A1-59. Turbina de viento basada en una máquina DC sin escobillas. Análisis por simulación con PSIM

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1 III CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA ELÉCTRICA Comité Nacional Venezolano Marzo 2012 A1-59 Turbina de viento basada en una máquina DC sin escobillas. Análisis por simulación con PSIM Fernández H. Departamento de ingeniería electrónica, Centro de Electrónica de Potencia, CEPAC Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz RESUMEN Las turbinas de viento de baja potencia deben ser ligeras de peso para permitir su orientación óptima por la acción directa del viento sobre las palas, integrar convertidores de energía de alto rendimiento al trabajar con bajos niveles de tensión, accionar al generador eléctrico cerca de su velocidad nominal para disponer de la máxima potencia con la cual se pueda suministrar energía para cargar un banco de baterías y de ser posible, a una carga determinada. Usando el modelo disponible en PSIM de la turbina de viento, se realiza el estudio mediante ensayos de simulación considerando el generador DC sin escobillas, la etapa de conversión y el banco de baterías, con la intención de evaluar el desempeño bajo distintas condiciones de operación. Se ilustran los ensayos a distintas velocidades y la respuesta del banco de baterías. Los resultados alcanzados son satisfactorios, así como también, de aporte significativo para desarrollar el prototipo. PALABRAS CLAVE Turbinas de viento, Máquinas DC sin escobillas, conversión DC-DC, banco de baterías. Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz, Villa Asia, Calle China, Puerto Ordaz. Tlf.: , hfernandez@unexpo.edu.ve.

2 I. INTRODUCCIÓN Aunque la inclinación de los países desarrollados está enfocada a la instalación de extensos parques eólicos, granjas de conversión solar-térmica, sistemas fotovoltaicos a gran escala y proyectos similares, orientados a suministrar energía a la red eléctrica, se observa por otra parte, el auge de instalaciones de energía distribuida en viviendas que aportan energía al sistema eléctrico, después de satisfacer su propia demanda, así como también, la colocación de equipos de baja potencia para atender los requerimientos energéticos en viviendas aisladas. En cualquiera de los escenarios antes mencionados, se pone de manifiesto la utilización de sistemas capaces de aprovechar las fuentes inagotables de energía. Particularmente en Venezuela, a raíz de la encuesta realizada por un ente gubernamental en el año 2000, se contabilizaron más de diez mil emplazamientos aislados donde es aconsejable la instalación de sistemas de pequeña escala, además de la evidente oportunidad de instalar plantas de gran envergadura aprovechando los recursos renovables disponibles en Paraguaná, la Isla de Margarita, la Faja del Orinoco, etc. Estos casos ameritan una solución expedita para mejorar el confort de los habitantes, así como también, de los beneficios de la tecnología para satisfacer en parte, la demanda energética actual. La Fig.1 muestra una fotografía de un aerogenerador de baja potencia usado para cargar un banco de baterías en una localidad aislada. Fig.1 Turbina de viento de baja potencia. Los sistemas para el aprovechamiento de las fuentes de energía renovables se enmarcan como la solución ideal: equipos perdurables, fáciles y rápidos de instalar en sitios aislados, adaptables a las necesidades energéticas particulares, locales y regionales, no contaminantes, etc. El trabajo expone la simulación de una turbina de viento con un generador DC sin escobillas, BDCM ( Brushless ), incorporando una etapa de conversión AC/DC de alta eficiencia, un convertidor DC/DC reductor de tensión que junto a un circuito con control de corriente y realimentación de voltaje, ha permitido proponer un diseño compacto y de bajo costo con fines de implementación a corto plazo. II. DESARROLLO Para la evaluación del sistema en estudio, se ha elegido la herramienta de simulación PSIM por cuanto incluye en su librería los modelos de: la turbina de viento, la máquina DC sin escobillas, los semiconductores de potencia (SCR, TRIAC, GTO, MOSFET, IGBT, etc.), los bloques de regulación, circuitos especializados de control, los dispositivos de acondicionamientos, etc. (PSIM, 2010). La Fig.2 ilustra el diagrama de bloques del aerogenerador expuesto a los ensayos de simulación. En primer lugar, aparece la propia turbina, que admite como entrada la velocidad del viento y el ángulo de posicionamiento de las palas respecto al eje del rotor. Según los registros experimentales de un 2

