DESARROLLO DE UN EMULADOR DE TURBINAS PARA EL ACCIONAMIENTO DE GENERADORES ELÉCTRICOS

Transcripción

1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERÍA INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA DESARROLLO DE UN EMULADOR DE TURBINAS PARA EL ACCIONAMIENTO DE GENERADORES ELÉCTRICOS JAIME ARRIBAS BARBA MADRID, junio de 2006

2 Autorizada la entrega del proyecto al alumno: Jaime Arribas Barba LOS DIRECTORES DEL PROYECTO Juan Luis Zamora Macho Fdo: Fecha: Fidel Fernández Bernal Fdo: Fecha: Vº Bº del Coordinador de Proyectos Tomás Gómez San Román Fdo: Fecha:

3 Resumen iii Resumen Introducción El presente proyecto nace con el objetivo de mejorar y simplificar los ensayos y estudios en el funcionamiento y control de generadores de energía eléctrica, en concreto, se ha trabajado en el modelo de un aerogenerador. Para ello se pretende diseñar y probar un simulador que permita someter a uno de estos generadores a cualquier situación de funcionamiento por medio de un control vectorial que accione un motor asíncrono. Asimismo, se han realizado diferentes ensayos en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI con el objetivo de obtener resultados importados de la realidad. Solución planteada Se ha desarrollado una solución que utiliza la plataforma Simulink del programa Matlab como marco de trabajo. Se han diseñado distintos modelos tales como controles PI y se han integrado en un esquema que utiliza modelos previamente desarrollados como un control vectorial de modulación de ancho de pulso, un motor de inducción, una máquina de continua y un aerogenerador. El modelo del aerogenerador permite simular las condiciones externas reales tales como la velocidad del viento y su ángulo de ataque a los álabes. Este modelo proporciona una velocidad teórica de la turbina eólica que sirve de referencia para que un control vectorial actúe adecuadamente sobre un motor de inducción. El motor asíncrono está acoplado mecánicamente por medio de un eje a una máquina de continua que realiza la función de generador. Por último, este generador descarga la potencia sobre una resistencia de carga. Esquemáticamente, la solución se muestra en la Figura :

4 Resumen iv Ensayos realizados Figura. Esquema simplificado la solución adoptada El presente proyecto continúa el PFC 2004/2005 de César Aguiar de título Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos en donde se planteaba una solución en la que un motor asíncrono es controlado en tensiónfrecuencia V/F. En este proyecto se ha reproducido el experimento final del año anterior utilizando el banco 4 del laboratorio de máquinas eléctricas. Durante el experimento se han capturado las variables más interesantes por medio de la tarjeta de adquisición de datos PCI 6024E y el sistema de tiempo real Real Time Windows Target de Matlab. Igualmente, se ha realizado el acoplamiento de un encoder incremental al eje del banco 4 del laboratorio de máquinas eléctricas, aunque finalmente no se ha utilizado. Por último se ha implantado y validado un algoritmo para la estimación de la velocidad de rotación de un motor de inducción. Utilizando los recursos anteriores de adquisición de datos en tiempo real, se capturaron dos tensiones y dos corrientes debidamente filtradas de un motor para conseguir unos resultados fiables. Resultados En este proyecto se han obtenido resultados interesante al realizar las simulaciones en que se recrea un escenario real donde trabaja un aerogenerador. En ellas se partió de unas condiciones de viento determinadas y se observó el comportamiento que de los diferentes modelos desarrollados.

5 Resumen v A continuación se muestra cómo el motor de inducción se adapta a las condiciones de viento cuando se produce un escalón en su velocidad Figura 2: w ref w sal velocidad (pu) tiempo (s) Figura 2. Evolución de la velocidad del motor asíncrono y la turbina eólica Una de las ventajas de utilizar un control electrónico mediante PWM es la disminución notable de armónicos en las corrientes del motor. En la Figura 3 se observa que el rizado de la intensidad del motor es mínima: intensidad (A) tiempo (s) Figura 3. Ampliación de la corriente de estator del motor de inducción También se obtuvieron resultados satisfactorios al ensayar el algoritmo de estimación de la velocidad. Se ensayó un motor de inducción obligándole a ajustar su velocidad a

6 Resumen vi una cadena de pulsos de periodo ocho segundos. En la Figura 4 se muestran la evolución de la velocidad estimada y medida con una dinamo: Velocidad capturada por la dinamo velocidad (pu) tiempo (s) Velocidad estimada 0.5 velocidad (pu) tiempo (s) Figura 4. Velocidad estimada del motor de inducción Se aprecia que ambas gráficas son muy parecidas aunque el estimador ofrece una señal con más ruido durante los transitorios de velocidad pero en cambio es muy fiable durante el régimen permanente.

7 Summary vii Summary Introduction The objective of the present project is to improve and simplify the tests and studies in the operation and control of electrical generators. A wind turbine generator has been specifically tested. To achieve this purpose, a simulator has been designed and proved in order to test these generators under any situation of operation. In addition, some tests have been carried out in the laboratory of electrical machines of ICAI to obtain results from reality. Solution raised The solution uses the Simulink platform of the program Matlab as work frame. Different models have been designed such as different PI controls and several models which had been previously developed were integrated into a diagram such as a space vector pulse width modulation (SVPWM), an induction motor, a DC machine and a wind turbine. The wind turbine model allows simulating real external conditions such as the wind speed and the blade pitch. This model calculates a theoretical speed which is used as a reference to control the asynchronous motor. This motor is connected to a DC machine that works as a generator. Finally, the power is discharged in an element. The solution is shown in this diagram Figura 5:

8 Summary viii Figura 5. Diagram of the solution Tests The present project continues PFC 2004/2005 of César Aguiar which title was "Emulador de Turbinas para Accionamiento de Generadores Eléctricos" where the solution used an asynchronous motor controlled keeping constant the relation voltagefrequency V/F and driving a DC machine. In the present project, its final experiment has been reproduced using bank 4 of the laboratory of electrical machines. During the experiment, several variables have been acquired using the data acquisition board PCI 6024E and the real time system based on Real Time Windows Target included in Matlab. It has also been made the connection of an incremental encoder to the axis of bank 4 of the laboratory of electrical machines. However, it has not been finally used in the project. Finally, an algorithm has been implanted and validated to estimate the rotor speed of an induction motor. Using the previous real time system, two filtered voltages and currents were acquired to obtain accurate results. Results Some valuable results have been obtained with the simulations of the wind turbine under different situations of operation. In the next figure, it is shown how the induction motor adapts its speed to a step the wind conditions Figura 6:

9 Summary ix w ref w sal velocidad (pu) tiempo (s) Figura 6. Induction motor and wind turbine speed One of the advantages of using an electronic control with PWM is the decrease of the harmonics in the motor currents as it is shown in Figura 7: intensidad (A) tiempo (s) Figura 7. Enlargement of the estator current Some satisfactory results were obtained while testing the algorithm which estimates speed. The asynchronous motor was forced to adapt its speed to a chain of pulses with a

10 Summary x period of eight seconds. In Figura 8 it is shown the estimated rotor speed and the measured speed by a dynamo: Measured speed 0.4 speed (pu) time (s) Estimated speed 0.5 speed (pu) time (s) Figura 8. Speed estimation Both graphics are quite similar but the algorithm signal has some noise when estimating transitory conditions. However, it is reliable in permanent conditions.

