Generador de inducción con doble bobinado en el estator autoexcitado con capacitores shunt y autoregulado con capacitores serie

Abstract

El generador de inducción es ampliamente conocido por su operación en paralelo con un sistema eléctrico de potencia que le provee la potencia reactiva para la creación del campo magnético, tal como se ha reportado en numerosos artículos técnicos publicados sobre el tema. Sin embargo, el concepto de autoexcitación de la máquina de inducción apareció por primera vez en 1935, cuando se mostró que la máquina de inducción puede funcionar como generador en modo aislado, si es impulsada a una velocidad determinada y se le conecta un capacitor en conexión shunt para el suministro a la máquina de la potencia reactiva requerida para generar la tensión esperada [14]. A lo largo de los años se ha investigado el principio de funcionamiento, el diseño y aspectos de control del Generador de Inducción Autoexcitado (GIA). Los análisis en estado estacionario para determinar los requerimientos de capacitores shunt para los GIA y su influencia sobre la máxima potencia disponible han sido tratados en detalle en numerosas publicaciones. Todos estos trabajos han puesto en evidencia que la principal desventaja del GIA es su pobre regulación de tensión. Como solución, se han presentado diversos esquemas de regulación de tensión con configuraciones de control complejas y con problemas operacionales como armónicos y transitorios de conmutación que vician las grandes ventajas de las máquinas de inducción como fuentes de generación autónomas. En este contexto, la incorporación de capacitores en conexión serie para proveer potencia reactiva adicional, cuando el GIA opera con carga, ha resultado una de las más atractivas opciones para mejorar la regulación del GIA, ya que por el carácter autorregulaste de la compensación serie se logra evitar la necesidad de un regulador de tensión. De otro lado, existen trabajos referidos al análisis transitorio de autoexcitación y desexcitación del GIA, en los cuales la saturación fue incorporada utilizando la inductancia magnetizante expresada en función de la corriente magnetizante; en otros trabajos, se ha propuesto un polinomio que describe la variación de la inversa de la inductancia magnetizante con el flujo concatenado magnetizante. En [31] se desarrolló y verificó experimentalmente un modelo para el análisis de la operación en estado estacionario de un Generador de Inducción Autoexcitado con dos bobinados independientes en el estator (GIADBE), el bobinado de mayor tensión, para conectar los capacitores shunt de excitación y el otro bobinado para alimentar una carga puramente resistiva. Este modelo que consideró las corrientes como variables, fue desarrollado para su aplicación en el diseño de generadores de inducción con doble bobinado en el estator destinados a plantas eólicas, las que tenían previsto entregar potencia a un banco de baterías de 12 o 24 voltios. En estos casos resultaba adecuado utilizar un bobinado independiente de mayor tensión para la conexión de los capacitores de excitación. El GIADBE, al igual que el GIA, presenta la desventaja de la pobre regulación de tensión y la desexcitación con potencias mayores a la potencia máxima. En la presente tesis se ha desarrollado el modelo dinámico del Generador de Inducción Autoexcitado con Doble Bobinado en el Estator (GIADBE), en el cual, uno de los devanados del estator es utilizado para conectar los capacitores shunt para la autoexcitación y en el otro devanado se conecta la carga en serie con capacitores para compensar el efecto desmagnetizante de la carga. El modelo dinámico del GIADBE ha sido desarrollado utilizando un sistema de referencia d-q fijo al estator y los flujos concatenados como variables. De esta manera la saturación del circuito magnético del generador ha sido representada mediante un polinomio que describe la variación de la inversa de la inductancia magnetizante con el flujo concatenado magnetizante de la máquina. A partir de este modelo dinámico, se ha obtenido las ecuaciones para el análisis del proceso de autoexcitación en vacío del GIADBE con un capacitor shunt en el devanado de excitación, asi como la autoexcitación con una carga determinada y un capacitor en serie. Por lo tanto, con estos modelos se muestra el proceso transitorio de autoexcitación del GIADBE impulsado a velocidad constante, en vacío y con una carga determinada, asimismo se han definido las posibles condiciones críticas para la autoexcitación. Utilizando el modelo dinámico se han simulado algunos transitorios de interés en el GIADBE con capacitores shunt en el devanado de excitación y capacitores en serie con la carga. También se ha simulado cambios bruscos de carga, cortocircuitos en la carga y cortocircuito en el capacitor serie. Mediante estas simulaciones se ha mostrado las ventajas de la incorporación del capacitor en serie con la carga. Las ecuaciones algebraicas que representan la operación en estado estacionario han sido obtenidas a partir del modelo dinámico del GIADBE, que considera capacitores shunt en el devanado de excitación y capacitores en serie con la carga. Se ha calculado las características de operación del GIADBE, impulsado a velocidad constante y alimentando cargas resistivas. Los resultados han mostrado el efecto autorregulador del capacitor serie. Finalmente se puede resumir que los capacitores serie se pueden utilizar para mejorar la regulación de tensión e incrementar la capacidad de carga del GIA, logrando evitar la necesidad de un regulador de tensión por el carácter autorregulante de la compensación serie, mostrando un camino para futuros trabajos en el tema.

