Soft starter (conexion suave) a la Red¶

Propósito de este algoritmo¶

Este algoritmo es utilizado durante el proceso de conexión del estator del generador a la Red.

Descripción del problema de conexión a la Red.¶

Cuando comienza el proceso de conexión a la Red (cutin) el estator del generador está desconectado de la Red. Por tanto, no existe ningún flujo magnético en el entrehierro del generador (ver Introducción a las máquinas de inducción) y como resultado el generador no genera ninguna potencia eléctrica aunque su eje esté girando.

La única forma de crear un campo magnético en el entrehierro, de manera que la potencia mecánica que mueve el eje se transforme en potencia eléctrica, es conectando el estator a la Red.

Según se muestra en Introducción a las máquinas de inducción , para que esta máquina funcione como generador es necesario que las revoluciones de su eje estén por encima de su velocidad de sincronismo.

Por tanto, el algoritmo que utiliza el Controlador durante de la secuencia de cutin es:

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Mantiene el estator desconectado de la Red, mientras que aplica el par mecánico, proveniente del viento sobre las palas, ajustandolo en cada momento modificando el valor del angulo de la pala.

Monitoriza continuamente el valor de las revoluciones del eje del generador.

Cuando estas revoluciones están cerca pero por debajo de sincronismo (1480 a 1490 rpms en el caso de sincronismo a 1500 rpms) , entonces conecta el estator a la Red, pero no directamente, sino a través de los tiristores. Esta conexión, que dura unos pocos segundos (3 a 4) , tiene por objetivo el que al final:

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oque esta corriente aumente de valor progresivamente, de forma que haya una fase de motorización (coger energía de la Red para impulsar el eje del generador) hasta llegar a la de sincronismo, momento en el cual, el angulo de conducción de los tiristores es la máxima (180º electricos), en cuyo momento tendremos:

velocidad del eje igual a la de sincronismo.

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Representación fasorial de la evolución de señales en un Soft starter¶

Panel izquierdo: Diagrama de los fasores de una red trifásica. Cada uno de los colores con línea continua corresponde al fasor de una de las fases. La circunferencias indican la tensión de cada fase respecto del neutro. Las lineas de puntos corresponden con la tensión promedio que llega a cada borna del estator del generador.
Panel derecho: Lineas de puntos: tensión en cada una de las fases de la red. Lineas continuas: tensión en bornas del generador.

El aerogenerador que se emula en este simulador dispone de un generador de inducción con rotor en jaula de ardilla (rotor cortocircuitado), y el estator se conecta directamente a la Red eléctrica.

Como se comenta en Principio de funcionamiento de un aerogenerador con generador de jaula de ardilla directamente conectado a la Red este tipo de generador condiciona el funcionamiento y la operación del aerogenerador.

Las operaciones básicas en relación con el generador eléctrico son las de 'puesta en producción' (cutin) y 'salida de producción' (cutout).

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Que exista interacción entre dos flujos magnéticos: uno generado por el bobinado del estator (y por tanto síncrono con la frecuencia de la Red - 50 Hz o 60 Hz según paises), y otro generado por la corriente inducida en el rotor, que está cortocircuitado. La corriente del rotor tiene una frecuencia que es proporcional al deslizamiento (la diferencia entre la velocidad real de giro del eje mecánico del generador y la velocidad de sincronismo, en relación con la velocidad de sincronismo); en funcionamiento como generador este valor del deslizamiento suele ser muy bajo, del orden del 1% o menor, en función de la calidad del generador. Con un deslizamiento del 1% la frecuencia de la corriente del rotor será de (1500 * 0,01 = 15 Hz)

Que la fuente de potencia mecánica conectada al eje del generador (el Tren de Potencia) sea suficiente para hcer que este eje gire a una velocidad un poco superior a la de sincronismo, y que además el estator esté conectado a la Red.

