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Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Electrónica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

“Convertidor Back-to-Back para el Banco de Pruebas de Conversión Eoloeléctrica en un Sistema Aislado”

presentada por

Dana Luz González Ojeda Ing. en Electrónica por el I. T. de Orizaba

como requisito para la obtención del grado de: Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica

Director de tesis: Dr. Jesús Aguayo Alquicira

Co-Director de tesis: Dra. María Cotorogea Pfeifer

Cuernavaca, Morelos, México. 18 de Abril de 2008

cenidet





presentada por

Dana Luz González Ojeda Ing. Electrónico por el I. T. de Orizaba




Jurado: Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel – Presidente Dr. Abraham Claudio Sánchez – Secretario

Dr. Jesús Aguayo Alquicira – Vocal Dr. Mario Ponce Silva – Vocal Suplente


Dedicatoria

A mi madre Ernestina Ojeda Hernández, por darme la vida y apoyarme en todos los

momentos buenos y malos. Gracias mamá por todo lo que me das, por tus consejos, por tu

paciencia y lo más importante por todo tu amor. Sin ti no sería lo que soy.

A mi abuelita Mercedes Hernández Torres, por quererme tanto, por consentirme y

apoyarme cuando lo necesito.

A mi abuelito Ernesto Ojeda Amador, aunque ya no este presente siempre lo llevo en

mi corazón.

A mi amorcito Eder González Toy, por amarme tanto y por darme palabras de aliento

cuando sentía que no podía terminar. Te amo mi amor.

A la familia Herrera Ojeda, por quererme y apoyarme siempre, los quiero tíos, a Nid y

a Pepito que son como mis hermanos pequeños.

Agradecimientos

A Dios, por darme la fortaleza para continuar cada día.

A mi asesor el Dr. Jesús Aguayo Alquicira, por brindarme su amistad y apoyo durante

el desarrollo de este trabajo.

A la Dra. María Cotorogea Pfeifer, por su confianza al elegirme para desarrollar este

trabajo de tesis.

A mis revisores, Dr. Jaime Arau Roffiel y Dr. Abraham Claudio Sánchez, por lo

comentarios que me ayudaron a finalizar este trabajo.

A mis profesores: Dr. Carlos Aguilar Castillo, Dr. Jorge Hugo Calleja Gjumlich, Dr.

Mario Ponce Silva, Dr. Alejandro Rodríguez Palacios, Dr. Marco A. Oliver Salazar, Dr.

Luís Gerardo Vela Valdés y M.C. José Martín Ramos López por sus enseñanzas.

A toda mi familia: Martha Ojeda, Rafael Ojeda, Armando Ojeda, familia Ramos Ojeda,

familia Ojeda Bautista, familia González Ajuria, familia Becerril Ajuria y mi comadre

Irasema Ojeda, por darme su cariño y apoyo.

A mi amiga Gisela Morales Amaro, por su lealtad, cariño y amistad incondicional.

A Roberto Galindo del Valle por el tiempo que me dedico para que yo pudiera

comprender.

A mis compañeros y amigos: Miguel Ángel Alcántara, Pacheco Álamos, Isaura

Hernández, Eusebia Guerrero, Omar Hernández, Francisco Alegría, Benedicto López,

Ronay Estrada, Ignacio Ramírez, Diego Balderrama, Jorge Luís Raymundo, Ricardo

Mateos, Marco Méndez, Cornelio y Josefa Morales, Iván Viveros, Eduardo Bernal y Luís

Alberto Madrid, gracias por su apoyo, amistad y compañerismo.

A la familia Aguilar Domínguez, por brindarme su amistad.

A la Lic. Olivia Maquinay y Anita Pérez, por que siempre me ayudaron para resolver

cualquier duda.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (CENIDET), por

brindarme la oportunidad de crecer profesionalmente.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) y a la Dirección General

de Educación Superior Tecnológica (DGEST), por el apoyo económico que me permitió

concluir mis estudios.

Convertidor Back-to-Back para el Banco de Pruebas de Generación

Eoloeléctrica en un Sistema Eléctrico Aislado

Autor

Dana Luz González Ojeda

(RESUMEN)

Hoy en día la demanda de sistemas de generación eléctrica basados en fuentes

alternativas y renovables está creciendo a nivel mundial. Algunas de las principales causas

de este aumento son la creciente demanda de energía eléctrica y el incremento en los costos

de combustibles no renovables.

Actualmente, la energía eólica es la única fuente de energía alternativa económicamente

viable a gran escala, ya que en sitios con buenos recursos eólicos es posible obtener costos

de energía más bajos que los correspondientes a la mejor tecnología de generación con

combustible.

Con el avance de la tecnología en la generación eoloeléctrica han surgido nuevos

esquemas de generación a velocidad variable, entre ellos están los sistemas que utilizan

máquinas de inducción doblemente alimentadas (DFIM). La principal ventaja de este tipo

de máquinas es que permiten el control de la tensión y la frecuencia generada a partir de la

adecuada manipulación de las corrientes en el circuito de rotor de la máquina.

Para efectuar el control de la DFIM suele utilizarse un convertidor electrónico de

potencia back-to-back en su circuito rotórico. Este convertidor debe permitir el flujo de

potencia en ambas direcciones. Esto ocurre debido a que la máquina puede consumir o

producir energía en su circuito secundario, dependiendo de las condiciones de operación.

En los últimos años se ha hecho frecuente el uso de sistemas de generación eoloeléctrica

del tipo aislado basados en generadores de inducción doblemente alimentados, diseñados

para trabajar a velocidad variable y producir frecuencia y voltaje constante. En este

documento se presenta la simulación e implementación experimental de un sistema aislado,

el cual utiliza un convertidor bidireccional de potencia back-to-back conectado entre las

terminales del generador, permitiendo así trabajar a velocidad sub y supersíncrona.

Back-to-Back Converter for the Test Rig of the Wind Energy

Conversión System in a Stand Alone Application

Autor

Dana Luz González Ojeda

(ABSTRACT)

The demand for alternative and renewables energy generation systems is growing in

recent years arround the world. This growth has been prompted by a rising worldwide

demand for electricity and a increasing costs of non-renewable fuels.

Today, wind energy is the only economically viable alternative energy source to large-

scale, because in sites with good wind resources is posible obtain lower energy costs than

those for the best technology generation with fuels.

With the advance of technology in wind energy have emerged new generation schemes

of a variable speed, one of this are the systems that use doubly fed induction machines

(DFIM). The main advantage of these machines is that allow the control of voltage and

frecuency generated through the proper handling of the currents in the rotor of the machine.

To control the DFIM is commonly used a back-to-back converter connected to the

rotor. This converter must allow the flow in both directions. This happens because the

machine can produce or consume the energy in its secondary circuit, dependin on operation

conditions.

In recent years there has been frequently the use of wind energy generation systems in

stand alone applications based on doubly fed induction generators, designed to be driven at

variable speed and produced constant frequency and voltage. This thesis presents the

simulation and experimental implementation of an stand alone system, which uses a back-

to-back converter connected between the stator and the rotor of the generator, with this the

system allows sub and super synchronous operation.

Tabla de contenido

I

Notación V

Lista de figuras XI

Lista de tablas XVII

1. Introducción 1

1.1 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.1 Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.2 Objetivos particulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5 Hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6 Estado del arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6.1 Sistemas de conversión de energía eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

II

1.6.1.1 Sistema de velocidad fija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.6.1.2 Sistemas de velocidad variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.6.2 Máquinas doblemente alimentadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6.3 Convertidores bi-direccionales de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6.4 Emuladores de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7 Propuesta de solución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.8 Organización del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2. Sistema de conversión eoloeléctrica 17

2.1 Máquina de inducción doblemente alimentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Convertidor back-to-back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Descripción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.2 Modos de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.2.1 Modo de operación subsíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.2.2 Modo de operación síncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2.3 Modo de operación supersíncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.3 Modelado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3 Emulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4 Control vectorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.1 Orientado al vector de flujo del estator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4.2 Orientado al vector de voltaje del estator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3. Diseño e implementación del prototipo 39

3.1 Descripción del banco de pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2 Estructura del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3 Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.3.1 Convertidor back-to-back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

III

3.3.2 Emulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.4 Implementación etapa de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4.1 Convertidor del lado de la máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.4.2 Convertidor del lado de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4.3 Enlace de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.4 Convertidor CD/CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.5 Implementación etapa de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.5.1 Selección del microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.5.2 Programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.5.3 Implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4. Simulaciones y resultados experimentales 63

4.1 Resultados de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1.1 Variación en la velocidad de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.1.2 Variación en la frecuencia de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.1.3 Variación del voltaje en el enlace de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.1.4 Potencia carga principal y auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2 Resultados experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.2.1 Operación a velocidad subsíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.2.2 Operación a velocidad síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.2.3 Operación a velocidad supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.2.4 Cambio de velocidad de subsíncrona a supersíncrona . . . . . . . . . . . 88