3 aerogenerador instalado en el embalse Guri, la velocidad promedio de trabajo supera los 900 rpm. Para ajustarnos a la realidad, se ha insertado una caja multiplicadora en el esquema a simular, para accionar el rotor del generador a una velocidad similar a la medida en la localidad. A consecuencia de la alta velocidad de trabajo de la turbina, la caja multiplicadora no es requerida al momento de fabricación del aerogenerador. La salida de alta velocidad de la caja multiplicadora se acopla al rotor del generador DC sin escobillas, BDCM (Vadher et al.,1989). La tensión AC producida en los terminales del BDCM, es tratada por un rectificador, cuya conmutación se encuentra sincronizada con las señales provenientes de los sensores para detectar la posición del rotor. La tensión variable en la salida del rectificador, se estabiliza mediante un convertidor DC/DC encargado de suministrar energía al banco de baterías y otras cargas conectadas en paralelo. Modelo turbina de viento Velocidad Máquina DC sin escobillas Batería BDCM Rectificador síncrono Conversión DC/DC Carga Ángulo Controlador Fig.2 Diagrama de bloques del aerogenerador simulado en el PSIM formado por el modelo de la turbina de viento, el generador DC sin escobillas, un rectificador síncrono, el convertidor DC/DC, el banco de baterías, la carga conectada en paralelo y un controlador PWM realimentado en corriente y tensión. En modo de generador, la BDCM produce en sus extremos una tensión de perfil trapezoidal con una amplitud: V K. (1) p b r Donde: ω r : es la velocidad del rotor en radianes por segundo K b : es la constante de proporcionalidad en V/(rad/seg) De acuerdo a la expresión anterior, es indispensable la regulación del voltaje de salida generada por la máquina, especialmente cuando se conecta a una carga que demanda tensión constante, tal como un banco de baterías. Esta función se lleva a cabo en el circuito de comando del convertidor DC-DC. La Fig.3 muestran los detalles del aerogenerador simulado. El rotor de la turbina se acopla a la caja multiplicadora de relación 1:100, cuya salida se adapta al eje del BDCM para mantener el rango de trabajo entorno al valor de potencia nominal. Los terminales de salida del generador se conectan a un rectificador síncrono formado por un arreglo de seis MOSFET s. Los diodos conectados en oposición con cada 3

4 transistor no son de utilidad en el proceso de conversión, razón por la cual, se han simulado por resistencias de M. Los transistores seleccionados ofrecen una mínima resistencia de conexión R DSmin, (pocos m ), reduciendo las pérdidas en conducción del convertidor comparado al clásico rectificador trifásico de diodos. Al poner en giro al BDCM, la conmutación de cada transistor responde a los pulsos emitidos por los sensores de efecto Hall. Estos elementos detectan la posición del rotor emitiendo pulsos en secuencia, que se adaptan al nivel de tensión para activar directamente a cada transistor. Por la alta impedancia de compuerta de los MOSFET s no se precisa insertar circuitos de acondicionamiento. Ante cambios producidos en la velocidad del viento, el generador produce variaciones de tensión en la salida del rectificador síncrono. Para regular la tensión demandada por las baterías, se intercala un convertidor DC/DC entre el rectificador y el medio de almacenamiento. La estabilización del voltaje, se gestiona a partir de un circuito PWM por control de corriente confeccionado con el UC3854 de Unitrode. El circuito integra el amplificador de error de voltaje, el limitador de intensidad, un oscilador de frecuencia ajustable y el generador PWM, facilitando la elaboración de un diseño compacto del aerogenerador. Otras de sus bondades son su bajo costo y la disponibilidad inmediata en el país. Fig.3 Etapas de conversión del aerogenerador: turbina, caja multiplicadora, generador DC sin escobillas y rectificador síncrono. No son indispensables los diodos conectados en oposición con cada MOSFET. Como medio de almacenamiento se opta por colocar un banco de baterías de plomo-ácido, por la preferencia de aplicación en los sistemas para el aprovechamiento de las fuentes de energías renovables, además de contar en Venezuela con empresas consolidadas en su fabricación y mercadeo. Se ha tomado un modelo de las baterías de plomo-ácido considerando el estado de carga (Castañer et al., 2002), y su adaptación al PSIM partiendo de la representación en bloques de tratamiento analógico en Pspice (Fernández et al., 2009). 4

