se conduce a travs de los anillos colectores y las escobillas. El rectificador y el regulador son componentes externos que se montan separados del alternador en un lugar protegido contra el calor del motor, la humedad y la suciedad. La conexin entre el alternador y el regulador se realiza mediante el juego de cables de seis conductores.

Gracias al encapsulamiento de los anillos colectores y a un rodamiento de bolas con cmara de grasa ampliada, este alternador es apropiado para funcionar largo tiempo ininterrumpidamente.



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Figura 2.1.6.2-Alternador de polos individuales serie U2.

2.1.7 Alternadores con rotor-gua sin anillos colectores (serie constructiva N3)

Aplicacin

Las nicas piezas sujetas a desgaste de estos alternadores son los rodamientos. Se utilizan en los transportes donde la larga duracin sea un factor decisivo (maquinaria de construccin, camiones para largos recorridos y vehculos especiales para grandes esfuerzos). La importancia de los alternadores de rotor-gua estriba en que permiten recorrer distancias extremadamente grandes en condiciones difciles. Su principio constructivo se basa en la idea de emplear en el alternador el menor nmero de piezas posibles sometidas a desgaste, para conseguir as prolongados tiempos de servicio sin mantenimiento. Este alternador est prcticamente exento de mantenimiento.

Figura 2.1.7.1-Vista seccin rotor-gua.



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Funcionamiento y estructura

El alternador se autoexcita por medio del devanado de excitacin fijo situado sobre el polo interior. Como la remanencia es lo suficientemente grande, no es necesaria la pre-excitacin del alternador. El campo de excitacin magnetiza los dedos polares, dispuestos alternadamente, del rotor-gua giratorio. El campo magntico giratorio de estos polos induce a su vez una tensin alterna trifsica en el devanado estatrico. El flujo magntico discurre desde el ncleo polar del rotor giratorio a travs del polo interior fijo hasta la pieza gua, y luego a travs de sus polos hasta el paquete del estator fijo. A travs de la mitad de las garras de polos intercalados, de polaridad opuesta se cierra el circuito magntico en el ncleo polar del rotor. Al contrario que en el rotor de anillos colectores, el flujo magntico debe superar dos entrehierros adicionales entre la rueda polar giratoria y el polo interior fijo.

Normalmente, adems de la carcasa con el paquete del estator, las chapas de refrigeracin con los diodos de potencia y el regulador transistorizado de montaje adosado, pertenecen tambin a la parte fija de la mquina el polo interior con el devanado de excitacin. La parte giratoria consta nicamente del rotor con la rueda polar y su pieza gua.

Seis dedos polares de igual polaridad forman respectivamente una corona polar como polos norte y sur.

Las dos coronas, como mitades por polos en forma de garras, se mantienen juntas mediante un anillo no magntico dispuesto bajo los polos, engarzados entre s.

Figura 2.1.7.2-Vista seccin rotor-gua, tipo N3.



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2.1.8 Alternadores compactos de refrigeracin lquida

Aplicacin

El ventilador necesario para la refrigeracin es la causa determinante del ruido del flujo en los alternadores refrigerados por aire. Una reduccin considerable del ruido con una entrega de corriente mayor solo puede lograrse con un alternador de refrigeracin lquida, para cuya refrigeracin se utiliza el lquido refrigerante del motor.

En los vehculos modernos de clase media y superior, la utilizacin de un alternador totalmente encapsulado y de refrigeracin lquida es hasta ahora la nica posibilidad de reducir el ruido en el vehculo. La insonorizacin de la envoltura del lquido refrigerante acta sobre todo a altas revoluciones, rgimen en el que es especialmente acusado el ruido de flujo de los alternadores refrigerados por aire.

El calor disipado del alternador bajo la correspondiente carga del mismo (por ejemplo, mediante resistencias calefactoras en la entrada de aire al habitculo) favorece el calentamiento del agua refrigerante durante la fase de calentamiento, lo cual luego contribuye sobre todo en los modernos motores Disel con grado de rendimiento optimizado, a reducir la fase de calentamiento del motor y el rpido calentamiento del habitculo.