4.2.5 Cambio de velocidad de supersíncrona a subsíncrona . . . . . . . . . . . 89

5. Conclusiones y trabajos futuros 91

5.1 Conclusiones particulares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

5.2 Trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

IV

Referencias 97

Anexos 103

A. Modelado de la DFIM 103

A.1 Modelo trifásico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

A.2 Modelo en el marco de referencia arbitrario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

B. Códigos 109

B.1 Control del convertidor del lado de la máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

B.2 Control del convertidor del lado de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

B.3 Control del convertidor CD/CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

C. Librerías de simulación 117

C.1 Sistema de generación eoloeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

C.2 Máquina de inducción doblemente alimentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

C.3 Motor de corriente directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

C.4 Convertidor back-to-back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

C.5 Control MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

C.6 Control GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Notación

V

Letras mayúsculas

B Coeficiente de fricción del DFIG

Bm Coeficiente de amortiguamiento del motor de CD

Co Capacitor del enlace de CD

Iaux Corriente en la carga auxiliar

Ic Corriente en el enlace de CD

Io1 Corriente de salida del enlace de CD al MSC

Io2 Corriente de salida del enlace de CD al GSC

J Inercia del DFIG

Jm Inercia del rotor del motor de CD

La Inductancia del devanado de armadura

Laf Inductancia de acoplamiento mutuo entre armadura y campo

Lf Inductancia del devanado de campo

LL Inductancia de la carga

Llr Inductancia de dispersión del devanado rotórico

VI

Lls Inductancia de dispersión del devanado estatórico

Lm Inductancia magnetizante

Lr Inductancia del rotor

Ls Inductancia del estator

Lsr Inductancia mutua entre los devanados de estator y rotor

M Inductancia mutua bifásica

P Número de polos

Paux Potencia en la carga auxiliar

PGen Potencia generada

PL Potencia activa en la carga

Pm Potencia mecánica del eje

Pr Potencia en el rotor

Ps Potencia en el estator

QL Potencia reactiva en la carga

Raux Resistencia de la carga auxiliar

RL Resistencia de la carga principal

Rr Resistencia del devanado rotórico

Rs Resistencia del devanado estatórico

Tcy Tiempo muerto

Te Par electromagnético

Vo Voltaje en el enlace de CD

Y Conexión en estrella

Letras minúsculas

abc Coordenadas trifásicas

dq Coordenadas del marco de referencia arbitrario

VII

fe Frecuencia eléctrica deseada en el estator

fmsync Frecuencia mecánica del rotor

fpwm Frecuencia de conmutación

fre Frecuencia eléctrica de las señales del rotor

gg Señales de compuerta para el GSC

gr Señales de compuerta para el MSC

ims Corriente de magnetización del estator

ims* Corriente de magnetización estatórica deseada

ipico Corriente pico de carga

iqr,dr Corrientes del rotor en coordenadas dq

iqr,dr* Corrientes del rotor deseadas en coordenadas dq

iqs,ds Corrientes en el estator en coordenadas dq

iqs,ds* Corrientes en el estator deseadas en coordenadas dq

ir Corriente en el rotor

is Corriente en el estator

m Índice de modulación

nm Velocidad mecánica

nmsync Velocidad síncrona mecánica

ra Resistencia del devanado de campo

rf Resistencia del devanado de armadura

s Deslizamiento del DFIG

vdr,qr Voltajes en el rotor en coordenadas dq

vdr,qr* Voltajes en el rotor deseados en coordenadas dq

vds,qs Voltajes en el estator en coordenadas dq

vds,qs* Voltajes en el estator deseados en coordenadas dq

vmag Magnitud del voltaje

vpos Posición angular del voltaje

VIII

vr Voltaje en el rotor

vs Voltaje en el estator

Letras griegas

αβ Coordenadas del marco de referencia fijo

θe Posición del vector de flujo del estator

θm Posición angular mecánica del eje del rotor

θr Posición del vector de flujo del rotor

λdr,qr Vector de flujo del rotor en coordenadas dq

λds,qs Vector de flujo del estator en coordenadas dq

λr Vector de flujo del rotor

λs Vector de flujo del estator

σ Factor de dispersión

σs Posición del vector de flujo del estator

ω Velocidad del marco de referencia utilizado

ωe Frecuencia angular deseada en el estator

ωm Frecuencia angular

ωmsync Frecuencia angular en el rotor

ωr Velocidad angular de rotación

ωsinc Velocidad síncrona

ωslip Velocidad angular de deslizamiento

Acrónimos

ASG Generador asíncrona

IX

AS-WECS Sistema de conversión de energía eólica de velocidad ajustable

BDFIM Máquina de inducción doblemente alimentada sin escobillas

BDFRM Máquina de reluctancia doblemente alimentada

CA Corriente alterna

CD Corriente directa

CDDFIM Máquina de inducción doblemente alimentada en cascada

CENIDET Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

CFE Comisión Federal de Electricidad

CIPOS Sistema de potencia integrado

CONAE Comisión Nacional para el Ahorro de Energía

DFIG Generador de inducción doblemente alimentado

DFM Máquina doblemente alimentada

DSC Controlador digital de señal

DSP Procesador digital de señal

EMI Interferencia electromagnética

FEC Convertidor front-end

FS-WECS Sistema de conversión de energía eólica de velocidad fija

GB Caja de engranes

GSC Convertidor del lado de la red

IG Generador de inducción

IGBT Transistor bipolar de compuerta aislada

MCU Microcontrolador

MSC Convertidor del lado de la máquina

PI Control proporcional-integral

PWM Modulación por ancho de pulso

PWSM Máquina síncrona de imanes permanentes

SCIG Generador de inducción con caja de engranes

X

SCIM Máquina de inducción de jaula de ardilla

SCR Rectificador controlado de silicio

SG Generador con caja de engranes

VF Perfil volts-hertz

VRM Máquina de reluctancia variable

VSCF Velocidad variable y frecuencia constante

VS-WECS Sistema de conversión de energía eólica de velocidad variable

WECS Sistema de conversión de energía eólica

WRIM Máquina de inducción con rotor bobinado

WRSM Máquina síncrona de rotor devanado

WT Turbina eólica

Lista de figuras

XI

1.1 Clasificación de los sistemas de conversión de energía eólica . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Sistema de conversión de energía eólica de velocidad fija típico . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Algunos tipos de sistemas WEC de velocidad variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Sistema de conversión de energía eólica de velocidad fija típico . . . . . . . . . . . . 8

1.4 (a) Manejo de potencia total . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 (b) Manejo de potencia parcial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5 Clasificación de las máquinas doblemente alimentadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6 Diagrama del flujo de potencia en la DFIM, de acuerdo con las condiciones

de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.7 Generador de rotor devanado con carga aislada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.8 Sistema WEC con máquina de inducción doblemente alimentada . . . . . . . . . . 13

1.9 Sistema de conversion de energía eoloeléctrica alimentando una carga aislada . 14

2.1 Convertidor back-to-back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2 Flujo de energía en el generador durante la operación a velocidad subsíncrona . 21

2.3 Flujo de energía en el generador durante la operación a velocidad síncrona . . . 22

XII

2.4 Flujo de energía en el generador durante la operación a velocidad

supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.5 Propuesta de solución para el emulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.6 Diagrama a bloques del control vectorial clásico aplicado a una máquina de

inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.7 Diagrama de bloques utilizado en el diseño de los controladores de corriente

del MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.8 Diagrama de bloques utilizado en el diseño del controlador de voltaje

generado en el estator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.9 Estructura del control vectorial para el MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.10 Diagrama de bloques utilizado en el diseño de los controladores de corriente

del GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.11 Diagrama de bloques utilizado en el diseño del controlador de voltaje en el

enlace de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.12 Convertidor del lado de la red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.13 Estructura del control vectorial para el GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.1 Banco de máquinas eléctricas de DE LORENZO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Sistema de generación eoloeléctrica implementado experimentalmente . . . . . . 42

3.3 Módulos para la construcción del convertidor back-to-back . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4 Módulos para la construcción del emulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.5 Esquemático para el MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.6 Esquemático para el módulo CiPoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.7 Esquemático para el GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.8 Implementación de la placa para los convertidores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.9 Esquemático para el enlace de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.10 Implementación del convertidor back-to-back . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.11 Esquemático del emulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

XIII

3.12 Esquemático de la carga auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.13 Implementación del emulador de carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.14 Diagrama de flujo para el control del MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.15 Diagrama de flujo para el control vectorial del MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.16 Diagrama de flujo para el control del GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.17 Diagrama de flujo para el control vectorial del GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.18 Diagrama de flujo para el control de la carga auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.19 Diagrama de flujo para el control del convertidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.20 Esquemático para la placa de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.21 Implementación de la placa de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.1 Velocidad de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC a velocidad subsíncrona . . . 67

4.3 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor a velocidad subsíncrona . . 68

4.4 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC a velocidad síncrona . . . . . 69

4.5 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor a velocidad síncrona . . . . . 69