5 Durante el ciclo de carga, la tensión interna de la batería en función al estado de carga variable en el tiempo se determina por: Vbat Vc arg a Ibat Rc arg a ns (2) Fig.4 Convertidor DC/DC reductor de tensión junto a la unidad de regulación, usando el controlador PWM en modo de corriente con el circuito integrado UC3842. La resistencia de carga de la batería se expresa como: ( 1.06 SOC n ) R = R = n 1 carga s SOCm (3) El estado de carga de la batería se establece por: 1 t k V I D SOC ( t ) SOC 1 bat n m SOCn () t SOC1 dt dt SOC m t (4) Donde se identifica: n s : Número de celdas en serie SOC n : estado de carga actual SOC 1 : estado de carga inicial SOC m : estado de carga máximo D: es la velocidad de carga normalizada al valor actual de SOC n (t). K: representa el factor (Vbat*Ah) -1. 5

6 Estas ecuaciones se modelan a partir de los bloques mostrados en la Fig.5. El resto de las ecuaciones para evaluar la resistencia y el voltaje interno en el ciclo de descarga se consiguen en las referencias citadas anteriormente. Fig.5 Diagrama de bloques de una batería de plomo-ácido adaptado al PSIM, formado por la resistencia y la tensión interna durante el ciclo de carga, además de la unidad de procesamiento del SOC. III. RESULTADOS A continuación se describen los ensayos de simulación considerando ensayos a velocidad fija y variable. La primera prueba se ha realizado trabajando la turbina a una velocidad constante de 12 m/s, obteniendo las curvas de la Fig.6. En orden descendente, se ilustra el voltaje en los extremos del banco de baterías, apreciando un trazo grueso debido al efecto de rizado producido por la señal de conmutación del UC3842. Estas perturbaciones se podrían reducir aumentando el valor del condensador de salida del convertidor DC/DC, o incrementando la frecuencia del oscilador del generador PWM. En la gráfica intermedia, se divisa a través del tiempo, el incremento gradual de la tensión interna del banco de baterías, así como también, en el último trazo, el aumento en menor grado, del estado de carga del banco de baterías, tras recibir energía proveniente de la turbina. La recuperación lenta del SOC se debe fundamentalmente al tiempo de análisis aplicado. De incrementar el tiempo de observación, se obtendría un estado de carga cercano a la unidad. Para probar la consistencia del modelo, se sometió a un perfil de velocidad variable como se muestra en la gráfica superior de la Fig.7. Aún cuando se registran variaciones entre 4 a 10 m/s, el voltaje en el banco de baterías se mantiene a una tensión promedio de 14V. 6

7 Vo Time (s) Vinter Time (s) SOCc Time (s) Fig.6 Ensayo a velocidad fija de 10m/s. Registro de señales en la batería: voltaje en los terminales, tensión interna y estado de carga. 7

8 Fig.6 Ensayo a velocidad variable, registrando el voltaje en los extremos de la batería. IV. CONCLUSIONES En las turbinas de viento de baja potencia, es esencial conseguir circuitos de regulación compactos, de buena fiabilidad y de bajo costo. La simplicidad del control es esencial por cuanto permite la atención del aerogenerador por los propios usuarios que habitan en los sitios aislados. Como aporte, se ha conseguido reducir las pérdidas en el proceso de conversión AC/DC, así como también, sintetizar la unidad de comando del aerogenerador gestionada por un único circuito integrado. Las herramientas de simulación son primordiales para la evaluación de los sistemas electrónicos de potencia de gran complejidad. Tras considerar distintas condiciones de operación, facilita la propuesta de un diseño óptimo del equipo bajo estudio. BIBLIOGRAFÍA [1] PowerSim (2010). PSIM User Guide. [2] Vadher V., J. G. Kettleborough J, Smith I and Gerges W (1989). Generalized model of brushless DC generator. Trans. On Aerospace and Electronic Systems, Vol.25, No.4, pp [3] Castañer. L. and Silvestre, S (2002). Modelling Photovoltaic Systems Wiley. England, pp [4] Fernández, H., Martínez A., Guzmán, V. y Giménez, M. (2009). Simulación mediante PSPICE de un modelo simplificado y de alta eficiencia de una batería de plomo-ácido. Universidad, Ciencia y Tecnología, Septiembre, Nº52, Vol.13, pp [5] Krishnan R. and Rim G (1990). Modeling, simulation and analysis of variable-speed constant frequency power conversion scheme with a permanent magnet brushless DC generator. Trans. On industrial electronics, Vol.31, August, pp