Estructura

El alternador totalmente encapsulado est ejecutado con un rotor-gua sin anillos colectores, porque en un sistema de escobillas y anillos colectores no ofrecera una vida til suficiente debido a las altas temperaturas del interior.

El alternador est fijado en una carcasa de insercin. La envoltura de lquido refrigerante entre la carcasa del alternador y la carcasa de insercin est en comunicacin con el circuito de refrigeracin del motor. Todas las fuentes de prdidas esenciales (estator, semiconductor de potencia, regulador y devanado de excitacin fijo) estn acoplados a la carcasa del alternador de forma que pueda producirse una buena conduccin del calor. Las conexiones elctricas se encuentran en el lado de accionamiento.

Figura 2.1.8.1-Alternador compacto de refrigeracin lquida.



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2.1.9 Alternador a utilizar

El Alternador a disposicin es del tipo monobloc G1, Valeo modelo A14M 118M de 24[V] 60[A]. Como se mencion, este tipo de Alternadores posee una placa con seis diodos de potencia, la cual ser aprovechada evitando la incorporacin de un rectificador trifsico externo.

Formando una unidad con la porta escobillas se aloja el regulador de tensin, este ser retirado ya que el proyecto se destina al desarrollo de un control electrnico que comande la corriente de excitacin.

En la Figura 2.1.9.1 se puede apreciar las distintas partes que componen al Alternador.

Figura 2.1.9.1-Explotada del Alternador.



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2.2 ENSAYO DEL ALTERNADOR

Se realizaron distintos tipos de ensayos al alternador con la finalidad de poder conocer sus caractersticas fundamentales, tales como: corriente de excitacin mxima antes de la saturacin del hierro, resistencia interna rotrica y estatrica, rendimiento, regulacin. Y tambin se pretende llegar a conclusiones sobre la utilidad de este tipo de mquina como elemento generador, en base, por ejemplo, a las vueltas por minuto necesarias, para obtener una potencia suficiente para suplir sus propias prdidas o para comenzar a generar.

2.2.1 Banco de prueba

Para la realizacin de los ensayos se implement el siguiente esquema de conexin:

Figura 2.2.1.1- Esquema elctrico del banco de pruebas del alternador.

2.2.2 Elementos

Convertidor (AC/AC). Variador de frecuencia Schneider:

- Modelo: Altivar 12

ATV12HU15M2

- Potencia nominal:

1,5[KW]/2[HP]

- Tensin salida: 100[V] a

480[V] (entre lneas)

- Frecuencia salida: de

10[Hz] a 400[Hz]

- Regulacin manual de

frecuencia de salida con

resolucin de 0,1[Hz]

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Motor (M). Motor asincrnico Eberle:

- Marca: Eberle

- Tipo: trifsico de induccin,

rotor jaula de ardilla

- Potencia nominal: 0,5[HP]

(0,373[KW])

- Tensin: 220[V]/380[V]

- Velocidad sincrnica:

- Velocidad nominal:

- Torque nominal: [ ]

- Relacin:

Generador (G). Alternador Valeo:

Modelo: A14N 118M

Tensin: 24[V]

Corriente: 60[A]

Convertidor (AC/DC1). Puente de diodos:

Puente trifsico de diodos incluido en el alternador.



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Convertidor (AC/DC2). Puente de diodos monofsico MB1510:

Corriente: 15[A]

Tensin: 700[V]

Autotransformador de salida variable Variostat:

Tensin de entrada: 220[V]

Tensin de salida: 0 a 250[V]

Corriente mxima: 12[A]

Voltmetro V1:

Tipo de instrumento: Multmetro Digital

Tipo de corriente: Utilizado en continua

Alcance: En escala 20[V]

Posicin de trabajo: Horizontal



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Ampermetro A1:

Tipo de instrumento: Hierro Mvil.