4.6 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC a velocidad supersíncrona . 70

4.7 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor a velocidad supersíncrona . 71

4.8 Incremento en la velocidad de operación, velocidad subsíncrona aa

supersíncrona (1800rpm a 2000rpm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.9 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC de subsíncrona aa

supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.10 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de subsíncrona aa

supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.11 Decremento en la velocidad de operación, velocidad supersíncrona aa

subsíncrona (2000rpm a 1800rpm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.12 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC de supersíncrona aa

subsíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

XIV

4.13 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de supersíncrona aa

subsíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.14 Recuperación de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.15 Decremento en la frecuencia de operación (60Hz a 50Hz) . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.16 Voltaje y corriente en el estator, rotor y en el GSC de 60Hz a 50Hz . . . . . . . . . 77

4.17 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de 60Hz a 50Hz . . . . . . . . . 78

4.18 Decremento en el voltaje del enlace de CD (800V a 700V) . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.19 Voltaje y corriente en el estator, rotor y en el GSC de 800V a 700V . . . . . . . . . 79

4.20 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de 800V a 700V . . . . . . . . 79

4.21 Potencia activa en la carga principal y carga auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.22 Banco de pruebas de generación eoloeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.23 Señales PWM generadas por el dsPIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.24 Detalle de tiempos muertos en el PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.25 Voltaje y corriente en el rotor a velocidad subsíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.26 Voltaje y corriente en el estator a velocidad subsíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.27 Voltaje en el enlace de CD a velocidad subsíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.28 Voltaje y corriente en el rotor a velocidad síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.29 Voltaje y corriente en el estator a velocidad síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.30 Voltaje en el enlace de CD a velocidad síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.31 Voltaje y corriente en el rotor a velocidad supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.32 Voltaje y corriente en el estator a velocidad supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.33 Voltaje en el enlace de CD a velocidad supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

4.34 Voltaje y corriente en el rotor de subsíncrona a supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . 89

4.35 Voltaje en el enlace de CD de subsíncrona a supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.36 Voltaje y corriente en el rotor de subsíncrona a supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . 90

4.37 Voltaje en el enlace de CD de subsíncrona a supersíncrona . . . . . . . . . . . . . . . . 90

XV

A.1 Diagrama de la máquina de inducción doblemente alimentada . . . . . . . . . . . . . 104

C.1 Sistema de conversión de energía eoloeléctrica aislado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

C.2 Sistema de generación eoloeléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

C.3 Máquina de inducción doblemente alimentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

C.4 Motor de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

C.5 Modelo para el MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

C.6 Modelo para el GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

C.7 Modelo para el enlace de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

C.8 Controlador para el MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

C.9 Controlador del GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

XVI

Lista de tablas

XVII

1.1 Comparación de pérdidas en los diferentes tipos de sistemas de conversión . . . 12

3.1 Parámetros de la DFIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 Rangos de operación de la DFIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3 Especificaciones del convertidor back-to-back para el banco de pruebas . . . . . 44

3.4 Modelos de dispositivos dsPIC30F para el control de motores . . . . . . . . . . . . . 54

3.5 Modelos de dispositivos dsPIC30F para el control de motores . . . . . . . . . . . . . 54

4.1 Parámetros del DFIG para simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.2 Parámetros del motor de CD para simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3 Velocidad de operación de la DFIM para simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.4 Controladores para el MSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.5 Controladores para el GSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.6 Valores para la carga principal y auxiliar en simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

C.1 Entradas y salidas de la función IsWECS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

XVIII

CAPÍTULO 1

1

Introducción

La creciente demanda mundial de energía eléctrica hace necesaria la investigación de

nuevas formas de generación que utilicen fuentes alternas de energía, como la energía solar,

geotérmica, eólica e hidráulica.

Actualmente la energía eólica es una fuente renovable que se encuentra en desarrollo y

se está utilizando ampliamente a nivel mundial con el fin de obtener el mayor

aprovechamiento. El avance tecnológico y científico ha permitido el desarrollo de sistemas

más eficientes y económicamente competitivos frente a los sistemas tradicionales basados

en combustibles fósiles [1].

Entre los países con mayor capacidad eólica se encuentra con el liderazgo Alemania,

seguido por España, Estados Unidos, Dinamarca e India, donde en todos éstos se encuentra

desarrollado casi el 80% de la capacidad total de generación eoloeléctrica existente [2].

A finales del año 2006 alrededor del mundo existían aproximadamente 55GW de

capacidad de potencia. Se espera que para el año 2010 la capacidad de potencia instalada

alrededor del mundo sea de 150GW.

Sistema de generación eoloeléctrica

CENIDET 2

Cualquier sistema que transforma la energía del viento en otro tipo de energía, con el

fin de aprovecharla para realizar algún trabajo, se define como sistema de conversión de

energía eólica (Wind Energy Conversion System: WECS).

Dado que los sistemas de conversión eoloeléctrica constan, entre otros componentes, de

una turbina eólica (Wind Turbine: WT) y un generador eléctrico, se usa también el término

aerogenerador como un sinónimo de WECS.

Los sistemas de generación eoloeléctrica se dividen en conectados a la red y aislados;

dependiendo de la aplicación. En el primer caso la energía producida por los generadores es

inyectada a la red eléctrica. Por otra parte, la aplicación aislada se utiliza en lugares

remotos donde no existe la posibilidad de conectar los generadores a la red o cuando la

potencia generada por el sistema es suficiente para el tipo de carga conectada.

La diferencia en el diseño de uno u otro radica en que el conectado a la red debe

mantener y mejorar los parámetros que norman a ésta [3], mientras que los sistemas

aislados deben mantener una generación regulada definida por el tipo de carga que se les

conecta [4]. Además, los sistemas de generación aislada se utilizan en sistemas de

velocidad constante y variable.

En este capítulo se muestra un panorama global de las diferentes etapas que constituyen

un sistema de conversión eoloeléctrica de tipo aislado. La referencia [1] describe un

sistema, el cual esta formado por una máquina de inducción, un convertidor bidireccional

de potencia conectado entre las terminales de la máquina y la carga que se conecta entre el

estator de la máquina y el convertidor.

También, se plantea la problemática del trabajo, la justificación, la hipótesis y los

objetivos. Posteriormente se muestra el estado del arte en este campo de investigación y por

último se presenta la organización del documento.

1.1 Antecedentes

La energía eólica se ha aprovechado desde tiempos remotos, en aplicaciones tan

variadas como: propulsión de navíos, molinos, sistemas de bombeo de agua, etc. Sin

Capítulo 1. Introducción

Dana Luz González Ojeda 3

embargo, el uso de la energía eólica para generar electricidad es más reciente, apareciendo

a finales del siglo XIX, cuando Charles F. Brush construyó la que hoy se cree es la primera

turbina eólica para generación de electricidad, principalmente para cargar baterías [5].

La generación eoloeléctrica ha tenido un avance y desarrollo substancial en los últimos

10 años, la mayor parte en Europa. Por ejemplo, en Dinamarca se genera más del 20% de

su consumo total mediante energía eólica, equivalente a 4GW [6].

México cuenta con 105 aerogeneradores, los cuales producen 85.48MW de capacidad

de potencia, que equivale al 0.17% del consumo total de energía eléctrica en el país [7].

Existen diversos estudios acerca de la capacidad total que se puede instalar en el territorio

nacional, dentro de los cuales la Secretaría de Energía y la Comisión Nacional de Energía

estiman capacidades entre 3 y 5GW [8]. En años recientes se han realizado diversos

estudios que han permitido determinar el potencial eólico en diferentes estados de la

Republica Mexicana.

1.2 Planteamiento del problema

La obtención de energía eléctrica mediante generación eólica se ha incrementado de

manera importante durante la última década. En los países industrializados la tecnología

eoloeléctrica es económicamente competitiva.

En México se tienen diversos sitios con gran potencial eólico, principalmente en los

estados de Zacatecas, Veracruz, Sinaloa, Hidalgo, Quintana Roo, Baja California y Oaxaca,

en este último se tienen las mejores expectativas. En contraste con lo anterior, la Comisión

Federal de Electricidad (CFE) sólo cuenta con la planta eoloeléctrica piloto “La Venta”

ubicada en La Ventosa, Oaxaca. Además, existen diversas instalaciones de baja potencia en

apoyo a pequeñas comunidades en los estados de Oaxaca, Baja California Sur, Chihuahua,

Quintana Roo y Yucatán, en el marco de un convenio de colaboración entre el Gobierno

Mexicano y el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Dado el panorama tan alentador en el país por generar más electricidad por medios

eólicos y las pocas plantas instaladas en el país existe la necesidad de Investigación y


CENIDET 4

Desarrollo Tecnológico en el tema, por lo que los estudios recientemente realizados en

CENIDET sobre la conversión de energía eoloeléctrica, presentan un panorama alentador

para estudiar más a fondo los sistemas de conversión de energía eólica, teniendo en primer

lugar una conexión del tipo aislado y posteriormente contemplar la posibilidad de conectar

el sistema a la red eléctrica nacional.