Este problema es común a muchos sistemas de generación eléctrica (por ejemplo los que se utilizan en grupos electrógenos) y el Softstarter es un procedimiento común para conseguirlo. La forma de operación es la siguiente:

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1.En la fase inicial, cuando la velocidad del eje del generador está lejos de la de sincronismo, se controla el angulo de pitch de las palas de forma que la aceleración del tren de potencia de forma que su velocidad llegue a la correspondiente de sincronismo del generador, con una aceleración controlada.

2.Cuando esta velocidad está cerca de la de sincronismo, pero por debajo, se suministra tensión al estator a través de bloques de dos Tiristores conectados en antiparalelo (ánodo de uno, con el cátodo del otro). Los Tiristores son dispositivos electrónicos con tres conexiones: el ánodo, el cátodo y la puerta. Permiten conducir corriente uni-direccionalmente entre ánodo y cátodo, pero que permiten controlar el angulo del ciclo de alterna a través solo durante una determinada parte del ciclo. Se conectan dos en antiparalelo para permitir la conducción direccional. Esto se muestra en la la figura animada. El angulo de conducción viene determinado por el momento en que se excita la puerta respecto del cátodo.
El objetivo es suministrar tensión al estator para que pueda generar el flujo magnético, pero controladamente, comenzando con un valor pequeño, hasta llegar conducir durante todo el ciclo. De esta manera, el valor "promedio" de esta tensión se va incrementando, desde 0 y, eventualmente, acabará conectado a la Red de forma continua.

3.Inicialmente, los Tiristores no conducen. Ver la figura animada. En esta figura, el panel de la derecha presenta las tensiones en las tres fases de una Red trifásica. En el panel de la izquierda, las tres lineas continuas (roja, verde y azul) corresponden con vectores de cada una de las tres fase, "fasores": un vector por cada fase, donde se aprecia que el desfase en ellos (120º), y donde la variable "tiempo" es un vector que "sale de la pantalla".

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4.Cuando la velocidad del eje del generador se va aproximando a la velocidad de sincronismo, el controlador inicia la apertura progresiva del angulo de conducción de los Tiristores, de forma que el estator comienza a tener corriente que genera el campo magnético del entrehierro.
Este hecho se representa mediante los tres fasores con lineas de puntos: como el eje no está todavía en la velocidad de sincronismo, estos fasores "giran" con un velocidad correspondiente a la diferencia de velocidades. Su longitud corresponde con la tensión promedio en el ciclo en que se produce debido al angulo de conducción de los Tiristores.
Eventualmente, ambas velocidades se igualan, en cuyo instante, el generador se encuentra conectado a la Red a través de los Tiristores, y las lineas de puntos están sobre las fijas, y a la velocidad de sincronismo.

5.Cuando ha transcurrido un tiempo suficiente (del orden de algunos segundos), la velocidad del eje, empujado por el Tren de Potencia, supera la de sincronismo, con lo que el estator induce corriente en el rotor, el cual genera un flujo magnético que tiende a girar, en el entrehierro, más rápido que el flujo magnético creado por el estator alimentado por la Red. El resultado es que el estator comienza a entregar corriente a la Red, y consecuentemente, el tren de potencia de desacelera, ya que la potencia eléctrica enviada a la Red es vista como carga mecánica en el eje del Tren de Potencia.

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6.En ese momento, lo que se hace es cortocircuitar los Tiristores: esto se hace porque, cuando están en conducción total (es decir, cuando conducen durante los 360º de un ciclo de Red), la caída de tensión en bornas (ánodo/cátodo), es apreciable (del orden de 2 voltios). Si la conexión del estator a la Red se mantuviera a través de los Tiristores, estos disiparían una potencia apreciable: con corrientes del orden de 800 Amp a 1.000 Amp la potencia que se disiparía en estos será de 2 KW.
Para evitarlo, existen unos contactores (conocidos como ByPass) que son capaces de conducir sin grandes pérdidas estas corrientes. Como estos Bypass se activan cuando los Tiristores están conducción total, no tienen problemas de arcos eléctricos en el momento del cerrar el contacto.