11 Índice xi Índice INTRODUCCIÓN Y PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO Prólogo Motivación y estado del arte Objetivos Metodología y recursos DESARROLLO DE LOS MODELOS Emlulador de una turbina por medio de un control Tensión Frecuencia (V/F) Objetivos del PFC Descripción de la solución Descripción de las tecnologías Ordenador Actuador Generador Otras herramientas: Implantación Protocolo de funcionamiento Medidas de seguridad en Laboratorio Listado del equipo necesario Montaje Acoplamiento de un encoder incremental y conexión a la tarjeta Qué es un encoder incremental? Funcionamiento de un encoder Elementos del acoplamiento al eje del encoder Control vectorial Solución adoptada Diseño del control vectorial Diseño de los lazos de corriente Diseño del lazo de velocidad Diseño de los lazos de corriente integrados en el lazo de velocidad Diseño del PWM vectorial, inversor trifásico y motor de inducción Cálculo de la velocidad de deslizamiento y el correspondiente ángulo girado Control de la velocidad de un motor de inducción con un PWM vectorial Simulación completa de un aerogenerador 70

12 Índice xii 2.4 Algoritmo de estimación de la velocidad Concepto y descripción Promedio de la velocidad del rotor Bloque algoritmo de estimación de velocidad Implantación en el laboratorio 76 3 RESULTADOS Introducción Emlulador de una turbina por medio de un control Tensión Frecuencia (V/F) Acoplamiento de un encoder incremental y conexión a la tarjeta Control vectorial Resultados de los lazos de corriente Resultados del lazo de velocidad Resultados de los lazos de corriente dentro del lazo de velocidad Resultados del PWM vectorial (SVPWM) Resultados del control de velocidad utilizando un control vectorial Resultados de la simulación completa de un aerogenerador Golpe de viento Viento escalonado Viento racheado Algoritmo de estimación de velocidad Resultados controlando la velocidad con Simulink Resultados controlando la velocidad con un potenciómetro. 4 4 CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA... 2 A ESQUEMAS DE SIMULACIÓN B CÓDIGO C GLOSARIO... 43

13 Introducción y planteamiento del proyecto xiii Índice de Figuras Figura. Esquema simplificado la solución adoptada...iv Figura 2. Evolución de la velocidad del motor asíncrono y la turbina eólica... v Figura 3. Ampliación de la corriente de estator del motor de inducción... v Figura 4. Velocidad estimada del motor de inducción...vi Figura 5. Diagram of the solution...viii Figura 6. Induction motor and wind turbine speed...ix Figura 7. Enlargement of the estator current...ix Figura 8. Speed estimation... x Figura 9. Esquema simplificado de la generación de energía eléctrica... 2 Figura 0. Evolución de la energía mundial consumida en función del desarrollo de los países y previsión hasta Figura. Esquema simplificado que muestra las sucesivas transformaciones de la energía hasta ser eléctrica... 5 Figura 2. Relación entre la velocidad del viento en m/s y la potencia en W/m Figura 3. Distribución weibull de la velocidad del viento... 7 Figura 4. Componentes principales de un aerogenerador... 8 Figura 5. Evolución de la potencia eólica instalada en España entre 990 y Figura 6. Esquema básico de una instalación de generación eléctrica... 6 Figura 7. Diagrama de bloques simplificado del objetivo a conseguir Figura 8. Secuencia de sustitución de elementos reales por simulados... 2 Figura 9. Diagrama descriptivo de la solución completa adoptada en el simulador del aerogenerador Figura 20. Fotografía del variador V/F Unidrive LV 320 utilizado Figura 2. Fotografía del motor de inducción utilizado Figura 22. Fotografía del motor de continua utilizado Figura 23. Fotografía de la dinamo acoplada al eje y las resistencias de cursor para tomar la medida del par Figura 24. Esquema de simulación y adquisición utilizado Figura 25. Conexionado de la máquina de inducción y conexionado del rotor Figura 26. Variador y resistencia de carga Figura 27. Conexionado de la máquina de continua Figura 28. Panel de control del variador Figura 29. Esquema de conexión para realizar el experimento Figura 30. Discos de un encoder Figura 3. Disco de un encoder y forma de onda entregada... 38

14 Índice de Figuras xiv Figura 32. Placa de características del encoder Figura 33. Acoplamiento utilizado Figura 34. Conector utilizado que lleva las señales del encoder a la placa Figura 35. Casquillo para unir el acoplamiento y el eje Figura 36. Fotografía de la tarjeta Figura 37. Transformaciones de Clarke (abc αβ o DQ) y Park (αβ o DQ dq) utilizadas para el diseño del control vectorial... 4 Figura 38. Diagrama de bloques del lazo de control de corrientes Figura 39. Diagrama de bloques del lazo de control de velocidad Figura 40. Sectores y posibles estados del vector tensión Figura 4. Cálculo del vector tensión según el sector Figura 42. Descomposición del vector intermedio situado en el sector I Figura 43. Inversor trifásico cuyos interruptores se controlan en el PWM vectorial Figura 44. Circuito equivalente de una máquina de inducción en ejes dq Figura 45. Lazo de corrientes del sistema estudiado... 5 Figura 46. Lazo de velocidad del sistema estudiado Figura 47. Evolución de un sistema general Figura 48. Evolución de la velocidad del motor de inducción Figura 49. Evolución de la velocidad filtrada del motor de inducción Figura 50. Curva que muestra la relación entre el flujo del rotor y la velocidad mecánica de rotación... 6 Figura 5. Lazo de velocidad simplificado en el que están integrados los lazos de velocidad Figura 52. Modelo de simulación completo en el que los lazos de corrientes están integrados en el lazo de velocidad Figura 53. Bloque usado en Simulink para la modulación de ancho de pulso vectorial Figura 54. Bloque usado en Simulink para calcular las señales de disparo del inversor Figura 55. Bloque usado en Simulink que simula un inversor trifásico ideal Figura 56. Bloques usados en Simulink que simulan el funcionamiento de un motor de inducción en cuyo eje se ha acoplado una carga resistente Figura 57. Bloque utilizado para calcular el seno y coseno de ángulos Figura 58. Bloques utilizados en Simulink para realizar las transformaciones de Park y Clarke Figura 59. Esquema utilizado en la simulación que representa el control vectorial, un motor de inducción y una carga Figura 60. Algoritmo para calcular el ángulo entre el flujo de rotor y la fase R Figura 6. Esquema simplificado del control de velocidad Figura 62. Esquema simplificado del aerogenerador... 7 Figura 63. Esquema completo de simulación... 7

15 Introducción y planteamiento del proyecto xv Figura 64. Circuito equivalente de una máquina de inducción en ejes dq Figura 65. Bloque algoritmo de estimación de velocidad Figura 66. Filtro RC utilizado para eliminar el ruido Figura 67. Filtro utilizado para eliminar el ruido Figura 68. Evolución de la velocidad del rotor en rpm a lo largo del tiempo... 8 Figura 69. Evolución de la velocidad del rotor en rad/s Figura 70. Evolución de la corriente de la máquina de continua en amperios Figura 7. Evolución de par de la máquina de continua en Nm Figura 72. Detalle del acoplamiento del encoder al eje del motor Figura 73. Montaje completo del acoplamiento del encoder al eje del motor Figura 74. Lazo de corrientes del sistema estudiado Figura 75. Evolución de la intensidad en el lazo de corriente Figura 76. Lazo de velocidad del sistema estudiado Figura 77. Evolución de la velocidad de rotación Figura 78. Modelo de simulación completo en el que los lazos de corrientes están integrados en el lazo de velocidad Figura 79. Evolución de la velocidad y escalón de referencia Figura 80. Evolución de la intensidad de estator en eje d... 9 Figura 8. Evolución de la intensidad de estator en eje q... 9 Figura 82. Evolución de la tensión usd Figura 83. Evolución de la tensión usq Figura 84. Esquema utilizado en la simulación que representa el control vectorial, un motor de inducción y una carga Figura 85. Alimentación al motor de inducción Figura 86. Ampliación de la alimentación al motor de inducción Figura 87. Espectro en frecuencia de la alimentación del motor de inducción Figura 88. Esquema simplificado del control de velocidad Figura 89. Evolución de la velocidad del motor de inducción Figura 90. Evolución de la intensidad isd Figura 9. Ampliación de la intensidad isd Figura 92. Evolución de la intensidad isq y ampliación de la misma Figura 93. Ampliación de la intensidad isq Figura 94. Evolución de la intensidad de estator isr Figura 95. Detalle de la evolución de la intensidad de estator isr Figura 96. Esquema completo de simulación Figura 97. Escalón de viento... 0 Figura 98. Evolución de la velocidad de rotación de la turbina... 0 Figura 99. Evolución de la velocidad de rotación de la turbina y del motor de inducción... 02