1.3 Justificación

Hoy en día esta creciendo a nivel mundial la demanda de sistemas de generación

eléctrica basados en fuentes alternativas y renovables. Algunas de las principales razones

han sido motivadas por la creciente demanda de energía eléctrica, el incremento en los

costos de los combustibles fósiles, la contaminación, el calentamiento global, etc.

Actualmente, la energía eólica es la única fuente alternativa económicamente viable a

gran escala, ya que en sitios con buenos recursos eólicos es posible obtener costos más

bajos que los correspondientes a la mejor tecnología de generación con combustible.

Para estudiar los sistemas eoloeléctricos en un lugar donde no se cuenta con el recurso

natural del viento, son necesarios bancos de prueba a pequeña escala donde se reproduzcan

las mismas condiciones de operación a las que se ven sometidos los sistemas de generación

eoloeléctrica en una aplicación real. Por lo que, este trabajo se enfoca en completar el

banco de pruebas existente en CENIDET, basado en un generador de inducción doblemente

alimentado y un convertidor back-to-back con conexión a un emulador de carga,

permitiendo así tener un sistema aislado [9].

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo general

Este trabajo de investigación tiene como objetivo general completar un banco de

pruebas de un sistema de generación eoloeléctrica basado en el generador de inducción

doblemente alimentado con convertidor back-to-back en operación aislada.



1.4.2 Objetivos particulares

• Diseñar e implementar experimentalmente el convertidor del lado de la máquina

(MSC) del sistema eoloeléctrico.

• Diseñar e implementar experimentalmente el convertidor del lado de la red (GSC)

del sistema eoloeléctrico.

• Diseñar e implementar experimentalmente un emulador de carga para el sistema

eoloeléctrico.

1.5 Hipótesis

Colocando un convertidor back-to-back en un sistema de generación eoloeléctrica

aislado basado en un generador de inducción doblemente alimentado, se pueden reproducir

diferentes condiciones de operación manteniendo la frecuencia y el voltaje constante en el

estator del generador.

1.6 Estado del arte

En esta sección se presenta el estado del arte sobre los diferentes tipos de sistemas de

conversión eoloeléctrica y también se mencionan diferentes alternativas que existen para su

construcción.

1.6.1 Sistemas de conversión de energía eólica

Inicialmente los sistemas eólicos fueron diseñados para operar a velocidad variable y

producir corriente continua, principalmente para cargar baterías y utilizarla en lugares

remotos y aislados.

La corriente alterna se impuso a la directa y hubo necesidad de normalizar en lo

referente a la amplitud y frecuencia de las señales alternas. Entonces, dada la naturaleza del

viento, los sistemas eólicos se construyeron para funcionar a velocidad variable y producir

frecuencia constante, con el objetivo de facilitar el diseño del sistema y su conexión con la

red eléctrica. En casos de inestabilidad en la red, la turbina se desconectaba.


CENIDET 6

Conforme fue creciendo la potencia instalada de energía eólica, las turbinas cumplieron

con el requisito de ayudar a estabilizar la red eléctrica. Para ello, se necesitan turbinas con

mejores técnicas de control y conocer el comportamiento de la red eléctrica a la que se

conecta [5]. La Figura 1.1 muestra la clasificación de los sistemas de conversión de energía

eólica.

Sistemas de

conversión de

energía eólica

Velocidad fija

Velocidad

variable

Potencia

total

Potencia

parcialDFIG

Con caja de

engranes

Sin caja de engranes PWSM

SCIG

SG

Figura 1.1 Clasificación de los sistemas de conversión de energía eólica.

1.6.1.1 Sistema de velocidad fija

Los sistemas de velocidad fija (Fixed Speed-WECS: FS-WECS) fueron de los primeros

que se utilizaron para producir energía eléctrica alterna de frecuencia constante. En su

forma más básica, estos sistemas constan de una máquina de inducción de jaula de ardilla

(SCIM), operando como generador, conectada en forma directa a la red. En este tipo de

aplicaciones la SCIM se llama comúnmente generador asíncrono (ASG) o, simplemente,

generador de inducción (IG). La turbina eólica (WT) que impulsa al generador está

conectada a éste por medio de un juego de engranes de relación fija [4]. En la Figura 1.2 se

muestra el diagrama simplificado de un sistema de velocidad fija.

Red

Compensación

ASG

PGenPm

Figura 1.2 Sistema de conversión de energía eólica de velocidad fija típico.



Las ventajas de los sistemas de velocidad fija son su simplicidad y su bajo costo. La

desventaja es que se requiere un diseño mecánico resistente a las altas ráfagas de viento,

donde se observan variaciones apreciables en la potencia de salida.

1.6.1.2 Sistemas de velocidad variable

Los sistemas de velocidad variable (Variable Speed-WECS: VS-WECS) son también

llamados de velocidad ajustable (Adjustable Speed-WECS: AS-WECS). Para implementar

un VS-WECS existe una amplia gama de alternativas, ya que pueden utilizarse diferentes

tipos de generadores en combinación con diversos convertidores electrónicos de potencia.

Los tipos de máquinas que pueden utilizarse son: la máquina de inducción de jaula de

ardilla (SCIM), las máquinas doblemente alimentadas (DFM), la máquina síncrona de rotor

devanado (WRSM), la máquina síncrona de imanes permanente (PWSM) y la máquina de

reluctancia variable (VRM). La Figura 1.3 muestra algunas de las configuraciones usadas

en WECS de velocidad variable, haciendo distinción entre generadores síncronos y

asíncronos.

Figura 1.3 Algunos tipos de sistemas WEC de velocidad variable.

Las ventajas que estos sistemas presentan con respecto a los FS-WECS son: un control

sencillo del ángulo de inclinación de las aspas (simple pitch control), reducen los esfuerzos


CENIDET 8

mecánicos, compensan dinámicamente la potencia de salida, mejoran la calidad de potencia

y la eficiencia del sistema (hasta 10%), reducen el ruido acústico y tienen la capacidad de

operar aisladamente.

Tomando como base la Figura 1.4, se puede dar una clasificación amplia de los

sistemas VS-WEC, de acuerdo con la ubicación y capacidad del convertidor electrónico de

potencia [5]. De esta forma, los VS-WECS pueden ser de capacidad de manejo de potencia

total (full power handling) o de potencia parcial (partial power handling).

a)

Manejo de potencia total

b)

Manejo de potencia parcial

Figura 1.4 Sistema de conversión de energía eólica de velocidad fija típico.

Los sistemas VS-WECS de capacidad de manejo de potencia total (también llamados

directos en línea, direct-in-line) están formados por un generador de inducción o síncrono,

que produce potencia de CA con frecuencia variable y un convertidor de potencia

conectado en serie, que transforma la potencia de CA para obtener frecuencia constante,

mostrado en la Figura 4a. Debido a esta conexión el convertidor tiene que manejar la

potencia total que sale del generador. Las desventajas de esta configuración son: alto costo

tanto del convertidor de potencia como de los filtros de salida y de EMI. Además, la

eficiencia del convertidor afecta considerablemente la eficiencia total del sistema [4] y [10].

Los sistemas WEC de capacidad de manejo de potencia parcial son aquellos que están

constituidos por una DFM con un convertidor CA-CA de cuatro cuadrantes, conectado a los

devanados de un circuito secundario, como el que se muestra en la Figura 1.4b. Con esta

conexión y las características propias de las DFM, el convertidor electrónico se diseña para

manejar una fracción de la potencia generada, no más del 50%. Sus ventajas son: costo

reducido del convertidor y de los filtros; la eficiencia del sistema se mejora, el control del



factor de potencia puede efectuarse a más bajo costo. Además, es posible realizar un control

desacoplado de las potencias activa y reactiva del generador [4] y [10].

1.6.2 Máquinas doblemente alimentadas

Los sistemas de generación eoloeléctrica tienen una máquina doblemente alimentada, la

cual se caracteriza por recibir alimentación por el devanado estatórico y por un circuito

secundario, asociado con el rotor o con otro estator [11]. En ambos casos es posible

recuperar energía al conectar al circuito secundario un convertidor electrónico de potencia,

que se diseña para manejar una fracción de la potencia total de la máquina. De hecho, la

potencia que tendrá que manejar dicho convertidor dependerá del rango de velocidades al

que opere la máquina. La Figura 1.5 presenta una clasificación de este tipo de máquinas.

Máquinas

doblemente

alimentadas

Con escobillas

Sin escobillas

Máquina de inducción doblemente alimentada (Doubly Fed

Induction Machine: DFIM)

Máquina de inducción doblemente alimentada en cascada

(Cascaded Doubly Fed Induction Machine: CDFIM)

Máquina de inducción doblemente alimentada sin escobillas

(Brushless Doubly Fed Induction Machine: BDFIM)

Máquina de reluctania doblemente alimentada sin escobillas

(Brushless Doubly Fed Reluntance Machine: BDFRM)

Figura 1.5 Clasificación de las máquinas doblemente alimentadas.

