Resumen 1 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 1:
Resumen 2 Ensayos realizados Figura 1. 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.
Resumen 3 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: 9 8 7 6 w ref w sal velocidad (pu) 5 4 3 2 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 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: 25 20 15 intensidad (A) 10 5 0-5 -10-15 17.67 17.675 17.68 17.685 17.69 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
Resumen 4 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) 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Velocidad estimada 0.5 velocidad (pu) 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 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.
Summary 5 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:
Summary 6 Tests Figura 5. Diagram of the solution 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:
Summary 7 9 8 7 6 w ref w sal velocidad (pu) 5 4 3 2 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 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: 25 20 15 intensidad (A) 10 5 0-5 -10-15 17.67 17.675 17.68 17.685 17.69 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
Summary 8 period of eight seconds. In Figura 8 it is shown the estimated rotor speed and the measured speed by a dynamo: Measured speed speed (pu) 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time (s) Estimated speed 0.5 speed (pu) 0.3 0.2 0.1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 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.