The induction generator is widely known for its operation in parallel with an electric power system that provides reactive power to create the magnetic field, as has been reported in numerous technical papers published on the subject. However, the concept of the induction machine self-excitation appeared first in 1935, when it was showed that the induction machine can operate autonomously as a generator, if it is driven at a determined speed and it is connected a shunt capacitor for supply the machine the reactive power required to generate some expected voltage. Over the years it has investigated the operation principle, design and control aspects of the self-excited induction generator (SIG). From the eighties, due to the emphasis placed on the use of renewable energy resources, it has become important to develop independent generation sources as a SIG using shunt capacitor and driven by wind turbines, small hydraulic turbines and combustion engines using biogas. In this regard due to their low cost, it does not require an independent source of power for excitation, its robustness and brushless rotor construction, ease of maintenance, self-protection under fault conditions, the conventional SIG has been an important alternative in the isolated generation sources instead of a synchronous generator (alternator conventional). The steady-state analysis to determine the shunt capacitor requirements for the SIA and its influence on the maximum power available have been discussed in detail in numerous publications showing various solution techniques. All these works have shown that the main disadvantage of the SIG is its poor voltage regulation. For this reason it has investigated solutions to improve it and improve its feasibility of implementation as an independent generation source. Among them there have been various voltage regulation schemes with complex control configurations and with operational problems such as harmonics and switching transients which vitiate the great advantages of induction machines as an autonomous generation source. In this context, the addition of capacitors in series connection to provide additional reactive power when the SIG is operating under load, has been one of the most attractive options to improve its regulation, due to the self-regulating character of the series compensation is avoided the need for a voltage regulator. Several studies have shown that with a proper selection of shunt and series capacitors, the voltage regulation and the current capacity of the SIA are improved substantially. On the other hand, there are papers referring to the SIG transient analysis of the self-excitation and de-excitation, in which saturation was incorporated using the magnetizing inductance and other cases, have proposed a polynomial function which describes the variation of the inverse of the magnetizing inductance with the magnetizing flux linkage. In [31] it was developed and verified experimentally a model for the analysis of steady- state operation of a Self-excited Induction Generator with Double Stator Windings (SIGDSW), the higher voltage winding for connecting of the excitation shunt capacitors and the other one for feeding a purely resistive load. The model of this non-conventional Self-excited Induction Generator was developed for use in the design of an induction generator with two independent stator windings for wind farms, which were scheduled to deliver power to a battery bank 12 or 24 volts. In these cases it was appropriate to use a separate higher voltage winding for connection of the shnut capacitor. The SIGDSW as well as the conventional SIG, has the disadvantage of poor regulation of voltage and deexcitation with power greater than maximum power. In this thesis it has developed the dynamic model of Self-excited Induction Generator with Double Stator Winding (SIGDSW), where, one of the stator windings is used to connect the shunt capacitors for the self-excitation, and in the other winding is connected the load with series capacitors to compensate the demagnetizing effect of the load. The SIGDSW dynamic model has been developed using a d-q reference system fixed to the stator and flux linkages as variables. Thus the saturation of the magnetic circuit of the generator has been represented by a polynomial which describes the variation of the inverse of the magnetizing inductance magnetizing with the machine flux linkage. From this dynamic model, it has obtained the equations for the analysis of self-excitation process without load of the SIGDSW, with shunt capacitor in the field winding, as well as the self-excitation with a given load and a capacitor in series. Therefore, with these models it has shown the self-excitation transient process of the SIGDSW driven at constant speed, without load and with known load, also it has been defined potential critical conditions for the self-excitation. Using the dynamic model have also been simulated some interesting transient in the SIGDSW, with shunt capacitor in the field winding and capacitors in series with the load, such as sudden load changes, short-circuits in the load and in the series capacitor. Through these simulations it has shown the advantages of incorporating the capacitor in series with the load. From the general model of the SIGDSW, with shunt capacitors in the field winding and capacitors in series with the load, it has obtained the algebraic equations representing the steady-state operation and calculated operating characteristics, driven at constant speed and feeding resistive loads. The results showed the self-regulatory effect of the series capacitor. Finally it can summarize that the series capacitors can be used to improve voltage regulation and increase the overload capacity of the SIG, which manages to avoid the need for a voltage regulator for self-regulating nature of the compensation series, showing a path for future works on the subject.