Tipo de corriente: Alterna / continua.

Clase: 0,5

Alcance: 5 [A]

N de divisiones: 50


Tensin de prueba: 2 [kV]

Voltmetro V2:


Tipo de corriente: Utilizado en continua

Alcance: En escala de 20[V]


Ampermetro A2:


Tipo de corriente: utilizado en continua

Alcance: 10[A]




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Medidor de vueltas:

Se utiliz un tester para medir los pulsos generados por un sensor infrarrojo ubicado en la rueda de ventilacin del generador, como esta rueda posee 12 aletas y el instrumento mide frecuencia, las rpm se obtuvieron como sigue:

: Frecuencia medida

Carga:

Dicroica

Potencia: 50[W] AC

Tensin: 12[V]

Figura 2.2.2.1- Foto del banco de pruebas, vista superior.



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Figura 2.2.2.2- Foto del banco de pruebas, vista inferior.

2.2.3 Ensayo en vaco

Procedimiento:

Se dej una frecuencia fija en el variador y se fue variando la corriente de excitacin del alternador partiendo de 0,5[A], de a saltos de 0,1[A], hasta apreciar una reducida variacin de la tensin de salida1.

Este ensayo se realiz para las frecuencias del variador de 25, 50 y 75[Hz].

Tabla 2.2.3.1- Ensayo en vaco.

1 Datos en Archivo 2.2.3.

50Hz 25Hz 75Hz

Iex[A] Vex[V] Vsal[V] Iex[A] Vex[V] Vsal[V] Iex[A] Vex[V] Vsal[V]

0,5 8,5 14,6 0,48 8,4 6,8 0,5 8,4 22,2

0,6 10,2 17 0,55 10 8,1 0,56 10 25,1

0,75 12,4 19,7 0,7 12,4 9,6 0,7 12,2 28,8

0,85 13,9 21 0,85 14 10,4 0,85 14,5 31,9

1 16,5 22,6 1 16,4 11,1 1 16,2 33,6

1,15 18,4 23,4 1,1 18,1 11,5 1,1 18 34,8

1,25 20,2 23,9 1,25 20,4 11,8 1,25 19,9 35,6

1,35 21,8 24,3 1,35 22,2 12 1,38 22,1 36,3

1,5 24,2 24,7 1,45 24,3 12,2 1,47 23,8 36,7

1,6 26 25 1,6 26,4 12,3 1,6 26,3 37,2

1,75 28,5 25,3 1,7 28,2 12,4 1,7 27,9 37,5

1,85 30,1 25,4 1,78 29,9 12,5 1,87 30,8 37,9

1,95 32,2 25,6 1,9 32,5 12,6 1,9 32,1 38



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Figura 2.2.3.1- Caracterstica Externa.

De este ensayo puede apreciarse que a corrientes de excitacin superiores a 1,1[A] comienza a saturarse el hierro, y la tensin prcticamente no aumenta.

De este mismo ensayo se obtuvo la resistencia rotrica, graficando Vex vs Iex:

Figura 2.2.3.2- Curva Vex vs Iex.

Resistencia rotrica = 16,3[]

Ntese que esta resistencia es en realidad la suma de la resistencia del rotor y la introducida por los carbones de la mquina.



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2.2.4 Constante K

Este ensayo es el mismo que el anterior, es un ensayo en vaco, con la diferencia de que se realiza con una variacin en la frecuencia del variador, dejando la corriente de excitacin en un valor fijo. El objetivo es obtener la constante K de tensin.

Para cada valor de frecuencia (es decir un valor de rpm en el eje del generador) se midi la tensin de salida2.

Tabla 2.2.4.1- Ensayo en vaco a distintas frecuencias del variador de velocidad.

Figura 2.2.4.1- Curva Vsalida vs RPM.