Con el avance de la tecnología han surgido nuevos esquemas de generación a velocidad

variable, entre ellos están los sistemas que utilizan máquinas de inducción doblemente

alimentadas (DFIM) [11]. La principal ventaja de este tipo de máquinas es que permiten el

control del voltaje y la frecuencia generada a partir de la adecuada manipulación de las

corrientes en el circuito rotórico de la máquina. Además según los modos de operación

mostrados en la Figura 1.6, se puede observar que permiten inclusive una generación

eléctrica por el circuito de rotor a velocidades superiores a la síncrona.

La máquina de inducción doblemente alimentada es una máquina de inducción con

rotor bobinado (Wound Rotor Induction Machine: WRIM). La conexión eléctrica de los


CENIDET 10

devanados del rotor se realiza por medio de escobillas y anillos deslizantes. En aplicaciones

de sistemas de generación eoloeléctrica de velocidad variable y frecuencia constante

(VSCF), como es el caso de los sistemas WEC, el estator suele estar conectado

directamente a la red o a la carga, mientras que el rotor lo hace a través de un convertidor

electrónico de potencia de cuatro cuadrantes [12].

Figura 1.6 Diagrama del flujo de potencia en la DFIM, de acuerdo con las condiciones de

operación.

Donde Ps es la potencia en el estator, Pr en el rotor y Pm es la potencia mecánica en el

eje.

La DFIM es la máquina a la que más atención se le ha dedicado dentro de la conversión

eoloeléctrica y, de acuerdo con los resultados obtenidos, puede presentar un desempeño

dinámico excelente utilizando un control adecuado. Las investigaciones realizadas tratan

desde diferentes estrategias de control, hasta la utilización de diversas topologías de

conversión de potencia en el circuito del rotor. La DFIM es utilizada ya que puede generar

voltaje y frecuencia constante a velocidad variable.

1.6.3 Convertidores bi-direccionales de potencia


potencia CA-CA en su circuito rotórico [13]. El convertidor debe ser capaz de proporcionar

a los devanados del rotor un conjunto trifásico de señales con cualquier amplitud, fase y

frecuencia.



Es deseable que el convertidor tenga las características que se mencionan a

continuación [14].

•••• Manejar un flujo bi-direccional de potencia, esto ocurre debido a que la máquina

puede consumir o producir energía en su circuito secundario, dependiendo de las

condiciones de operación, tal como se muestra en la Figura 6.

•••• Permitir la disminución o eliminación de armónicos inyectados a la red.

•••• Permitir el control del factor de potencia de las señales entregadas a la red,

ajustando las potencias activa y reactiva generadas por el DFIG, al mismo tiempo

que regula su velocidad, de acuerdo con el par impulsor y alguna estrategia de

control.

•••• Ser capaz de proporcionar una salida de voltaje que no fatigue en exceso los

devanados a los cuales se conecta.

•••• Tener una elevada eficiencia en el proceso de conversión.

•••• Tolerar la utilización de una considerable cantidad de cable entre el convertidor y la

máquina (más de 40m).

•••• Ser capaz de responder rápidamente a las señales de control para permitir el control

apropiado de la máquina.

Con el desarrollo de los dispositivos semiconductores de potencia se han utilizado

diferentes tipos de convertidores electrónicos en el circuito rotórico. Se han usado, entre

otros, convertidores con enlace de CD (DC-Link converters) con base en dispositivos SCR

(Silicon-Controlled Rectifier), cicloconvertidores, convertidores back-to-back y de matriz,

entre otros. El convertidor back-to-back es el más estudiado dentro de los sistemas de

conversión eoloeléctrica, ya que ofrece las siguientes características [4]:


CENIDET 12

• Costo reducido de los convertidores: Ya que consume menos del 50% de la

potencia total del sistema, esto se tiene por la configuración del sistema que es de

manejo de potencia parcial, como se muestra en la Figura 1.4b.

• Costo reducido de los filtros del convertidor y los filtros EMI: Esto se obtiene

porque el sistema sólo maneja una fracción de la potencia total que se genera.

• Se mejora la eficiencia: La Tabla 1.1 muestra una comparación de las pérdidas

generadas en los diferentes tipos de sistemas de generación eoloeléctrica. En esta

tabla se observa una disminución de las pérdidas al utilizar este tipo de convertidor

en una configuración de manejo de potencia parcial.

Tabla 1.1 Comparación de pérdidas en los diferentes tipos de sistemas de conversión.

Pérdidas Sistema de conversión

de energía eólica Generador Convertidor

Velocidad variable y

manejo de potencia total

con convertidor back-to-back

3.5% 3%

Velocidad variable y

manejo de potencia parcial

con convertidor back-to-back

3.5% 0.75%

1.6.4 Emuladores de carga

Los sistemas eólicos de tipo aislado deben considerar las condiciones en las cuales la

potencia que se genera excede a la potencia que puede consumir la carga, generalmente los

sistemas WEC deben regular el flujo de potencia entre el generador y la carga, pero cuando

esto no sucede, se deben utilizar diferentes esquemas para la carga [15].

Uno de estos esquemas es utilizar una carga auxiliar conectada en paralelo a la carga

principal como se muestra en la Figura 1.7, la carga adicional debe consumir el exceso de



potencia que se genera [16] y [17]. En [18], se propone que la carga auxiliar sea un

rectificador con un filtro de entrada que alimente una carga resistiva controlada (chopper).

Figura 1.7 Generador de rotor devanado con carga aislada.

Otro esquema para solucionar el excedente de la potencia que se genera es como el que

se muestra en la Figura 1.8, el sistema considera 3 tipos de cargas: la primera una carga

principal trifásica, la segunda una carga auxiliar que se usa para el control del flujo de

potencia y por último un volante de inercia que sirve para almacenar energía.

Figura 1.8 Sistema WEC con máquina de inducción doblemente alimentada.

La carga auxiliar debe equilibrar la potencia generada del sistema [19], la naturaleza de

la carga auxiliar depende de la aplicación, algunos ejemplos comunes son: calefacción,

bombeo de agua para riego y carga de baterías.

La energía que almacena el volante de inercia cuando hay un exceso de potencia sirve

cuando el sistema no genere la potencia requerida por la carga principal y entonces el

volante de inercia la suministra, o también esta potencia almacenada puede utilizarse en

otra aplicación.


CENIDET 14

1.7 Propuesta de solución

Se propone diseñar e implementar experimentalmente un sistema de generación

eoloeléctrica basado en la máquina de inducción doblemente alimentada (DFIM) con

convertidor reversible back-to-back y del tipo aislado, para la carga se propone un

emulador de carga conformado por una carga principal y una carga auxiliar, la cual esta

formada por un diodo rectificador que a través de un convertidor CD/CD alimenta un banco

resistivo.

El convertidor y el emulador complementan el banco de pruebas de generación

eoloeléctrica existente en CENIDET desarrollado en [20]. La Figura 1.9 muestra un

diagrama general del sistema propuesto.

Figura 1.9 Sistema de conversion de energía eoloeléctrica alimentando una carga aislada.

1.8 Organización del documento

Este documento esta constituido por cinco capítulos, los cuales muestran el desarrollo,

análisis, resultados y conclusiones del trabajo de investigación. A continuación se describe

brevemente el contenido expuesto en cada capítulo.

El Capítulo dos presenta el análisis y los modelos de cada uno de los elementos que

conforman el sistema de conversión eoloeléctrica propuesto. Además, se mencionan



generalidades acerca del control vectorial para el convertidor y del control apropiado para

el emulador de carga.

El Capítulo tres presenta el diseño y la implementación experimental del convertidor

back-to-back, del emulador de carga y su respectivo control.

En el Capítulo cuatro se muestran y analizan los resultados obtenidos en simulación y

experimentalmente.

En el Capítulo cinco se presentan las conclusiones y los trabajos futuros propuestos. En

el Anexo A se presentan el modelado de la máquina de inducción doblemente alimentada,

en el Anexo B se muestran los programas realizados para el control del convertidor y

finalmente en el Anexo C se muestran las librerías de simulación desarrolladas en

SIMULINK de MATLAB.


CENIDET 16

CAPÍTULO 2

17

Sistema de conversión eoloeléctrica

El análisis y modelado de las etapas de un sistema representan un proceso real, con lo

cual se obtiene información que describe su comportamiento. Las simulaciones utilizas

estos modelos para comprender y verificar el funcionamiento del sistema bajo diferentes

condiciones de operación.

En este capítulo se presenta la descripción, modelado y control de cada una de las

etapas que conforman el sistema de generación eoloeléctrica.

2.1 Máquina de inducción doblemente alimentada

Para llevar a cabo la simulación del sistema se necesita modelar a la DFIM, este modelo

fue desarrollado en [20], por lo que las ecuaciones que lo describen se encuentran en el

Anexo A. por lo cual, en esta sección sólo se aborda una descripción de la DFIM.

