Clasificación de los convertidores de frecuencia

Convertidores AC/DC (Rectificadores)

Este tipo de convertidores transforman corriente alterna, monofásica o trifásica, en continua.

Aplicación en máquinas síncronas

La utilización de los convertidores AC/DC en la máquina síncrona se dirige a dos grandes grupos de aplicación:

• Generadores síncronos: Es necesario contar con una corriente continua para la excitación de la máquina.
• Régimen de velocidad variable: En aplicaciones como los generadores eólicos, es común utilizar un convertidor AC/DC para transformar la energía generada en continua como paso previo a la transformación CC/AC, permitiendo su acoplamiento a un sistema eléctrico de frecuencia y tensión fijas.

Convertidores DC/DC

Transforman un determinado valor de corriente continua de entrada en uno distinto de salida, con la posibilidad de incluir aislamiento galvánico entre entrada y salida.

Convertidores DC/AC (Inversores)

Realizan una conversión de corriente continua en corriente alterna, permitiendo controlar tanto la frecuencia como el valor eficaz de la tensión o intensidad de salida.

Convertidores AC/AC

Se utilizan ampliamente en el diseño de arrancadores suaves para reducir la intensidad demandada durante el arranque de los motores de inducción.

Control y potencia en sistemas eólicos

El control del convertidor de potencia busca:

1. Obtener que la turbina extraiga la máxima energía del viento incidente.
2. Minimizar las pérdidas del generador eléctrico.
3. Aprovechar los emplazamientos de velocidades bajas de viento.
4. Limitar la potencia eléctrica y la velocidad de giro para velocidades altas de viento.
5. Mejorar la calidad de la energía eléctrica generada.
6. Ejercer un control sobre el factor de potencia reactiva.

Clasificación de los aerogeneradores por la velocidad de giro del rotor

Generador asíncrono o de inducción

En los generadores asíncronos, la velocidad del rotor puede variar ligeramente (2%) debido al deslizamiento, manteniendo la frecuencia constante. Esto aporta flexibilidad al tren de potencia y permite convertir en energía cinética las ráfagas de viento, amortiguando los pares mecánicos. Dada su robustez, se podían conectar directamente a la red, aunque actualmente están fuera de uso.

Generador síncrono

El principal problema de las máquinas síncronas conectadas directamente a la red es que, al ser la frecuencia constante, la velocidad también debe serlo, lo que conlleva esfuerzos mecánicos elevados. Por ello, estas máquinas siempre se conectan a través de un convertidor electrónico, permitiendo girar a velocidad variable.

Comparativa de operación

• Generador con velocidad fija: Control aerodinámico por pérdida, generador asíncrono, sin uso de convertidor.
• Generador con velocidad variable: Control aerodinámico por cambio de paso, generador doblemente alimentado o síncrono (creciente presencia de imanes permanentes). Requiere convertidor para adecuar la producción de energía a las características de la red.

Aerogeneradores de velocidad de rotación fija

Independientemente de la velocidad del viento, el rotor gira a una velocidad prácticamente fija, establecida por la frecuencia de red, la relación del multiplicador y el número de polos del generador.

Están equipados con un motor de inducción (generalmente de jaula de ardilla) conectado directamente a la red, con un arrancador suave y un banco de condensadores para compensar la potencia reactiva.

• Ventajas: Consumen potencia reactiva y soportan grandes esfuerzos mecánicos.
• Desventajas: Cada fluctuación del viento produce una fluctuación del par mecánico y de la potencia inyectada a la red.

Aerogeneradores de velocidad de rotación variable

Presentan las siguientes ventajas:

• Incremento de la potencia extraída del viento por mayor eficiencia.
• Reducción del ruido aerodinámico a bajas velocidades.
• Mejora de la calidad de potencia vertida a la red gracias a la amortiguación de las fluctuaciones del par motor.

Inconvenientes: Mayores pérdidas de potencia debidas al convertidor y costes superiores en el equipo eléctrico.

Generador asíncrono de jaula de ardilla con Full Converter

Configuración que utiliza un convertidor back to back dimensionado para la potencia total. Permite controlar el nivel de tensión, la potencia reactiva y la activa. El uso de generadores síncronos multipolo puede simplificar o incluso eliminar la multiplicadora.

Aerogeneradores doblemente alimentados

Se trata de un generador asíncrono con rotor bobinado conectado a un convertidor, mientras que el estator se conecta directamente a la red. El convertidor del rotor suele dimensionarse al 30% de la potencia total, resultando en un diseño más compacto y económico. El control dinámico de tensiones y corrientes en el rotor permite gestionar la energía reactiva y activa, soportando huecos de tensión mediante sistemas como el crowbar activo.