16 Índice de Figuras xvi Figura 00. Evolución de la corriente isd a lo largo del tiempo Figura 0. Evolución de la corriente isq a lo largo del tiempo Figura 02. Evolución de la corriente del estator del motor de inducción Figura 03. Ampliación de la corriente de estator del motor Figura 04. Tensión de alimentación al motor de inducción Figura 05. Ampliación de la tensión de alimentación del motor Figura 06. Potencia entregada por el generador Figura 07. Sucesión de escalones de viento Figura 08. Evolución de la velocidad de la turbina eólica ante viento escalonado Figura 09. Evolución de la velocidad de la turbina eólica y del motor Figura 0. Viento racheado Figura. Evolución de la velocidad de la turbina eólica ante viento racheado Figura 2. Evolución de la velocidad de la turbina eólica y del motor de inducción Figura 3. Tensiones filtradas VSrs y VSst... 0 Figura 4. Corrientes filtradas isr e iss... Figura 5. Ampliación de las tensiones filtradas VSrs y VSst... Figura 6. Ampliación de las corrientes filtradas isr e iss... 2 Figura 7. Velocidad capturada por la dinamo y estimada... 2 Figura 8. Error de la velociad estimada... 3 Figura 9. Velocidad medida y estimada... 4 Figura 20. Error en la medida... 5

17 Índice de Tablas xvii Índice de Tablas Tabla. Componentes principales de un aerogenerador y funcionamiento Tabla 2. Ventajas de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías convencionales... 0 Tabla 3. Inconvenientes de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías.. Tabla 4. Clasificación de los aerogeneradores en función de la potencia e imágenes Tabla 5. Características del variador V/F Tabla 6. Características de la máquina de inducción Tabla 7. Características de la máquina de continua... 27

18

19 Introducción y planteamiento del proyecto

20 Introducción y planteamiento del proyecto 2 Introducción y planteamiento del proyecto. Prólogo El presente proyecto nace de la idea de mejorar y simplificar los estudios en el funcionamiento y control de generadores de energía eléctrica. Para ello se pretende completar el proyecto fin de carrera de César Aguiar del año 2005 y desarrollar nuevos conceptos. Normalmente, cuando se precisa realizar estudios o ensayos en plantas de generación, se suelen utilizar las propias instalaciones o se estudian y prueban por separado el funcionamiento de dichos generadores, lo cual puede obligar a detener la producción de energía eléctrica durante varios días con la consecuente penalización económica. El proyecto plantea el desarrollo de un simulador que permita someter al generador, en laboratorio, a las mismas condiciones que tendría en caso de estar en uno de sus escenarios de generación típicos. En el caso que concierne a este proyecto se propone la simulación de una turbina en un aerogenerador. Para ello se ha utilizado un modelo dinámico de la turbina, que programado y controlado por un ordenador permite recrear las condiciones a las que se enfrentaría de estar funcionando en un parque eólico real. El modelo típico de una instalación de energía eléctrica que usen generadores eléctricos (todos excepto la energía fotovoltaica) responde de manera simplificada al esquema mostrado en la Figura 9: Figura 9. Esquema simplificado de la generación de energía eléctrica.

21 Introducción y planteamiento del proyecto 3 En materia de generadores eólicos, la velocidad de rotación de las palas de un aerogenerador depende de dos variables fundamentales: la velocidad del viento y el ángulo de ataque de los álabes (en inglés Pitch angle). Se dispondrá de un control cuya función será calcular las referencias necesarias para que un actuador simule físicamente el funcionamiento de la turbina eólica. Finalmente, accionará mecánicamente un generador eléctrico por medio de un eje. Inicialmente se pensó en utilizar variador tensión-frecuencia (V/F) modificado para que trabajase con un control vectorial, pero esta opción tuvo que ser desechada ya que dicho variador se averió desafortunadamente. Originariamente, este variador excitaría un motor asíncrono controlado por medio de un sistema en lazo cerrado con varios controles proporcionales integrales (control PI). Tal y como ocurre en un parque real, si la carga varía con el tiempo, el sistema se debe regular automáticamente para adaptarse a los cambios que puedan darse en las condiciones externas. De este modo incrementará o disminuirá la potencia entregada al generador hasta conseguir en un tiempo razonablemente corto un régimen estable. Todo el desarrollo e implantación se ha realizado utilizando un banco de máquinas eléctricas en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI. También se ha requerido un ordenador con una tarjeta de adquisición de datos para gobernar el sistema en tiempo real y en un principio un actuador V/F modificado como ya se ha comentado. En los capítulos siguientes se irán comentando cada una de las partes que se han desarrollado en esta breve introducción con más detalle, así como la justificación de cada una de las soluciones adoptadas. Se incluye asimismo un glosario para facilitar la comprensión de cada uno de los capítulos y una recopilación de los esquemas de simulación utilizados.

22 Introducción y planteamiento del proyecto 4.2 Motivación y estado del arte Durante el transcurso de la historia, el hombre ha utilizado diversos tipos de energía para desarrollar sus actividades: hidráulica, mecánica, térmica, etc. Pronto se percató de las limitaciones de esto tipo de energías, su transporte era una tarea casi imposible y en el mejor de los casos ineficiente. Por esto, cuando se empezó a utilizar la energía eléctrica, su expansión hasta nuestros días ha sido vertiginosa. El consumo de energía eléctrica crece cada año en el mundo como se muestra en la Figura 0. Los países desarrollados demandan cada vez más energía para todo tipo de actividades por lo que la humanidad debe usarla con más eficiencia. Por otra parte, hay que ser consciente de que el mundo en vías de desarrollo necesita más energía para afrontar sus necesidades más acuciantes. El reto con que se enfrenta la humanidad es satisfacer la creciente demanda de energía y, al mismo tiempo, afrontar la amenaza igualmente urgente del cambio climático. Figura 0. Evolución de la energía mundial consumida en función del desarrollo de los países y previsión hasta El éxito de esta energía se debe a una serie de ventajas que a continuación se citan: Facilidad de transporte: es relativamente sencillo conducir la electricidad por medio de líneas eléctricas desde los centros de generación a centros de consumo, pudiendo estar separados por miles de kilómetros.

23 Introducción y planteamiento del proyecto 5 Reducción de pérdidas: las pérdidas en el transporte son pequeñas si las comparamos con otras formas de energía. Limpia: en los centros de consumo, su huella es inapreciable, aunque no podemos decir lo mismo de las plantas de generación. Hasta hace unas décadas, las únicas fuentes que utilizó el ser humano para producir energía eléctrica fueron el petróleo, el carbón y el gas. Estos combustibles primarios son limitados y generan una contaminación que a la larga puede provocar el cambio climático, o al menos acelerarlo. Las economías actuales tienen una gran dependencia de la electricidad de modo que es inconcebible la sociedad individual sin consumo de energía eléctrica. Es tal su importancia que el consumo de energía se ha convertido en un indicador indiscutible del nivel de desarrollo de un país. El modo en que se produce energía eléctrica es básicamente el mismo para todas las tecnologías excepto la fotovoltaica. Se convierte una energía natural como un salto de agua o un combustible en energía mecánica lineal, ésta en una energía mecánica rotativa por medio de una turbina, y finalmente se transforma en energía eléctrica en generadores síncronos o asíncronos. Un esquema simplificado se muestra en la Figura. Figura. Esquema simplificado que muestra las sucesivas transformaciones de la energía hasta ser eléctrica Así, en una central térmica ya sea nuclear o convencional se produce un intercambio de energía térmica en las calderas y posteriormente cinética en las turbinas. En una central hidroeléctrica es la energía cinética del agua la que al impactar sobre los álabes de la turbina genera el par necesario para generar electricidad. En el caso de los aerogeneradores utilizan la fuerza del viento para mover las palas del molino.

