Generador eléctrico de velocidad variable.

Que partiendo de un motor asíncrono de inducción de jaula de ardilla (1),

entre el cual y la correspondiente red eléctrica (2) va intercalado un rectificador (3), un inversor (4) y un transformador (5), y en el lado opuesto un dispositivo o elemento de captación de energía (6), presenta la particularidad de que intercaladamente y en paralelo con el generador asíncrono de inducción de jaula de ardilla (1) se ha previsto un dispositivo electrónico especial (8) constituido por un autosincronizador mediante el que se consigue la sincronización de la frecuencia del campo magnético del estator con el número de revoluciones del rotor, en base a una detección en tiempo real del número de revoluciones de dicho rotor y las diferencias de intensidad entre el devanado del estator y la etapa de potencia del autosincronizador, para mediante un software específico poder cambiar la frecuencia del campo magnético del estator.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un generador eléctrico de velocidad variable, previsto para generar electricidad a partir de energía mecánica o cinética, utilizando un motor de inducción asíncrono de jaula de ardilla a diferentes velocidades de rotación.

El objeto de la invención es conseguir una sincronización entre la frecuencia del campo magnético del estator correspondiente al motor asíncrono y las revoluciones del rotor de dicho motor, utilizando para ello un dispositivo electrónico especial.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Como es sabido, un motor eléctrico es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica o cinética en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos, del mismo modo se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de su reversibilidad.

Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se

basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético.

El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor.

Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha, que será de sentido contrario si el motor está siendo utilizado como generador.

Los motores eléctricos presentan muchas ventajas respecto a los motores de combustión: A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos, se pueden construir de cualquier tamaño, tiene un par de gIro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante, su rendimiento es muy elevado (típicamente en tomo al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina) y este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro si emiten contaminantes.

Motor asíncrono o de Inducción.

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motor de corriente alterna. El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120° en el espacio. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120°, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday:

d<I>

E= -1\[

dt

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor) : todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador) : en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratorio, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento.

Rotor de Jaula de ardilla.

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas) .

Rotor Devanado.

El rotor devanado o bobinado, como su nombre lo indica, lleva unas bobinas que se conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.

Motor Síncrono.

En este tipo de motores y en condiciones normales, el rotor gira a las mismas revoluciones que lo hace el campo magnético del estator.

Regulación de velocidad.

En los motores asíncronos trifásicos existen actualmente dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la polaridad gracias al diseño del motor y la otra variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial. La primera sólo es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander, y la segunda sólo es posible en motores de inducción de rotor devanado.

Por otro lado, existen generadores de velocidad variable, ya sean de corriente continua o de corriente alterna, en este segundo caso asíncronos y síncronos.

Pues bien, para generar electricidad con velocidades de gIro inferiores a los valores nominales de los motores, y teniendo la velocidad de giro el rotor impuesta por la frecuencia de la red eléctrica, el par mecánico aprovechado en la conversión disminuye, con la consiguiente disminución del rendimiento de la máquina.

A partir de esta idea, se plantean diversas estrategias encaminadas a aumentar el rendimiento de la máquina cuando la velocidad de giro es inferior a la nominal.

Para ello se realizará un análisis de las distintas soluciones posibles en función de la máquina eléctrica a utilizar.

El generador de corriente continua tiene pocas posibilidades debido a que la mayoría de las cargas eléctricas actuales consumen energía alterna, con la aparición de la electrónica de estado sólido y más concretamente de los convertidores estáticos de corriente continua a corriente alterna (inversores) se hace posible la conexión de una máquina de éste tipo a la red eléctrica.

El sistema compuesto por un generador de corriente continua, a cuyo colector se conecta un inversor trifásico, es totalmente capaz de operar a la velocidad variable mediante el control de su corriente de excitación y del ángulo de disparo de los tiristores que componen el puente del inversor.

Una ventaja de éste sistema es que haciendo funcionar el inversor como rectificador (conversión de corriente alterna a continua) puede la máquina comportarse como motor facilitando el proceso de arranque del generador. El utilizar sistemas de conversión de potencia para la conexión de la máquina eléctrica a la red facilita la estabilidad del sistema incluso ante fallos de red pero como inconveniente toda la potencia generada tiene que pasar por el convertidor con la consiguiente pérdida de rendimiento. Además, si el convertidor es de una potencia razonable, se deberá realizar mediante tiristores (inversor conmutado por red) el cual es incapaz de funcionar aislado de la red, consume potencia reactiva y además genera armónicos de corriente que deber ser filtrados.

Los anteriores inconvenientes sumados a que el precIO de una máquina...

1. Generador eléctrico de velocidad variable, que estando previsto para generar electricidad a partir de energía mecánica o cinética, 5 utilizando motores de inducción asíncrono de jaula de ardilla (1) , a diferentes velocidades de rotación, y comprendiendo un rectificador (3) , un inversor (4) y un transformador (5) en el motor de inducción asíncrono de jaula de ardilla (1) y la correspondiente red eléctrica, se caracteriza porque entre el dispositivo de captación de energía (6) y dicho motor asíncrono de 10 inducción de jaula de ardilla (1) , va intercalado en paralelo un dispositivo electrónico (8) constituido por un autosincronizador mediante el que se consigue la sincronización entre la frecuencia del campo magnético del estator y el número de revoluciones del rotor, permitiendo detectar en tiempo real dicho número de revoluciones del rotor y las diferencias de

intensidad entre el devanado del estator y la etapa de potencia del autosincronizador para que, en combinación con un software especifico, permitir el cambio de frecuencia del campo magnético del estator, manteniendo una relación V /F ideal para que el par motor sea el justo y el devanado del estator no pueda sufrir daños.