Vex= 12,65V

Iex= 0,7A

Hz N n[rpm] Vsal[V]

25 117 585 9,2

30 140 700 11,14

35 163,5 817,5 13,21

40 186,5 932,5 15,23

45 210 1050 17,11

50 234 1170 18,92

70 325 1625 26,46



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Como se mencion en un generador sincrnico se cumple:

Del grfico se obtuvo la siguiente ecuacin:

[ ]

Como este ensayo se hizo a excitacin constante e igual a 0,7[A] entonces:

[ ]

2.2.5 Ensayo con carga

En este ensayo se utiliz como carga dos dicroicas de 50[W]/12[V]. El procedimiento consisti en medir la potencia de salida variando las rpm del generador, dejando la excitacin fija3.

Se realiz para dos valores de excitacin distintos.

El principal objetivo de este ensayo es verificar las revoluciones por minuto en el generador a mxima excitacin, que permiten obtener la potencia de generacin inicial. Esta es la potencia que se le podra extraer al viento siendo su velocidad de 3[m/s], tomando esta como la velocidad inicial de generacin.

Recordando, la potencia en el viento es:

: Velocidad del viento.

: rea transversal al viento (rea del aerogenerador).

: Densidad del aire.

(

)

La potencia mecnica entregada al generador se obtiene multiplicando la potencia del viento por el rendimiento del rotor elico, como se busca que a esta velocidad se est a mximo rendimiento, ste ser de 0,6, por lo tanto la potencia es de 60[W].

Para elegir la carga, a esta potencia se le debera afectar por el rendimiento del generador. Como este no se conoce, y para estar holgados, se utilizaron dos dicroicas de 50[W] en paralelo.




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Tabla 2.2.5.1- Ensayo con carga (2 dicroicas) Iex=1,1[A].

Tabla 2.2.5.2- Ensayo con carga (2 dicroicas) Iex=1,7[A].

Iex=1,1[A] Vex=18[V]

Vs[V] Is[A] Pot[W] rpm Hz Variador

1.48 2.93 4.3364 236 10

2.36 3.66 8.6376 303 13

3.26 4.33 14.1158 372 16

4.23 4.95 20.9385 439 19

5.22 5.52 28.8144 508 22

6.22 6.06 37.6932 580 25

7.21 6.58 47.4418 648 28

8.18 7.04 57.5872 718 31

9.18 7.48 68.6664 785 34

10.15 7.88 79.982 885 37

11.12 8.3 92.296 923 40

12.1 8.72 105.512 994 43

13 9.11 118.43 1064 47

Iex=1,7[A] Vex=28[V]

Vs[V] Is[A] Pot[W] rpm Hz Variador

1.76 3.16 5.5616 233 10

2.75 3.92 10.78 300 13

3.83 4.65 17.8095 369 16

4.88 5.3 25.864 437 19

6 5.92 35.52 506 22

7.14 6.5 46.41 578 25

8.24 7.02 57.8448 644 28

9.34 7.53 70.3302 713 31

10.42 8 83.36 781 34

11.56 8.47 97.9132 850 37

13.06 9.08 118.5848 946 41.2



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Figura 2.2.5.1- Curva Vsalida vs RPM, ensayos con carga.

La primera conclusin que se pudo obtener es que se debera generar a 12[V], de lo contrario las revoluciones seran excesivas, considerando que encima la carga del ensayo fue pequea y que adems para lograr las corrientes de excitacin adecuadas se debera colocar un elevador de tensin.

Como se ve en el grafico a 1000[rpm], generando tan solo 9[A], la tensin es de 12[V] a 1,1[A] de excitacin, necesitando 18[V] en el rotor.

Trabajar a 1,7[A] de excitacin, dada la poca elevacin de tensin, lo nico que provoca es un aumento de prdida de potencia.