24 Introducción y planteamiento del proyecto 6 El creciente consumo de energía en la sociedad obliga a desarrollar nuevas tecnologías para hacer frente a la demanda. En los últimos años, las tecnologías llamadas renovables han experimentado un gran impulso principalmente por la conciencia ecológica de las sociedades y las primas otorgadas por el gobierno. En el caso que nos ocupa, la instalación a estudiar será un generador eólico que intercambia energía cinética entre el viento y la turbina eólica. De este modo el generador dispondrá de una energía mecánica de rotación para producir electricidad. La tecnología usada en la práctica se detallará a continuación. La energía eólica es aprovechada básicamente por un sistema de un rotor que gira a medida que le atraviesa el viento. A continuación se expondrán a grandes rasgos una serie de parámetros acerca de la tecnología necesaria para entender la generación eólica. Un aerogenerador aprovecha la potencia del viento, que depende principalmente de tres factores:. Área barrida por el viento (A) [m] 2. Densidad del aire seco (ρ) =.225 [kg/m 3 ] (kilogramos por metro cúbico, a la presión atmosférica promedio a nivel del mar y a 5 C). 3. Velocidad del viento (V_viento) [m/s] La potencia teórica que puede utilizar un generador eólico es la que se muestra en la siguiente ecuación. P ρ 2 3 = AV () La velocidad del viento es un factor muy importante para la cantidad de energía que un aerogenerador puede transformar en electricidad: el total de energía que posee el viento varía con el cubo de la velocidad media del viento. Así, si la velocidad del viento se duplica la cantidad de energía que contenga será 2 3 = 2 x 2 x 2 = ocho veces mayor. A continuación se muestra una gráfica donde se observa como varía la potencia entregada a la turbina con la velocidad media del viento Figura 2:

25 Introducción y planteamiento del proyecto 7 Figura 2. Relación entre la velocidad del viento en m/s y la potencia en W/m2 Resulta obvio que el viento no siempre se mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull como la que muestra la Figura 3. Figura 3. Distribución weibull de la velocidad del viento Por esta razón será necesario un sistema que regule la potencia entregada por el viento, de modo que según las necesidades del momento se modifiquen variables como el ángulo de ataque o la orientación del molino para aumentar o disminuir la energía intercambiada. Desafortunadamente, no toda la potencia del viento puede ser capturada por un aerogenerador sino sólo una fracción que viene dada por el factor Cp, llamado coeficiente de potencia. Este coeficiente de potencia tiene un valor máximo teórico de

26 Introducción y planteamiento del proyecto 8 59,3% denominado límite de Betz. Por lo tanto este coeficiente de potencia indica con qué eficiencia el aerogenerador convierte la energía del viento. Los primeros aerogeneradores tenían rendimientos del 0%, pero los más modernos utilizan sistemas de control de manera que operan siempre con la máxima eficiencia aerodinámica alcanzando valores de rendimiento próximos al 50%. El número de palas utilizado normalmente suele ser de tres. Idealmente, se obtendría mayor rendimiento cuanto menor número de palas, por lo que un aerogenerador de una sola pala sería el más adecuado, sin embargo, su par de arranque sería muy pobre. Si se aumenta el número de álabes, la estela que deja una pala es recogida por la pala siguiente, lo que hace que ésta se frene. De esta manera, se adopta una solución óptima de rotor de 3 palas. En la siguiente tabla se describirán brevemente los componentes fundamentales de un aerogenerador real como el de la Figura 4 sin entrar en detalle: Figura 4. Componentes principales de un aerogenerador. Góndola Contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede acceder a la góndola desde la torre de la turbina Palas rotor del Capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. Cada pala puede medir más de 20 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión

27 Introducción y planteamiento del proyecto 9 Buje El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador Eje de baja velocidad Conecta el buje del rotor al multiplicador. El rotor gira normalmente muy lento, de unas 5 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.) Multiplicador Permite que el eje de alta velocidad que está aguas abajo gire unas 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad Eje de alta velocidad Gira aproximadamente a.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento de un generador eléctrico de dos pares de polos Generador eléctrico Suele ser un generador asíncrono. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y.500 Kw Controlador electrónico Ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación Unidad refrigeración de Contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico Torre Soporta la góndola y el rotor. Es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Suele alcanzar una altura de 40 a 60 metros Mecanismo de orientación Está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta Anemómetro y veleta Las señales electrónicas del anemómetro son para conectar el aerogenerador cuando el viento alcanza 5 m/s. y desconectarlo si excede de 25 m/s Tabla. Componentes principales de un aerogenerador y funcionamiento.

28 Introducción y planteamiento del proyecto 0 La tecnología eólica se ha desarrollado en los últimos años a pasos agigantados gracias a las primas que recibe de los gobiernos y a una serie de ventajas frente a otra serie de fuentes energéticas convencionales. A continuación se enumeraran esas ventajas y los inconvenientes de la utilización del viento como energía primaria. Ventajas Procede indirectamente del sol, que calienta el aire y ocasiona el viento. Se renueva de forma continua. Es inagotable. Los recursos energéticos basados en fuentes renovables como la energía eólica son potencialmente ilimitados. Es limpia. No contamina. La generación de electricidad a partir del viento no produce gases tóxicos, no contribuye al efecto invernadero, ni a la lluvia ácida. Cada Kw.h de electricidad, generada por energía eólica en lugar de carbón, evita la emisión de un Kilogramo de dióxido de carbono, CO 2, a la atmósfera. No origina productos secundarios peligrosos ni residuos contaminantes. Es autóctona y universal. Existe en todo el mundo. Cada vez es más barata conforme avanza la tecnología. Permite el desarrollo sin expoliar la naturaleza. Las instalaciones son fácilmente reversibles. No deja huella. Tabla 2. Ventajas de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías convencionales

29 Introducción y planteamiento del proyecto Inconvenientes La fuerza del viento es poco previsible e intermitente. Las fechas con mayor consumo energético (días de mucho calor o intenso frío) suele coincidir con la ausencia de viento por lo que se requieren energías alternativas que cubran la demanda. Sus limitaciones técnicas hacen de esta tecnología una fuente de generación eléctrica carente de fiabilidad para operar como base en un sistema de generación. Los sistemas de generación, requieren la utilización de grandes superficies de terreno, al que de uno u otro modo afectan tanto funcional como visualmente. Los vientos de mejor calidad energética (mayor potencia y menor variación) están por regla general alejados de la superficie, lo cual obliga a desarrollar torres de gran altura con palas de grandes diámetros. Tabla 3. Inconvenientes de la utilización de la energía eólica con respecto a otras tecnologías. Debido al gran auge experimentado en las energías renovables cada vez es más frecuente el estudio y desarrollo de sus tecnologías. El estudio de las estrategias de control se hace cada vez más importante a la hora de mejorar el funcionamiento de las turbinas para hacer frente a problemas como el encendido o apagado, conexión o desacoplo, etc. Este proyecto pretende resolver el problema del estudio en laboratorio de los generadores, emulando en un entorno virtual la instalación que permite adquirir de una u otra manera energía transformándola en energía cinética que utilice el generador. La idea es conseguir montar el generador de energía eléctrica en un laboratorio sin necesidad de disponer del resto de la instalación. De esta forma será un generador el que simule el entorno restante para poder en un futuro realizar pruebas en dichos generadores en condiciones en las que de otra forma sería difícil de realizar.

30 Introducción y planteamiento del proyecto 2 El proyecto se centra en generadores eólicos aunque es sencillo caer en la cuenta de que si se consigue simular dicho entorno, el resto de entornos de generación, ya sea turbinas utilizadas en generadores hidráulicos o térmicos, serían relativamente sencillos de conseguir. El desarrollo tecnológico sobre esta materia es continuo, y como dato de ello es el constante incremento de la potencia producida gracias a la energía del viento a lo largo de los últimos años en la Figura 5 se muestra la evolución de la potencia eólica instalada en España hasta el año Se prevé que la siga aumentando su importancia según pasan los años. Figura 5. Evolución de la potencia eólica instalada en España entre 990 y 2004 Por último, se va a presentar una clasificación de las diferentes tecnologías existentes en la actualidad en función de la potencia desarrollada. En ella se expondrán brevemente sus características más relevantes.

31 Introducción y planteamiento del proyecto 3 Pequeña potencia P <= 0 kw Superficie captación menor de 40m 2 Diámetro de rotor inferior a 7m Potencia unitaria inferior a 0kW Generador de imanes permanentes Media potencia 0<P<=500kW Área barrida entre 40 y 250m Diámetro de rotor entre 7 y 40m Potencia de 0 a 500 kw (0 3m/s) Altura del buje entre 2 y 50 m Principalmente horizontal y tripala Gran potencia P > 500kW Área barrida entre 250 y 0200m Diámetro del rotor entre 40 y 2 m Pot de 500 a 5000 kw (0 3m/s) Altura del buje entre 50 y 24m Principalmente y tripala Tabla 4. Clasificación de los aerogeneradores en función de la potencia e imágenes. Antes de concluir esta sección es necesario comentar que los aerogeneradores suelen ser de ejes horizontales aunque también existen de eje vertical. La potencia de estos últimos es menor pero tienen la ventaja de que no es necesario un sistema de orientación hacia el viento.

