Figura 25: Corriente a la salida del generador.
Figura 26: Voltaje a la salida del generador.
Control del inversor (Señal de pulsos):
Para el control del inversor se utilizaron técnicas PWM, específicamente la modulación sinusoidal del ancho del pulso. Esta técnica de modulación es ampliamente estudiada y empleada en aplicaciones industriales, debido a su simplicidad y a los buenos resultados que garantiza en todas las condiciones de trabajo, incluida la sobremodulación. Este método de modulación es flexible, lo que permite emplear otras moduladoras. Su funcionamiento consiste en comparar una señal sinusoidal, denominada moduladora, con una señal denominada portadora, usualmente de forma de onda triangular, en algunos casos tipo diente de sierra. La comparación o intersección de estas dos señales da como resultado
las órdenes de conmutación de los interruptores del convertidor. Variando la amplitud y frecuencia de la onda moduladora y la de portadora, obtuvimos el pulso deseado para cada instante de tiempo en cada interruptor.
Tomando como ejemplo el convertidor de dos niveles, cuya implementación se desarrolló mediante una modulación sinusoidal para el control de sus dispositivos de conmutación S_1, S_2, S_3 y S_4 pertenecientes a la figura 24, su orden de conmutación se muestra en la siguiente tabla:
Interruptores Conectados
Tensión de salida Vab
(S_1 – S_4)
Vpn
(S_2 – S_3)
-Vpn
Figura 27: Combinación de operaciones de los interruptores.
Para su mejor explicación se divide en dos momentos fundamentales la onda de salida; la parte positiva de la onda (+ Vpn / 2) y la parte negativa (- Vpn / 2).
Para obtener el valor del 1er momento (+ Vpn / 2), que se encuentra en el subsistema de la figura 28, llamado S_1 y S_4 Positiva y el del 2do momento (-Vpn / 2) implementado en el subsistema S_2 y S_3 Negativa (figura 29), se emplea modulación sinusoidal con pulsos de frecuencia diferente para cada momento. Tal y como se muestra en la figura 18.
En las figuras que se muestran a continuación (28 y 29) la onda en rojo es una onda de referencia de voltaje. El pulso de conmutación es obtenido mediante la intersección entre la moduladora de sinusoidal de mayor amplitud con la portadora en forma de triángulo. Así de esta manera quedan constituidos los pulsos, tanto para la parte positiva como para la negativa.
Figura 28: Gráfico de la señal de pulsos de la parte Positiva.
Figura 29: Gráfico de la señal de pulsos de la parte Negativa.
Todos los inversores simulados son de una sola fase y los interruptores están definidos por su comportamiento matemático, partiendo de la hipótesis de que los interruptores son ideales.
Señal del inversor de dos niveles.
Con la simulación de este inversor se pretende obtener la forma de onda teórica, figura 30, para ello implementamos el circuito de la figura (20) que es el esquema práctico del inversor convencional de dos niveles. La forma de onda estipulada para este tipo de inversor es una onda cuadrada con valores que oscilan en un rango de Vpn a – Vpn, ver figura (fig. 30).
Figura 30: Forma de onda teórica de un inversor de dos niveles de voltaje convencional.
Figura 31: Forma de onda del voltaje de salida obtenida en la simulación.
Como resultados preliminares de la corrida se obtuvo una onda cuadrada que oscilaba entre los valores esperados.
Señal del inversor de tres niveles.
En el diseño de un inversor, a medida que aumentan el número de niveles se hace un tanto más escalonada la onda, ver figura 32, lo que acerca su imagen a la de una sinusoide; pero a su vez, se hace más complejo, ya que aumenta el número de dispositivos, de manera general, surgen toda una serie de inconvenientes por la complejidad que adquiere su control. El bus de continua está encabezado por dos condensadores encargados de mantener
constante la tensión en esa rama. Por otro lado los elementos a controlar dentro del propio circuito, nos refieren a los interruptores S_1, S_2, S_1’ y S_2’.
Figura 32: Forma de onda teórica de un inversor monofásico de 3 niveles.
La implementación precisa de los pulsos a cada interruptor, hace que la onda de voltaje tome tres estados básicos en su recorrido, los cuales están dispuestos en la figura 32; tomando valores tales como Vpn/2, cero y –Vpn/2.
Figura 33: Resultado del osciloscopio conectado a la salida del inversor de tres niveles analizado (Scope1).
Acotación sobre los convertidores.