En los sistemas que utilizan máquinas de inducción doblemente alimentadas la principal

ventaja es que permiten el control del voltaje y la frecuencia generada, a partir de la

adecuada manipulación de las corrientes en el circuito rotórico de la máquina [1], [2].


CENIDET 18

Una máquina de inducción doblemente alimentada (DFIM) es una máquina de rotor

devanado que recibe alimentación tanto por el estator como por el rotor. Una DFIM puede

ser controlada por medio de un convertidor electrónico de potencia conectado a su estator o

a su rotor. La opción más utilizada es la segunda, debido a que el convertidor sólo tendrá

que procesar una fracción de la potencia total. Las máquinas DFIM pueden ser

consideradas como máquinas con un rango restringido de velocidades de operación. De

hecho, el intervalo de velocidades de operación determina la cantidad de potencia que fluirá

a través del circuito rotórico.

En un sistema de generación eoloeléctrica la DFIM funciona como generador, ya que

convierte la potencia mecánica en eléctrica, cuando opera como generador su acrónimo es

DFIG. Un DFIG puede generar voltajes con frecuencia constante en su estator aún cuando

su velocidad de operación esté cambiando. Esto lo distingue del generador sincrónico, que

requiere operar a velocidad constante cuando se desea producir un voltaje con frecuencia

constante. Sin embargo, en ambas máquinas los campos magnéticos en el entrehierro

producidos tanto por el estator como por el rotor, giran a velocidad síncrona, siendo esta

última impuesta por la frecuencia eléctrica deseada en el estator. En el DFIG la velocidad

síncrona está dada por:

Eléctrica: 2=e e

fω π (2.1)

Mecánicas: 2 2 120

m sync e m sync e m sync e f f n f

P P Pω ω= = = (2.2)

Donde: fe es la frecuencia eléctrica deseada en el estator (Hz), ωe es la frecuencia

angular correspondiente (rad/s), fm sync es la frecuencia mecánica del rotor (rev/s), ωm sync es

la frecuencia angular correspondiente (rad/s), nm sync es la velocidad sincrónica mecánica

(rev/min=rpm) y P es el número de polos de la máquina.

Para cumplir lo dicho anteriormente es necesario que las señales eléctricas alimentadas

al rotor tengan una frecuencia dada por:

=re e

f sf (2.3)

Capítulo 2. Sistema de conversión eoloeléctrica


Donde: fre es la frecuencia eléctrica de las señales del rotor (Hz) y s es el deslizamiento

del DFIG (sin unidades).

En los WECS el DFIG recibe la potencia colectada del viento (Pm) y la transforma en

electricidad. De esta manera, si se ignoran las pérdidas mecánicas y eléctricas, las potencias

trifásicas generadas en el estator y en el rotor respectivamente son:

/(1 )= −s m

P P s (2.4)

/(1 )= −r m

P sP s (2.5)

Nótese que Pm=Ps+Pr y que, mientras en el estator siempre se genera potencia (Ps>0),

en el rotor el signo del deslizamiento determina el sentido del flujo de Pr. De esta forma,

para la operación subsíncrona (s>0) se tiene que Pr<0, indicando que el rotor consume la

potencia, mientras que para la operación supersíncrona (s<0) el rotor genera la potencia

(Pr>0) [21].

2.2 Convertidor back-to-back


potencia CA-CA en su circuito rotórico. Además, este convertidor debe permitir el flujo de

potencia en ambas direcciones, es decir debe de ser de cuatro cuadrantes. Esto ocurre

debido a que la máquina puede consumir o producir energía en su circuito secundario,

dependiendo de las condiciones de operación. Comúnmente el convertidor utilizado es el

convertidor back-to-back, debido a que presenta mejores características que otros, estas

características fueron presentadas en el Capítulo 1.

2.2.1 Descripción

El convertidor back-to-back está constituido por dos inversores/rectificadores puente

completo conectados de espalda a través de un enlace de CD capacitivo y es generalmente

implementado con dispositivos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors) [4]. El

inversor/rectificador conectado al rotor del generador se denomina convertidor del lado de

la máquina (Machine Side Converter: MSC), mientras el que se conecta a la red eléctrica o


CENIDET 20

a la carga se llama convertidor del lado de la red (Grid Side Converter: GSC, algunas veces

referido como Front-End Converter: FEC) [22]. En la Figura 2.1 se muestra el diagrama

general del convertidor back-to-back.

Figura 2.1 Convertidor back-to-back

El convertidor back-to-back es el convertidor que más ha sido considerado dentro de los

sistemas de generación eoloeléctrica, por lo antes mencionado en el Capítulo 1. El banco de

pruebas existente en CENIDET considera también este tipo de convertidor [20]. Con su

utilización se obtiene la capacidad de controlar independientemente las potencias activa y

reactiva entre las terminales del generador y el GSC, que se generan usando técnicas de

control vectorial [4], [23]. Sin embargo, en este caso se pueden obtener corrientes con baja

distorsión armónica en el estator, en el rotor y en la red o la carga, ya que el GSC controla

el flujo de potencia entre el rotor y la red o la carga, actuando como un filtro activo y así

puede compensar armónicos inyectados por el estator del generador a la red [13]. El

sistema completo está hecho para operar a un factor de potencia unitario. Suele

mencionarse como una ventaja que el capacitor en el enlace de CD permite un control

separado de los dos inversores/rectificadores.

Cada convertidor tiene una función diferente dentro del sistema, el MSC sirve para

controlar al DFIG, mientras que el GSC puede usarse para regular el flujo de potencia entre

el rotor de la máquina y la carga, de tal forma que el convertidor back-to-back solamente

transfiera la potencia recibida, modificando para ello la frecuencia y la amplitud de manera

apropiada, dependiendo de las condiciones de operación del sistema. Este manejo del flujo

de potencia puede obtenerse mediante la regulación del voltaje del enlace de CD, de tal



forma que, en promedio, el capacitor no almacene ni pierda energía, con lo que se iguala la

potencia activa que entra al enlace con la que sale del mismo. Además, el GSC puede

suministrar potencia reactiva a la red o a la carga, de tal forma que se complemente con la

proporcionada por el estator. Esta podría ser útil en una estrategia de división de potencia

reactiva, cuyo objetivo podría ser la disminución de las pérdidas eléctricas en el DFIG [24],

[25], [26]. Para esta aplicación ambos convertidores se controlan usando técnicas de control

vectorial clásico orientadas a diferentes vectores [23].

2.2.2 Modos de operación

El generador eoloeléctrico con convertidor back-to-back en forma idealizada tiene tres

modos de operación: a velocidad subsíncrona, a velocidad síncrona y a velocidad

supersíncrona. Cada modo de operación exige un flujo diferente de energía a través del

convertidor.

2.2.2.1 Modo de operación subsíncrono

Durante la operación subsíncrona la máquina requiere de tomar energía a través de los

devanados de rotor como se muestra en la Figura 1.6b.

El convertidor opera como se muestra en la Figura 2.2, el MSC proporciona la corriente

trifásica necesaria para la generación eléctrica tomando energía del capacitor del enlace de

CD, el GSC rectifica el voltaje trifásico generado en el estator para mantener constante el

voltaje en el enlace de CD.

Figura 2.2 Flujo de energía en el generador durante la operación a velocidad subsíncrona.


CENIDET 22

2.2.2.2 Modo de operación síncrono

La velocidad síncrona depende de la frecuencia del voltaje a generar en el estator y del

número de polos con que se construye la máquina de inducción.

En este modo de operación de forma ideal no existe flujo de energía a través del

convertidor como se muestra en la Figura 2.3. Sin embargo en la realidad debe considerarse

la presencia de elementos parásitos que generan pérdidas que disipan energía haciendo

necesario que el MSC continué entregando energía al circuito de rotor.

Figura 2.3 Flujo de energía en el generador durante la operación a velocidad síncrona.

El MSC genera voltaje continuo en los devanados de rotor mientras que el GSC opera

en la región límite entre rectificación e inversión para mantener el nivel de voltaje en el

enlace de CD.

2.2.2.3 Modo de operación supersíncrono

Durante la operación supersíncrona la máquina es capaz de generar energía por ambos

devanados, el estator y el rotor, como se muestra en la Figura 1.6d.

El convertidor opera como se muestra en la Figura 2.4, el MSC rectifica el voltaje que

se genera por el circuito de rotor entregando la corriente hacia el enlace y forzando así al

GSC a operar como inversor extrayendo la energía del enlace hacia el circuito de estator.



Figura 2.4 Flujo de energía en el generador durante la operación a velocidad supersíncrona.

2.2.3 Modelado

El modelo que se presenta a continuación esta basado en el trabajo desarrollado en [27].