32 Introducción y planteamiento del proyecto 4.3 Objetivos Inicialmente se propuso realizar un proyecto fin de carrera con los siguientes objetivos: Leer, estudiar y comprender el PFC 2004/2005 de César Aguiar titulado Emulador de turbinas para accionamiento de generadores eléctricos. Reproducción del experimento realizado por César en la última etapa de su proyecto y obtener los resultados pertinentes en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI. Diseño del control vectorial para gobernar un motor de inducción que hará las veces de actuador del sistema. En esta tarea se incluye elegir las estrategias a seguir, diseñar los distintos controles PI y conseguir que el conjunto funcione de acuerdo con la realidad. Acoplamiento de un encoder incremental al eje de las máquinas eléctricas utilizadas. Además se deberá escribir un programa para obtener la velocidad de rotación del eje por medio del encoder. Implantación del sistema desarrollado por ordenador en el banco de máquinas eléctricas del laboratorio y obtener las medidas y conclusiones importantes para el proyecto. Esta tarea es la principal a realizar en el proyecto y la que más esfuerzo requiere. Este proyecto necesita un variador V/F modificado por un compañero que realiza su proyecto paralelamente. Debido a causas externas a este proyecto, este variador V/F modificado ha sufrido una avería por lo que no ha sido posible utilizarlo en la realización del proyecto. Por esta razón se han modificado alguno de los objetivos por lo que los objetivos del proyecto serán finalmente los siguientes: Leer, estudiar y comprender el PFC 2004/2005 de César Aguiar titulado Emulador de turbinas para accionamiento de generadores eléctricos.

33 Introducción y planteamiento del proyecto 5 Reproducción del experimento realizado por César en la última etapa de su proyecto y obtener los resultados pertinentes en el laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI. Diseño del control vectorial para gobernar un motor de inducción que hará las veces de actuador del sistema. En esta tarea se incluye elegir las estrategias a seguir, diseñar los distintos controles PI y conseguir que el conjunto funcione de acuerdo con la realidad. Acoplamiento de un encoder incremental al eje de las máquinas eléctricas utilizadas. Esta tarea incluye la conexión del encoder a una tarjeta informática realizada en ICAI. Implantación de un algoritmo que estima la velocidad de rotación en el banco de máquinas eléctricas, comprobando su validez con una dinamo tacométrica. El encoder no se ha podido utilizar por problemas ajenos a este proyecto.

34 Introducción y planteamiento del proyecto 6.4 Metodología y recursos Para centrar las ideas acerca de lo que pretende este proyecto, se muestra a continuación un esquema básico de un aerogenerador real, Figura 6. Viento Energía mecánica Energía eléctrica Figura 6. Esquema básico de una instalación de generación eléctrica La solución contemplada sustituye la instalación comprendida entre los álabes donde se ataca el viento hasta el eje donde se acopla el generador eléctrico por un modelo dinámico y un actuador controlado en lazo cerrado. De este modo se podrán realizar ensayos y pruebas sin necesidad de acudir físicamente al emplazamiento donde se encuentra el parque eólico. En el proyecto se abarcan distintos objetivos que se detallarán más adelante, aunque a continuación se enumerarán rápidamente los recursos más importantes: Un motor eléctrico asíncrono que se utilizará como accionamiento que simula el comportamiento de la turbina eólica. Un motor eléctrico de continua que se utilizará como generador dependiendo del escenario en el que se sitúe la simulación. El programa Matlab 7.0. y la plataforma Simulink donde se desarrollarán los diferentes modelos, así como el control vectorial y los diferentes controles PI.

35 Introducción y planteamiento del proyecto 7 Variador tensión-frecuencia. Tarjeta de adquisición de datos PCI 6024E. Encoder incremetal. Modelo dinámico del aerogenerador para su uso como estimador de la referencia de velocidad, siendo la velocidad del viento y el ángulo de ataque de los álabes los datos de entrada. Resto de modelos para su uso en la consecución de controles, pruebas anteriores a la implantación, algoritmos, etc. Para comprender los siguientes capítulos se comentarán ahora los pasos que se deben seguir para llegar al principal objetivo, un control vectorial con modulación de ancho de pulso. La emulación de la turbina eólica se realizará siguiendo el siguiente esquema y como ayuda a la comprensión se muestra la Figura 7: º Modelado del comportamiento de la turbina eólica de manera que al ordenador se introduzca la velocidad del viento y la posición de los álabes del generador eólico, de modo que el modelo entregue una referencia de velocidad al resto del sistema. 2º Diseño de un control vectorial, que incluye los diferentes controles PI y la integración de la modulación de ancho de pulso vectorial (SVPWM). 3º El control anterior entrega unas tensiones al motor de inducción que hace las veces de actuador. El motor gira a una velocidad determinada dependiendo de la alimentación y genera un par mecánico que se transmite al generador. 4ª Un generador, en este caso una máquina de continua, alimenta una carga variable, que modifica el par resistente de la instalación.

36 Introducción y planteamiento del proyecto 8 Figura 7. Diagrama de bloques simplificado del objetivo a conseguir.

37 2 Desarrollo de los modelos

38 2 Desarrollo de los modelos 20 2 Desarrollo de los modelos 2. Emlulador de una turbina por medio de un control Tensión Frecuencia (V/F) Este apartado pretende aclarar las ideas sobre los objetivos del proyecto desarrollado por César Aguiar y detallar cada una de las partes que componen una instalación de generación eólica, así como las soluciones adoptadas para simular el entorno virtual. 2.. Objetivos del PFC 2005 Los objetivos principales del proyecto Emulador de Turbinas para Accionamientos de Generadores Eléctricos fueron los siguientes: Simulación del entorno en que se encuentran diferentes tipos de turbinas para la generación eléctrica, centrándose especialmente en turbinas eólicas. Estudio de las posibilidades del laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI para conseguir un banco de pruebas, prototipo. Diseño de modelos y controles necesarios (control PI ) Adecuación del material, implantación y pruebas sobre el prototipo. Este segundo capítulo sólo tiene como objeto mostrar cómo quedaría un capítulo adicional Descripción de la solución A continuación se expondrán brevemente el camino que se siguió en el PFC 2005/2006.

39 2 Desarrollo de los modelos 2 Figura 8. Secuencia de sustitución de elementos reales por simulados Atendiendo al esquema que se presenta en la se reconocen tres zonas diferenciadas que se abordan seguidamente. ZONA Aerogenerador real que se pretende emular ZONA 2 Solución adoptada ZONA 3 Elementos físicos de la implantación Este apartado pretende mostrar cómo se resolvió el problema de emular una turbina eólica con los recursos de que se disponen. Para ello se utilizó el laboratorio

40 2 Desarrollo de los modelos 22 de máquinas eléctricas de ICAI para recrear el entorno en que se encuentra un aerogenerador. Se pensó un modelo para simular las condiciones externas a las que se enfrenta un generador eólico. El modelo tiene dos variables de entrada que es necesario fijar: velocidad del viento (V_viento) y el ángulo de ataque del viento sobre las palas del molino (Pitch angle). Con estos datos el modelo elabora una velocidad rotativa de referencia que es la que el actuador debe seguir. La velocidad calculada se introduce en un variador tensión-frecuencia que automáticamente genera las tensiones adecuadas. Se pensó en utilizar un motor de inducción que, a modo de actuador, seguirá la referencia de velocidad. Este motor está conectado al variador del cual recibe las tensiones generadas por éste. De esta manera el eje del motor debe girar a la velocidad deseada y arrastra un generador eléctrico que está acoplado mecánicamente por medio del propio eje. El generador eléctrico será en este caso una máquina de continua que a su vez descargará la energía sobre una carga que será básicamente una serie de resistencias regulables. De esta instalación se necesitan valores medidos directamente: la velocidad y el par en el eje. Para obtenerlos se procederá del siguiente modo: La velocidad se capturará por medio de una dinamo tacométrica. Esta pequeña máquina acoplada al eje de rotación común proporciona una tensión entre sus bornas proporcional a la velocidad de giro. Será necesario por lo tanto hallar la constante adecuada para introducirla en el modelo. Para calcular el par se medirá la intensidad que entrega la máquina de continua a la carga y con las constantes adecuadas se introduce también en el modelo.