Los diodos y los interruptores de potencia son los elementos semiconductores que forman estos inversores siendo los interruptores el elemento principal, ya que su número, secuencia y frecuencia de conmutación determinan la forma de onda de la tensión de salida del inversor. Estos interruptores deben ser completamente controlables, tanto en la conexión como en la desconexión. En dependencia de las especificaciones de
funcionamiento del inversor se hace la elección del interruptor, es decir de la corriente nominal a que trabaja, la frecuencia de conmutación y de las tensiones.
Los diodos son conectados en antiparalelo, en relación a los interruptores. La presencia de cargas con un cierto comportamiento inductivo ocasiona un cierto desfase entre tensión y corriente, de manera que en un determinado instante la tensión puede ser positiva y la corriente negativa. El objetivo de estos diodos es permitir que la circulación de corriente sea bidireccional. Los diodos utilizados se conocen con el nombre de diodos de recuperación rápida, ya que es necesario que los retrasos que introducen no sean mayores que los de los del interruptor seleccionado.
Las consideraciones realizadas para la elección de los interruptores y diodos son las mismas en los inversores de dos y tres niveles. La única diferencia radica en la tensión máxima que deberán soportar los semiconductores. Para el caso de dos niveles, la tensión de bloqueo es la del bus de continua Vpn, mientras que para el inversor de tres niveles la tensión de bloqueo es la mitad, es decir, Vpn/2, lo cual le permite trabajar al doble de tensión en el bus de continua con la misma corriente. Esta característica es una de las principales ventajas en los inversores de tres niveles, ya que permite trabajar con mayores potencias de entrada.
Uno de los elementos que afecta a los inversores a la hora de su implementación al ser conectados a la red, es el contenido armónico que pueda llevar su onda de salida. No obstante, a su vez, uno de los atractivos de la tecnología multinivel de inversores de corriente, lo constituye esta componente armónica que los caracteriza; ya que si bien es cierto, que se hace más complejo en cuanto a su control y que se incrementa la cantidad de componentes, con el aumento del número de niveles del inversor, también podemos afirmar que ocurre una disminución notable en el contenido armónico de la onda.
Conclusiones
Al concluir la investigación se arribaron a las siguientes conclusiones:
Las máquinas de imanes permanentes son las más difundidas en los sistemas eólicos aislados
Las formas de ondas obtenidas en un convertidor de 3(tres) niveles presentan mejor característica que los de 2(niveles)
Recomendaciones
A partir de los resultados arrojados por la investigación se realizaron las siguientes recomendaciones:
Hacer un estudio económico de la propuesta
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Anexos
Anexo:
Se presenta a continuación la ley de Betz, la cual entrega un límite teórico del máximo valor que puede llegar a tomar el coeficiente de potencia de una turbina eólica. La masa de aire que atraviesa un aerogenerador sufre una modificación de su velocidad, debido a la extracción de potencia por parte de éste, así, el aire que abandona el volumen de interacción con el aerogenerador tendrá una velocidad menor que el aire incidente sobre la hélice. Dicho cambio de velocidad, conlleva una modificación del volumen a ocupar por la misma masa de aire, la cual requiere un mayor volumen debido a su menor velocidad de desplazamiento.
Figura A1: Masa de aire que atraviesa un aerogenerador
Luego, considerando que la velocidad del viento, a través, del rotor coincide con el promedio de la velocidad antes y después de incidir sobre éste, la masa de aire que atraviesa el aerogenerador se puede expresar:
Así, la energía extraída por la turbina corresponderá a la resta de la energía de la masa incidente, con la energía de la misma masa, pero una vez ya atravesada el área del aerogenerador, como se muestra.
A2
Sustituyendo A1 en A2, y derivando con respecto al tiempo, se obtiene la potencia entregada a la turbina por la masa de aire.
A3
Al dividir A3, por la potencia de la masa de aire con la velocidad v1, para una misma área, se obtiene el coeficiente de potencia, en función de las velocidades v1 y v2, como se muestra en A4. Al derivar esta expresión con respecto al cociente v2/v1, se obtiene el máximo coeficiente de potencia posible, que se obtiene para razón de 1/3, entre v2/v1, y que otorga el límite de Betz, donde el cociente entre Pt y Pv es de 0,5926
A4
Cabe destacar que en este cálculo se desprecian factores de pérdida tales como la fricción de las aspas, rotación de la estela detrás del rotor y pérdidas en la cercanía de la punta de las aspas.