Al aplicar Ley de Voltaje de Kirchhoff (LVK) a cada una de las fases de la Figura 2.1,

es posible obtener:

Para el MSC: ( ) 1( ) 0

PD QD RQ o ar br crv v v v v v v+ + + − + + = (2.6)

Para el GSC: ( ) 2( ) 0

pD qD rQ o ag bg cgv v v v v v v+ + + − + + = (2.7)

Donde: var, vbr, vcr, vPD, vQD, vRQ y vo1 representan los voltajes de cada fase en el rotor,

vag, vbg, vcg, vpD, vqD, vrQ y vo2 representan los voltajes en el GSC.

Puesto que se produce un conjunto balanceado, debe cumplirse que:

, ,

0kx

k a b c

v=

=∑ (2.8)

0ar br cr

v v v+ + = MSC→ (2.9)

0ag bg cg

v v v+ + = GSC→ (2.10)

Al combinar 2.6, 2,7 y 2.8 se obtiene:


CENIDET 24

oy jD

j

1v V

3= − ∑ (2.11)

( )1

, ,

1 1

3 3o jD PD QD RD

j P Q R

v v v v v=

= − = − + +∑ MSC→ (2.12)

( )

, ,

1 1

3 3o2 jD pD qD rD

j p q r

v v v v v=

= − = − + +∑ GSC→ (2.13)

Además los voltajes a la salida de cada convertidor dependen de las señales o pulsos de

compuerta (g) y del voltaje en el capacitor del enlace de CD, de tal forma que:

Para el MSC →PD r1 o QD r2 o RD r3 o

v =g V , v =g V , v =g V (2.14)

Para el GSC →pD g1 o qD g2 o rD g3 o

V =g V , V =g V , V =g V (2.15)

En donde Vo es el voltaje en el enlace de CD, gr1, gr2 y gr3 son las señales de compuerta

en el MSC y gg1, gg2 y gg3 son las señales de compuerta en el GSC.

Utilizando 2.6, 2.7 y 2.11 con las expresiones anteriores, es posible obtener los voltajes

de fase a neutro de cada convertidor, y representándolos en forma matricial se tiene:

Para el MSC:

1

2

3

2 1 11

1 2 13

1 1 2

ar r

br r o

cr r

v g

v g V

v g

− −

= − − − −

(2.16)

Para el GSC:

1

2

3

2 1 11

1 2 13

1 1 2

ag g

bg g o

cg g

v g

v g V

v g

− −

= − − − −

(2.17)

Por otro lado al aplicar la Ley de Corriente de Kirchhoff (LCK) al nodo superior del

enlace de CD en la Figura 2.1, se tiene que:

1 2

0c o o

I I I+ + = (2.18)

Con: 1 1 2 3o r ar r br r crI g i g i g i= + + (2.19)



2 1 2 3o g ag g bg g cg

I g i g i g i= + + (2.20)

Donde: Ic es la corriente en el enlace de CD, Io1 es la corriente que sale del enlace de

CD hacia el MSC, Io2 es la corriente que sale del enlace hacia el GSC, iar,br,cr son las

corrientes en el rotor, iag,bg,cg son las corrientes del GSC.

Así el comportamiento del voltaje del capacitor estará dado por la siguiente expresión:

( )o

o1 o2

o

dV 1=- I I

dt C+ (2.21)

Donde Co es el capacitor del enlace de CD.

Si las señales de compuerta son obtenidas mediante un esquema PWM sinusoidal,

entonces la componente fundamental de cada voltaje de fase tendrá una amplitud dada por:

Amplitud

2=

o

ar ,br ,cr ,ag ,bg ,cg

V(V ) m (2.22)

Donde: m es el índice de modulación.

2.3 Emulador de carga

En un sistema aislado, es necesario considerar aquellas condiciones de operación en las

que se colecta del viento una cantidad de potencia diferente a la demandada por la carga. La

mejor solución sería aquella con la que se puede enfrentar tanto en el caso en el que la

potencia colectada es mayor, como aquel en el que ésta resulta menor. Existen diversas

opciones que pueden implicar el uso de uno o dos subsistemas adicionales. En la primera

alternativa, el subsistema adicional debe ser capaz de manejar la potencia en exceso durante

periodos de viento fuerte y/o baja demanda o cuando deba proporcionar la potencia faltante

en intervalos de viento débil y/o carga elevada.

Si se considera un sistema autónomo compuesto por un aerogenerador, entre las

alternativas que requieren un subsistema adicional se tienen las siguientes:


CENIDET 26

a. Para sistemas pequeños puede ser suficiente el uso de un banco de baterías que se

cargue durante los periodos de energía en exceso, para usarlo en periodos de bajo

viento y/o carga elevada. Otra alternativa de este tipo podría ser el almacenamiento

en un sistema motor-volante de inercia, que durante periodos con exceso de

potencia se alimente al motor para hacer girar el volante de inercia para que, durante

periodos de potencia insuficiente, el volante de inercia mueva a la máquina de

inducción [15].

b. Para sistemas de mayor tamaño es posible usar almacenamiento por bombeo de

agua hacia un nivel superior, para ser liberada cuesta abajo en los periodos de

mayor demanda o menor viento. Sin embargo, se requiere un generador auxiliar

[19].

c. La última opción es utilizar una carga principal y una carga auxiliar, la cual esta

formada por un rectificador que, a través de un convertidor CD/CD, alimenta un

banco de resistores, como se muestra en la Figura 2.5. Esto restringe las condiciones

de operación que pueden ser reproducidas experimentalmente, a aquellas en las que

la potencia colectada del viento iguala o supera a la demandada por la carga [19].

De las alternativas mencionadas se eligió la tercera opción para su implementación en

el banco de pruebas de generación eoloeléctrica. De acuerdo con ésto, el presente trabajo

podría considerarse como dirigido a un sistema diseñado “a la medida” o, desde la

perspectiva de un sistema autónomo con un aerogenerador, podría decirse que está dirigido

únicamente al subsistema eoloeléctrico.

Figura 2.5 Propuesta de solución para el emulador de carga.



2.4 Control vectorial

El concepto de control vectorial se basa en que una máquina de inducción obtenga un

funcionamiento similar al de un motor de CD con excitación separada. De esta manera se

tendría una componente de corriente para regular el campo magnético y otra para controlar

en forma independiente el par producido [28], [29].

El principio del control vectorial consiste en la utilización de un marco de referencia

especial, para presentar el modelo de la máquina eléctrica considerada durante el diseño de

los controladores que se requieren. El objetivo es que el diseño de dichos controladores

resulte más sencillo que el que tendría que realizarse al usar el modelo trifásico de la

máquina, en el que algunas inductancias varían periódicamente porque dependen de la

posición del rotor. El diseño en el marco de referencia especial es más sencillo debido a

que, cuando se aplica la transformación de coordenadas al modelo trifásico, se obtiene un

modelo dinámico de dos fases (componentes) con desacoplamiento magnético en las

variables sustitutas dq y en el que se elimina la dependencia de la posición del rotor en la

matriz de inductancias resultantes.

Figura 2.6 Diagrama a bloques del control vectorial clásico aplicado a una máquina de inducción.

El marco de referencia normalmente usado es el síncrono, ya que en éste las

componentes dq son constantes cuando las señales trifásicas son sinusoidales puras.


CENIDET 28

Además, este marco de referencia puede estar alineado u orientado con cualquier vector

espacial que gire a velocidad síncrona. Teóricamente podría ser cualquiera de los vectores

existentes en la máquina, ya sea de voltaje, de enlaces de flujo o incluso de corrientes.

En el control vectorial clásico de la DFIM los controladores proporcional-integral (PI)

tienen una configuración en cascada, como se muestra en la Figura 2.6 En el nivel interno

se tienen los controladores de corriente (uno por cada componente). En el nivel externo el

controlador de velocidad (o de par o de potencia activa) que produce la referencia para un

controlador de corriente y, además el controlador de potencia reactiva (o de voltaje

estatórico, en aplicaciones aisladas) que produce la referencia para el controlador de

corriente restante. Algunas ocasiones pueden requerirse operaciones de desacoplamiento.

2.4.1 Orientado al vector de flujo del estator

La DFIM funciona como generador (DFIG), el estator se encuentra conectado a una

carga aislada, en este caso al emulador de carga propuesto, como se muestra en la Figura

1.9 del Capítulo 1. El DFIG debe entregar voltaje y frecuencia constante a velocidad

variable en las terminales del estator y debe generar potencia por estator y rotor

dependiendo de la velocidad a la que se encuentre trabajando.

dr ,qridr ,qr

v*

dr ,qri

j

p

s TK

s

+ r r

1

L R

σ +

Figura 2.7 Diagrama de bloques utilizado en el diseño de los controladores de corriente del MSC.