41 2 Desarrollo de los modelos 23 Por último es necesario decir que estas dos señales se introducen por medio de una tarjeta de adquisición de datos Descripción de las tecnologías Una vez se han planteado y abordado los objetivos que se persiguen, es el momento de describir las tecnologías y máquinas utilizadas para la realización de este apartado del proyecto. Figura 9. Diagrama descriptivo de la solución completa adoptada en el simulador del aerogenerador. En este esquema de la Figura 9 se aprecia que el simulador se compone de tres grandes bloques principales: Ordenador: se diseñaron y programaron los modelos del aerogenerador, los controles y las señales de entrada y de salida. Actuador: formado por un variador tensión-frecuencia y un motor de inducción. Generador: compuesto por una máquina de continua y una serie de resistencias que hacen la función de una carga. Además se necesitan otras herramientas para el correcto funcionamiento de la instalación como los sensores de velocidad angular y de intensidad (para capturar el par) y la tarjeta de adquisición de datos. A continuación se detallan cada una de las partes anteriores:

42 2 Desarrollo de los modelos Ordenador Se ha utilizado como plataforma de desarrollo tanto de los modelos dinámicos necesarios para el funcionamiento del simulador como para los modelos dinámicos para realizar los experimentos en el banco del laboratorio. Para ello se ha utilizado la plataforma Simulink incluida en el programa Matlab, en concreto la versión Asimismo se emplea el entorno de adquisición de datos en tiempo real Real Time Windows Target (RTWT). Seguidamente se describirán brevemente los diferentes modelos usados para la implantación: Aerogenerador: Es un modelo dinámico ya construido por uno de los directores de proyecto que relaciona la velocidad del viento (Vviento), el ángulo de ataque de las palas del rotor (βpitch) y el par eléctrico resistente (Tr). La velocidad obtenida del modelo se entrega a un multiplicador que hace las veces de caja de engranajes multiplicadores que será la que sirva de referencia para el actuador Control PI con anitiwindup: Se trata de un regulador para el control en lazo cerrado de la máquina asíncrona. El diseño se ha realizado atendiendo exclusivamente a criterios de sobrepaso y error en régimen permanente. Para ello se incluido una acción integral para conseguir error nulo y un sobrepaso máximo del 20% como respuesta a un escalón en la referencia Actuador Físicamente, el actuador está compuesto por dos elementos fundamentales: Variador V/F: El variador universal Unidrive es un dispositivo que permite el control de motores de inducción y servomotores en lazo abierto y cerrado.

43 2 Desarrollo de los modelos 25 El variador de que se dispone en el laboratorio es el modelo Unidrive LV 320 cuyas características se muestran el la Tabla 5. Tensión nominal Intensidad máxima Potencia máxima Frecuencia de conmutación 220 V 34 A (52 de pico) 7.5 kw 3,4,5,6,9,2 khz Protección de temperatura, sobrecorriente, sobretensión en el bus de continua, mínima tensión de entrada. Control desde panel en variador o desde panel remoto, programación desde panel de variador y desde PC. Tabla 5. Características del variador V/F. A continuación se muestra una imagen del citado variador, Figura 20. Figura 20. Fotografía del variador V/F Unidrive LV 320 utilizado Máquina asíncrona Se ha utilizado un motor trifásico montado en el banco cuatro del laboratorio de máquinas eléctricas de ICAI. La placa de características de la máquina es la siguiente, Tabla 6:

44 2 Desarrollo de los modelos 26 Tipo de máquina Conexión Tensión Corriente Potencia Velocidad Trifásica Estrella / Triángulo 380 / 220 V 5 / 26 A 9 C.V. 450 rpm Tabla 6. Características de la máquina de inducción. La máquina se ha excitado siempre en zona de flujo nominal y controlado con el variador V/F, que a su vez se ha controlado por el regulador desarrollado para entregar al sistema la velocidad ω r. El motor utilizado es el que se muestra en la siguiente imagen, Figura 2. Figura 2. Fotografía del motor de inducción utilizado Generador En este apartado se detalla todo lo asociado al banco excepto el actuador.

45 2 Desarrollo de los modelos Motor de continua: Se ha utilizado un motor de continua montado en el banco cuatro del laboratorio que está acoplado mecánicamente por medio de un eje al motor de inducción anteriormente descrito. La placa de características incluye lo siguiente, Tabla 7: Tipo de máquina Conexión Tensión Corriente Potencia Velocidad Continua Derivación 220 V 8 A 4 kw 500 rpm Tabla 7. Características de la máquina de continua. Este motor alimenta una carga que se ha implementado por medio de una resistencia variable y regulable, es decir, permite elegir entre varios valores de potencia consumida por la carga y genera un par resistente eléctrico. El motor utilizado es el que se muestra en la siguiente imagen, Figura 22. Figura 22. Fotografía del motor de continua utilizado

46 2 Desarrollo de los modelos Otras herramientas: Sensor de medida de velocidad angular: Se ha utilizado un sensor dinanométrico acoplado al eje del banco cuatro que entrega una tensión proporcional a la velocidad de rotación del eje. En su placa de características se observa que genera 5 V a 000 rpm. Esta relación será relativamente fiable aunque se procederá a realizar una calibración Sensor de medida de par: Se ha utilizado la medida de la intensidad entregada a la carga por el generador. La justificación radica en que en la máquina de continua el par es proporcional a dicha corriente. El modo de proceder ha sido integrando una resistencia en serie con el circuito de la máquina de continua y midiendo la tensión que cae en dicha resistencia. De esta manera, y por medio de las ganancias adecuadas se ha conseguido una medida del par. A continuación se muestra una imagen de la citada dinamo acoplada al eje del banco de máquinas eléctricas y las resistencias conectadas para la medida del par, Figura 23. Figura 23. Fotografía de la dinamo acoplada al eje y las resistencias de cursor para tomar la medida del par Tarjeta de adquisición de datos: La tarjeta empleada es PCI 6024E. Esta tarjeta está integrada en la placa del ordenador permite enviar la señales capturadas al software del ordenador.

47 2 Desarrollo de los modelos Implantación En la implantación se usa, como ya se ha explicado, los modelos que simulan el aerogenerador y el control PI junto con las propias máquinas del laboratorio. Para la realización de este apartado se ha usado la idea expuesta en el capítulo.4 con los modelos concretos. El esquema que se ha implantado es el siguiente Figura 24: 0 Constant pitch velocidad (rpm) w_nominal_turbina Reductora 63 /n_rpm w_nominal_turbina_rpm ref Constant3 0 Constant Retardo v iento (m/s) Tem Par_resis Par_eol Turbina eólica + Transmisión mecánica (referida al eje del generador) Comparación Par Analog Input wr Paso a rad/seg 500/5 /n_rpm /(50*pi) sal man_sat Control PID analógico con antiwindup Analog Output mando National Instruments PCI-6024E [auto] mando vel_viento National Instruments PCI-6024E [auto] vel vel_rpm vel_rad_s Analog Input /(500*2*pi/60) 900 Tensión_resistencia National Instruments PCI-6024E [auto] ganancia sonda A-Nm V-A par_nm Clock tiempo Tension_i int_a Figura 24. Esquema de simulación y adquisición utilizado En el esquema se pueden observar las diferentes partes anteriormente comentadas. Por una parte el modelo del aerogenerador en el que dependiendo las condiciones del viento y la inclinación de los álabes se produce un par el eje y una velocidad de referencia. La velocidad de referencia del aerogenerador se obtiene aguas arriba del generador por lo que es necesario transformarla para adecuarla a la velocidad nominal del generador. Para ello se usa una ganancia que hace las veces de caja multiplicadora. Seguidamente se compara la velocidad de referencia y la real en un control PI cuyo resultado es el mando a aplicar al variador.