Para conocer a que revoluciones se generara la potencia que entrega el viento a 3[m/s], primero se calcul la fem E generada:

[ ]

Y de esta manera la potencia generada es:

Tambin se calcul la resistencia estatrica ( ), conociendo la potencia generada

( ), la potencia de salida ( ) y la potencia de prdida en los diodos ( ) se obtuvo la

potencia de prdida del alternador ( ):

Siendo:



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Y tambin:

( )

Figura 2.2.5.2- Circuito equivalente monofsico.

Una vez que se calcul la potencia de prdidas en el alternador se obtuvo y con

ello el rendimiento ( ) para la carga impuesta.

Tabla 2.2.5.3- Clculo del rendimiento para el ensayo con 2 dicroicas.

Como se ve en la tabla las revoluciones a las cuales se obtiene una potencia generada igual a la potencia mecnica til proveniente del viento a 3[m/s] es de 500[rpm].

Iex=1A Vex=18V

Vs[V] Is[A] rpm E[V] Pg[W] Ps[W] Pd[W] Pri[W] Ri[] Rendimiento

1,48 2,93 236 5,46 16,00 4,34 4,10 7,56 0,88 0,27

2,36 3,66 303 7,01 25,66 8,64 5,12 11,90 0,89 0,34

3,26 4,33 372 8,61 37,27 14,12 6,06 17,10 0,91 0,38

4,23 4,95 439 10,16 50,28 20,94 6,93 22,42 0,91 0,42

5,22 5,52 508 11,76 64,89 28,81 7,73 28,35 0,93 0,44

6,22 6,06 580 13,42 81,33 37,69 8,48 35,16 0,96 0,46

7,21 6,58 648 14,99 98,67 47,44 9,21 42,01 0,97 0,48

8,18 7,04 718 16,61 116,97 57,59 9,86 49,52 1,00 0,49

9,18 7,48 785 18,16 135,87 68,67 10,47 56,74 1,01 0,51

10,15 7,88 885 20,48 161,37 79,98 11,03 70,36 1,13 0,50

11,12 8,3 923 21,36 177,27 92,30 11,62 73,36 1,06 0,52

12,1 8,72 994 23,00 200,57 105,51 12,21 82,85 1,09 0,53

13 9,11 1064 24,62 224,30 118,43 12,75 93,11 1,12 0,53



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Como a dicha velocidad de viento se deber estar a mxima eficiencia del rotor elico, es decir a TSR ptimo, las revoluciones de este deben ser:

[ ]

Por lo tanto se debera colocar una caja multiplicadora de como mnimo:

500/73 = 6,85

La Figura 2.2.5.3 muestra el rendimiento del alternador con una carga de dos

dicroicas de 50[W] en paralelo.

Figura 2.2.5.3- Curva de rendimiento vs RPM.



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2.2.6 Conclusin

Como conclusin final de estos ensayos del alternador es que no sera apto para ser utilizado como mquina generadora de este tipo de proyecto por las siguientes razones:

- Rango til de excitacin bajo (hasta 1,1[A]). - Regulacin mala a baja revoluciones. - Necesidad de caja multiplicadora (multiplicacin de 7 o mayor), lo que

conlleva un aumento del par resistente en el arranque, a prdidas de energa y a mayor inversin.

- Rendimiento del orden de 0,5 aun multiplicando la revoluciones. - Prdidas estatricas y rotricas elevadas. - Necesidad de utilizacin de elevador de tensin para el control de la

excitacin, empeorando el rendimiento del sistema.

Caractersticas del alternador o generador sincrnico adecuado:

- Buena regulacin a baja revoluciones, 100 a 300 [rpm]. - Saturacin a elevadas corrientes, de manera de elevar la fem a velocidades

bajas de rotacin. - Prdidas internas bajas, rendimiento elevado. - Prdidas mecnicas bajas para reducir el par antagnico de arranque. - Fem elevada a bajas revoluciones.