48 2 Desarrollo de los modelos 30 Paralelamente, y al mismo tiempo, se recogen las señales necesarias por medio de la tarjeta de adquisición de datos. Así se obtienen dos tensiones, que transformadas debidamente mediante ganancias, dan lugar al par resistente de la carga y la velocidad de rotación del generador. Una vez se ha instalado y probado todo el sistema, se ha conseguido un simulador que acciona una máquina eléctrica. Además del objetivo de este apartado que no era sino simular un aerogenerador para accionar un generador eléctrico en situaciones propias de su escenario industrial, ahora se puede concluir que el sistema desarrollado tiene múltiples aplicaciones tanto en el campo de la simulación de este tipo de instalaciones u otras de generación eléctrica como en otros campos de la industria donde se desee someter una máquina eléctrica a unas condiciones de trabajo determinadas Protocolo de funcionamiento Este apartado pretende ser un breve guía para la puesta en marcha del simulador, por un usuario que desee realizar pruebas al generador eléctrico sin tener que invertir demasiado tiempo en la tecnología que está usando: el simulador. Para ello se van a explicar, primero las medidas de seguridad en el laboratorio, y segundo la puesta en marcha del sistema Medidas de seguridad en Laboratorio. En el laboratorio de máquinas eléctricas del ICAI hay muchas instalaciones para su uso en proyectos ó prácticas de la universidad que trabajan con tensiones senoidales (220 V de tensión senoidal) y de tensiones continuas. Se hace esta distinción desde el principio porque hay que resaltar el aumento de peligrosidad que tienen este tipo de tensiones y corrientes para el ser humano debido a su capacidad de realizar electrólisis en la sangre. Una vez dicho esto y como norma general se toman siempre las siguientes precauciones: º. Siempre tener cuidado con lo que se hace, sin pensar que una protección puede socorrernos en caso de accidente.

49 2 Desarrollo de los modelos 3 2º Utilizar guantes aislantes para realizar cualquier labor en el laboratorio. 3º Nunca manipular ninguno de los aparatos eléctricos allí presentes sin protección y sin saber en cada momento en que estado se encuentran los circuitos (on/off) 4º Y último, quizá el más importante: tener siempre sentido común. Una vez dicho esto pasamos a describir el equipo utilizado en el simulador y su posterior montaje Listado del equipo necesario. El banco 4 del laboratorio de máquinas eléctricas, compuesto por: - Una bancada de encendido y apagado. - Un motor asíncrono de 220/380 V - Un motor de continua de 220/380 V Un ordenador de control que consta de: - Un ordenador con la plataforma de control instalada. - Un sistema de adquisición de datos en tiempo real (RTWT) - Un variador de frecuencia V/F Además se usan - Una dinamo. - Una resistencia de excitación del estator de la máquina de continua. - Una resistencia de carga. - Los circuitos de ganancia de los sensores. - Polímetros y amperímetros adecuados.

50 2 Desarrollo de los modelos Montaje. Antes de nada indicar que antes del cableado y el montaje se debe comprobar que el banco de trabajo está sin alimentar Máquina asíncrona y variador V/F. Una vez comprobado esto se pasa a conectar la excitación del variador de V/F trífásico de la que consigue la tensión para generar la referencia con rectificadores e inversores trifásicos. El cable de trifásico tetrafilar (tres fases y tierra) se conecta desde el variador (Posición única de las clemas) hasta los terminales RST+T de la máquina asíncrona. Y la salida controlada del variador trifásica trifilar se conecta a los terminales U- V-W de la misma máquina El conexionado del rotor de la máquina de inducción es accesible y como ya se ha comentado se trabajará siempre con el rotor en cortocircuito. El conexionado final de la máquina de inducción así como el rotor se observan en la Figura 25: Figura 25. Conexionado de la máquina de inducción y conexionado del rotor El variador necesita además conectarle una resistencia de carga ya que no es un sistema de intercambio de energía reversible. Esta resistencia es una de las refrigeradas monofásicas a 250 V del laboratorio al que se le conecta el cable

51 2 Desarrollo de los modelos 33 monofásico del V/F en sus respectivos terminales. La resistencia hay que alimentarla y se ajusta a 4kW. Tanto el variador como la resistencia se muestran a continuación, Figura 26. Figura 26. Variador y resistencia de carga Máquina de continua. La máquina tiene todas las terminales accesibles tal y como se indica en Figura 27. Básicamente el montaje es para cerrar los circuitos de excitación y acoplar la carga y el sensor de par/intensidad. Figura 27. Conexionado de la máquina de continua

52 2 Desarrollo de los modelos Conexionado de sensores y salidas. Salida de mando. El sistema tiene una salida analógica que es el mando calculado que saca el sistema de adquisición de datos (RTWT) la conexión de esta Terminal (Channel Out0) y la entrada de referencia al V/F está hecha internamente. Sensor de velocidad. La entrada al sistema de la medida de velocidad se hace de la siguiente manera. Se conectan las bornas del sensor dinamométrico a la placa con que contienen los potenciómetros para ajuste de ganancia y de ahí se conecta una sonda a la entrada analógica del sistema. (Channel In0) Sensor de par/corriente. El sensor de par/corriente toma una muestra de la tensión de salida en una resistencia conectada en serie con la carga de valor conocido (220 Ω, 6 A) y esta señal se lleva a la misma placa de ajuste de ganancias que se usaba en el sensor de velocidad de allí se lleva una sonda al RTWT (Channel In). Una vez se tiene todo el circuito, se debe proceder a dar alimentación a todo el sistema. Para ello se deben seguir los siguientes pasos: º Subir el interruptor de tensión alterna del cuadro de alimentación 2º Pulsar el botón de Marcha en el cuadro de alimentación de continua para que la máquina que genera tensión continua comience a girar. 3º Pulsar el botón de Conectar para tener tensión de continua en el banco del laboratorio 4º Girar las palancas de alterna del banco hacia la derecha para tener tensión en los motores.

53 2 Desarrollo de los modelos 35 5º Configurar las opciones del variador. Dentro del menú 0.05, debe aparecer el valor para controlar el motor desde el panel de control. 6º Configurar el panel de control. La palanca Conexión debe estar en la posición ON. La palanca de giro determina el sentido de giro del motor. Por último existe otra palanca fundamental que decide si el control se realiza desde el propio panel (Control principal) o desde el ordenador (Remoto). Es necesario hacer Autotune. A continuación se muestra el panel de control comentado, Figura 28. Figura 28. Panel de control del variador Una vez se ha terminado esta secuencia ya se puede proceder a configurar las opciones de Simulink para empezar la simulación. Se deben seguir los siguientes pasos para poder interaccionar con la tarjeta PCI 6024 E:. Capturar los bloques necesarios (Analog Input y Analog Output) dentro de Simulink Library Browser. La librería donde se encuentran es Real- Time Windows Target. 2. Configurar Real-Time Workshop, dentro de Configuration Parameters del menú Simulation. En el apartado de RTW system target file se debe elegir rtwin.tlc. 3. Iniciar la compilación en Build Model dentro de Real-Time Workshop dentro del menú Tools. 4. Elegir la opción External mode dentro del menú Simulation. 5. Elegir la opción Conect to target dentro del menú Simulation. 6. Elegir la opción Stara Real-Time Code dentro del menú Simulation.

54 2 Desarrollo de los modelos 36 Sólo queda mostrar el esquema de montaje de todo el sistema, Figura 29. Figura 29. Esquema de conexión para realizar el experimento

55 2 Desarrollo de los modelos Acoplamiento de un encoder incremental y conexión a la tarjeta. En este apartado se van a exponer unas ideas básicas sobre la función que cumple un encoder y su funcionamiento, así como sus componentes principales. Además se explicará como se ha procedido para acoplar el encoder al eje del banco de máquinas eléctricas para capturar la velocidad Qué es un encoder incremental? Se trata de un dispositivo cuya principal función capturar la posición de un eje y posteriormente medir la velocidad a la que gira un eje. Consta de un disco transparente con una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí. Gracias a un sistema de iluminación se proyecta un haz de luz de forma adecuada, que es captado por un elemento fotorreceptor. El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco transparente. Con esta disposición, a medida que el eje gire se irán generando pulsos en el receptor cada vez que la luz atraviese cada marca, y llevando una cuenta de estos pulsos es posible conocer la posición del eje. En la Figura 30 se muestran los discos de un encoder junto con el haz de luz y las marcas que determinan la posición del eje. Figura 30. Discos de un encoder

56 2 Desarrollo de los modelos Funcionamiento de un encoder La función principal de un encoder es medir la posición de un eje. Para ello el encoder dispone de un disco con marcas de modo que utilizando correctamente las señales que proporciona el encoder es posible saber con mucha precisión la posición exacta. También es posible conocer la velocidad de giro contando las marcas por unidad de tiempo que se registran. En la Figura 3 se observa la forma de onda que entrega un encoder Figura 3. Disco de un encoder y forma de onda entregada Existe, sin embargo, el problema del desconocimiento en un momento dado de si se está realizando un giro en un sentido o en el opuesto, con el peligro que supone no estar contando adecuadamente. Una solución a este problema consiste en disponer de otra franja de marcas, desplazada de la anterior de manera que el tren de pulsos que con ella se genere esté desplazado 90 eléctricos con respecto al generado por la primera franja. De esta manera, con un circuito relativamente sencillo, es posible obtener una señal adicional que indique cuál es el sentido de giro. Es necesario además disponer de una marca de referencia sobre el disco que indique que se ha dado una vuelta completa y que, por tanto, se ha de empezar la cuenta de nuevo. La resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que se pueden poner físicamente en el disco. Un método relativamente sencillo para aumentar esta resolución es, no solamente contabilizar los flancos de subida de los trenes de pulsos, sino contabilizar también los de bajada, incrementando así la resolución del captador.

57 2 Desarrollo de los modelos Elementos del acoplamiento al eje del encoder. En este apartado se expondrán brevemente los diferentes dispositivos de la implantación Encoder: se trata de un encoder incremental de la marca Tekel, modelo 263. el número de marcas que tiene el disco es de 024. En la Figura 32 se observa la placa de características del encoder. Figura 32. Placa de características del encoder Como se puede observar en Figura 32 la alimentación se produce por los cables rojo (red) y negro (black) y es de 5 Voltios. Las señales se obtienen por los cables verde (green) y amarillo (yellow), ambas decaladas un cierto ángulo. La referencia de ambas señales es el cable azul (blue). Existen otras tres salidas del encoder: marrón (brown), rosa (pink) y blanco (white), que corresponden a las señales negadas de las anteriores y no se van a utilizar. - Acoplamiento: se trata de un pequeño cilindro con un muelle flexible, Figura 33, cuya misión principal es absorben posibles desalineaciones del eje del encoder y del motor. El acoplamiento se une rígidamente a los ejes por medio de unos prisioneros. Figura 33. Acoplamiento utilizado

58 2 Desarrollo de los modelos 40 - Conector a la placa. Figura 34: se trata de un pequeño dispositivo estándar cuidando que el orden de los cables sea: rojo, negro, tierra, amarillo, verde y azul. Este orden es inalterable ya que la placa está configurada para obtener las señales en ese orden. Figura 34. Conector utilizado que lleva las señales del encoder a la placa - Casquillo, Figura 35: es una pieza de plástico para poder hacer el acoplamiento al eje ya que los diámetros son diferentes. Figura 35. Casquillo para unir el acoplamiento y el eje - Tarjeta: se trata de una tarjeta diseñada en el Departamento de Electrónica y Automática de la Escuela Técnica Superior de ICAI que debe ser programada (FPGA). Posee unos conectores especialmente pensados para acoplar un encoder. A continuación se muestra una imagen, Figura 36: Figura 36. Fotografía de la tarjeta

59 2 Desarrollo de los modelos Control vectorial 2.3. Solución adoptada El control vectorial es la herramienta que permite controlar de forma óptima los parámetros del motor, al no considerar únicamente su funcionamiento estático ante la corriente trifásica. Fundamentándose en un modelo preciso del motor, considera de forma independiente la actuación sobre sus tres fases y expresa y maneja de forma compacta el resto de variables de fase simplificando el modelo mediante la aplicación consecutiva de dos transformaciones como se observa en la Figura 37: Figura 37. Transformaciones de Clarke (abc αβ o DQ) y Park (αβ o DQ dq) utilizadas para el diseño del control vectorial. ) Debido a la conexión en estrella de las bobinas del estator, aparece una ligadura que nos permite convertir el sistema trifásico en un sistema de referencia ortogonal (Transformación de Clarke abc αβ o DQ). 2) A continuación se aplica una rotación de ángulo igual a la posición angular de la fase en se instante (Transformación de Park αβ o DQ dq). De esta forma un sistema de corrientes trifásicas equilibradas aplicado al motor quedaría transformado en dos componentes de corriente constantes en el marco de

60 2 Desarrollo de los modelos 42 referencia giratorio dq, sistema que gira solidario al flujo del rotor. Al aplicar estas transformaciones al modelo electromagnético del motor se obtiene que su flujo magnético λ y par electromagnético T em son proporcionales a las corrientes del motor i sd e i sq respectivamente en el marco giratorio, por lo que controlando estas variables se controla el par y el flujo del motor. Para simplificar más todavía el control de la respuesta del motor, se realiza un desacoplo de las ecuaciones dinámicas de las dos componentes i Sd e i Sq mediante una realimentación activa de las variables de estado (i sd, i sq y ω r ). De esta forma se obtiene un sistema de ecuaciones desacopladas de primer orden, en el cual se controla el par y el flujo del motor a partir de los voltajes de alimentación. La regulación de estas variables será simple al ser suficiente la utilización de compensadores proporcional-integradores (PI) convencionales para obtener un buen comportamiento. Figura 38. Diagrama de bloques del lazo de control de corrientes La Figura 38 muestra el diagrama de bloques del sistema que permite controlar el par y el flujo (i sd, i sq ) actuando sobre los voltajes aplicados al motor mediante un inversor trifásico. En el sistema planteado es necesario realimentar las corrientes de fase y la posición del rotor y aplicar las transformaciones necesarias en cada ciclo de control.

61 2 Desarrollo de los modelos 43 Además del control del par y el flujo, el control de la velocidad de giro del motor es uno de los objetivos principales. Considerando el motor mecánicamente también se puede expresar el par electromagnético T em como varias contribuciones, de la carga externa y la inercia del rotor, lográndose una relación entre ω r e i Sq de primer orden. Por tanto se puede controlar ω r actuando i Sq como entrada; para ello se plantea un sistema de control de la velocidad de giro del motor dividido en dos tareas: ) lazo de control rápido para controlar el flujo y el par del motor con una referencia, actuando sobre las tensiones de fase; 2) procedimiento más lento encargado de regular la velocidad el motor, actuando sobre la referencia del lazo rápido que fija las corrientes del motor. Figura 39. Diagrama de bloques del lazo de control de velocidad La Figura 39 muestra el diagrama de bloques del sistema completo. Una de las etapas esenciales en estos sistemas de control de motores es la actuación sobre la alimentación de las fases del estator. Los voltajes de referencia que proporciona el lazo de control deben ser aplicados sobre el motor con la máxima exactitud. Para ello la alimentación de los voltajes de fase del motor se realiza por medio de un inversor trifásico constituido por seis interruptores de potencia (BJT, GTO, IGBT, etc.) los cuales se controlan con señales PWM complementarias dos a dos, de forma que siempre haya tres interruptores a ON y tres a OFF.

62 2 Desarrollo de los modelos 44 La técnica de conmutación empleada determina la exactitud con la que se aplica la alimentación ideal calculada. La primera técnica a mencionar es la modulación por anchura del pulso (PWM senoidal) que se ha empleado tradicionalmente y que se implementaba usando técnicas analógicas. En los últimos años se ha desarrollado una nueva técnica de modulación, conocida como modulación vectorial (SVM).Las principales ventajas de esta técnica de modulación son las que se exponen a continuación: ) Cálculo simple e intrínsecamente digital de los tiempos de conmutación de los interruptores del convertidor de potencia. 2) Un 5% de incremento en el voltaje máximo comparado con la modulación PWM convencional. 3) Contenido en armónicos más bajo, en especial con índices de modulación altos, en comparación con técnicas como la modulación senoidal. Esta técnica de modulación vectorial está fundamentada en el hecho de que los interruptores del inversor trifásico sólo pueden presentar ocho estados de conmutación, y por tanto únicamente se pueden aplicar al motor ocho voltajes (seis activos y dos nulos al no permitir el paso de corriente). Esto provoca que el espacio vectorial en el que se representan los voltajes quede dividido en seis sectores por los voltajes activos realizables por el inversor, como se ve en la Figura 40. Figura 40. Sectores y posibles estados del vector tensión La técnica SVM se basa en aplicar al motor el vector voltaje de referencia deseado como una combinación temporal de los estados adyacentes posibles (Figura 4). El