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CAPTULO 3: CONTROL ELECTRNICO

3.1 CONTROL DE LA EXCITACIN

Como se mencion con anterioridad, la corriente de excitacin ser regulada a partir de una tensin controlada. Tambin se dijo que la corriente mxima a aplicar es de 1,1[A] para evitar saturacin del hierro, valor al que corresponde una tensin de excitacin de 18[V].

La excitacin se conecta directo de los bornes de la batera, cuya tensin puede oscilar entre los 11[V] y los 14[V] aproximadamente. Dado que esta tensin es menor a los 18[V] necesarios, se requiere de un circuito elevador/reductor de tensin. A continuacin se presenta este circuito y se explica su funcionamiento.

3.1.1 Elevador-Reductor de tensin buck-boost

El convertidor DC/DC Buck-Boost es una fuente conmutada de tensin de salida variable, controlada por el ciclo de trabajo de la llave de conmutacin.

Figura 3.1.1.1- Circuito esquemtico buck-boost.

Tal y como se indica en el esquema anterior, el circuito Buck-Boost entrega una

tensin de salida ( ) invertida respecto de la tensin de entrada ( ). Esta salida

puede ser menor o mayor que la entrada; controlndose con la seal de control

PWM que comanda la llave.

3.1.2 Principio de funcionamiento

De acuerdo al estado lgico de la seal de control PWM (1 o 0), la llave controlada tomar el estado de llave cerrada o llave abierta. La seal PWM es un tren de pulsos de frecuencia elevada (decenas a cientos de kilo Hertz) y constante sobre la cual se modula el ancho de dichos pulsos, provocando que la llave controlada se abra y se cierre con distintos ciclos de trabajos D.



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Estado 1: Llave cerrada durante

Figura 3.1.2.1- Circuito esquemtico buck-boost (llave cerrada).

Con la llave cerrada la bobina queda directamente conectada a la tensin de entrada. Tanto si su corriente inicial era nula (lo que ocurre en el primer ciclo de trabajo) como si posea un valor determinado (lo normal durante el funcionamiento), la corriente comienza a elevarse, aumentando la energa almacenada en el campo magntico de la bobina:

- : energa almacenada en la bobina

- : inductancia de la bobina

- : corriente que circula por la bobina

La ecuacin que describe la evolucin de la corriente en el tiempo es la siguiente:

- : Corriente en la bobina

- : tensin de entrada


- : tiempo

- : valor de la corriente en la bobina al iniciar Estado 1

El diodo est al corte (abierto) pues se encuentra con polarizacin inversa tanto si la tensin del capacitor fuese nula (lo que ocurre en el primer ciclo de trabajo) como si tuviera una tensin negativa respecto del sentido indicado en la Figura 3.1.2.1 (lo que ocurre durante el funcionamiento normal).

Durante todo el el capacitor es el encargado de alimentar la carga. Por ello es que su capacidad deber ser la necesaria para poder suministrar la energa

demandada por la carga, manteniendo el ripple de dentro de valores aceptables.



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Estado 2: Llave abierta durante

Figura 3.1.2.2- Circuito esquemtico buck-boost (llave abierta).

La bobina mantiene la corriente que la atraviesa en el mismo sentido que lo haca en

el Estado 1, y por lo tanto el diodo se polariza en directa, quedando la bobina

sometida a la tensin de salida ( . Esta corriente circula en parte por la

carga y en parte por el capacitor, cargndolo.

La corriente en la bobina tiene la siguiente expresin:

- : Corriente en la bobina

- : tensin de salida


- : tiempo

- : valor de la corriente en la bobina al iniciar Estado 2

3.1.3 Obtencin de la tensin de salida

1- Operacin en MCC (Modo de Conduccin Continua) En este caso la bobina no llega a descargar toda su energa durante el Estado 2 por

lo que su corriente nunca es nula. Las formas de onda son las que se muestran a

continuacin en la Figura 3.1.3.1.



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Figura 3.1.3.1- Formas de onda en M

informe vol ifghfghii

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