Para controlar el DFIG se utiliza el MSC, dicho control utiliza técnicas de control

vectorial clásico orientado a lo largo de la posición del vector de flujo del estator. El control

requiere las mediciones de corrientes de rotor y estator, voltaje de estator y la posición del

rotor. Los controladores constan de dos etapas en cascada, en el nivel interno se tienen los

controladores de corriente (uno por cada componente), diseñados usando el diagrama a

bloques de la Figura 2.7, mientras que en el nivel externo se encuentra el controlador de



voltaje generado en el estator, diseñado con el diagrama a bloques de la Figura 2.8 [13],

[19], [23].

m

1

T s 1

+

*

sv *

msi

dri

s

ds

s

1v

R

+ σ

msi

( )*

e

2

2 f Mπ

i

p

s TK

s

+

1

n

Figura 2.8 Diagrama de bloques utilizado en el diseño del controlador de voltaje generado en el

estator.

Para determinar las ecuaciones que rigen la técnica de control debe considerarse el

modelo de la máquina de inducción trifásica en el marco de referencia arbitrario [30], que

se presenta en el Anexo A, para esto es necesario transformar las variables trifásicas

medidas (abc) hacia el marco de referencia arbitrario (dq), esto se hace en dos pasos,

primero se aplica la transformación de Clarke y después el vector obtenido (αβ) se

transforma desde el marco de referencia estacionario hacia el arbitrario. Estas ecuaciones se

presentan a continuación.

qs

qs s qs ds

dv R i

dt

λωλ= + + (2.23)

ds

ds s ds qs

dv R i

dt

λωλ= + + (2.24)

( )

qr

qr r qr r dr

dv R i

dt

λω ω λ= + − + (2.25)

( ) dr

dr r dr r qr

dv R i

dt

λω ω λ= − − + (2.26)

qs s qs qrL i M iλ = + (2.27)

ds s ds dr

L i M iλ = + (2.28) qr r qr qsL i M iλ = + (2.29)

dr r dr ds

L i M iλ = + (2.30)

Donde: vs es el voltaje del estator, is es la corriente del estator, λs es el vector de flujo

del estator, Rs es la resistencia del devanado estatórico, Ls es la inductancia del estator, vr es

el voltaje en el rotor, ir, es la corriente en el rotor λr es el vector de flujo en el rotor, Rr es la


CENIDET 30

resistencia del devanado rotórico, Lr es la inductancia del rotor, ω es la velocidad del marco

de referencia utilizado, y M es la inductancia mutua bifásica y equivale a: 3 2m

M L= .

Cada una de las variables esta representada en coordenadas dq.

Dado que se está considerando un enfoque orientado al flujo del estator, es necesario

conocer la posición del vector λs con respecto al marco de referencia estacionario. Para

lograrlo, se utilizan los voltajes y corrientes medidas en el estator y las expresiones

presentadas en 2.23 y 2.24 con ω=0, para obtener:

o ( ) o ( ) o ( )( )

s s s s s sv Ri dt

α β α β α βλ = −∫ (2.31)

De esta manera, la posición de λs, y del marco de referencia síncrono, estará dado por:

1tan

s

e

s

β

α

λθ

λ

−

=

(2.32)

Donde θe es la posición del vector de flujo del estator.

Al utilizar 2.32 y la transformación de coordenadas al marco de referencia arbitrario,

puede probarse que:

0= = =ds s s qsyλ λ λ λ (2.33)

Lo que indica que el marco de referencia gira sincrónicamente, de tal forma que el eje d

coincide siempre con el vector λs.

La expresión 2.32 debe sustituirse en el modelo de la DFIM en el marco de referencia

arbitrario, expresiones 2.23-2.30, para obtener el modelo de la máquina en el marco de

referencia orientado al flujo del estator. En particular de 2.27, 2.28 y 2.33, se obtiene:

0qs qs qr

s

Mi =- i

Lλ = →

(2.34)



= →ds s ms ds ms dr

s

M=Mi i = (i -i )

Lλ λ (2.35)

Donde ims es la corriente de magnetización estatórica.

Al sustituir 2.34 y 2.35 en 2.29 y 2.30, con el fin de escribir los enlaces de flujo

rotóricos en términos de las corrientes del rotor y de magnetización estatórica, y

sustituyendo las expresiones resultantes en las ecuaciones de voltaje rotórico 2.25 y 2.26, se

obtiene:

' ( )

qr

qr r qr r slip m ms r dr

div R i + L L i L i

dtσ ω σ= + + (2.36)

' dr

dr r dr r slip r qr

div R i + L L i

dtσ ω σ= − (2.37)

Donde: ωslip es la velocidad angular de deslizamiento y σ es el factor de dispersión que

equivale a: 21 ( )s r

M L Lσ = −

Con estas expresiones se diseñan los controladores de corriente que utiliza el MSC para

proporcionar al rotor los voltajes necesarios, cumpliendo así el objetivo de control (control

de voltaje y frecuencia). En realidad, y debido al acoplamiento entre las componentes dq de

la corriente rotórica en 2.36 y 2.37, los controladores de corriente son diseñados con:

'

qr

qr r qr r

div R i + L

dtσ= (2.38)

' dr

dr r dr r

div R i + L

dtσ= (2.39)

Mientras que las referencias de voltaje para el MSC se obtienen sumando la salida del

controlador de corriente considerada (v’dr o v’qr), con el tercer término de 2.36 y 2.37, que

se toma como una señal de compensación para obtener un desacoplamiento en las

componentes dq. La Figura 2.9 muestra un esquemático para el controlador de la máquina.

* ' ( )qr qr slip m ms r drv v L i L iω σ= + + (2.40)


CENIDET 32

* 'dr dr slip r qrv v L iω σ= − (2.41)

Figura 2.9 Estructura del control vectorial para el MSC.

Para el diseño del controlador de voltaje es necesario reescribir las expresiones

presentadas en 2.23 y 2.24 en la forma siguiente, recuérdese que se considera un marco de

referencia alineado con λs.

( )ds ms

ds s ds s ms dr

s

diMv R i R i i M

dt L dt

λ= + = − + (2.42)

qs s qs e ds s qr e ms

s

Mv R i R i Mi

Lω λ ω

= + = − +

(2.43)

Después es posible manipular algebraicamente las expresiones 2.42 y 2.43 para obtener:

1++ = +

ms s

s ms dr ds

s

diT i i v

dt R

σ (2.44)



1+= +

s

e s ms qs qr

s

T i V iR

σω (2.45)

Donde Ts equivale a: s s r

T L L=

Si se supone que la caída de voltaje en la resistencia del estator es despreciable, en 2.23

y 2.24 se cumplirá que:

ds ms

ds s ds

div R i M

dt dt

λω= + ≈ (2.46)

qs s qs e ds e msv R i Miω λ ω= + ≈ (2.47)

Con lo anterior, se tiene que es posible controlar el voltaje estatórico en forma indirecta,

a través del control de ims (o λds), para ello se utiliza la expresión 2.44. El último término en

2.44 puede considerarse como una señal de compensación. El valor de referencia de ims se

determina con 2.47 a partir del voltaje y la frecuencia deseados.

Por otro lado, i’qr puede considerarse un grado de libertad, y se utiliza para forzar la

orientación del marco de referencia, con este fin se utiliza 2.34 para determinar el valor

deseado de i’qr (iqr*).

* = −

s

qr qs

Li i

M (2.48)

La frecuencia constante en el estator se obtiene aplicando al rotor corrientes cuya

frecuencia cumpla con la expresión de deslizamiento. Esto se logra al utilizar los ángulos

θslip y θe, expresión 2.49.

* * *2

= − = − = − = −∫slip e r e m slip e r e r

p y dtω ω ω ω ω θ θ θ ω θ (2.49)

Donde: ωe=2πf, es la frecuencia angular deseada, que obliga al vector de flujo estatórico

a rotar con una frecuencia igual a la demandada y θr es la posición del vector de flujo del

rotor.


CENIDET 34

2.4.2 Orientado al vector de voltaje del estator

El objetivo del GSC es mantener el voltaje del enlace de CD (Vo) constante cuando la

potencia en el DFIG esta fluyendo hacia el rotor (operación subsíncrona) y cuando la

potencia fluye fuera del rotor (operación supersíncrona). La estrategia de control utilizada

es el control vectorial clásico enfocado con un marco de referencia orientado a lo largo de

la posición del vector de voltaje del estator, permitiendo así un control independiente de la

potencia activa y reactiva que fluye entre la carga y el GSC. La estrategia de control consta

de dos etapas; en el nivel interno se tienen los controladores de corriente, Figura 2.10,

mientras que en el externo se tiene el controlador del voltaje del enlace de CD, Figura 2.11

[31].

i

p

s TK

s

+ 2 2

1

L s R

+ dg,qg

idg,qg

v*

dg,qgi

Figura 2.10 Diagrama de bloques utilizado en el diseño de los controladores de corriente del GSC.

o

1

sC

*

oV

dgi

msii

p

s TK

s

+

3m

4

o1I

o2I

Figura 2.11 Diagrama de bloques utilizado en el diseño del controlador de voltaje en el enlace de

CD.

El convertidor back-to-back es regulado en corriente por lo que con la corriente del eje

d (id) se regula el voltaje del enlace de CD y con la componente de corriente del eje q se

regula la potencia reactiva. En la Figura 2.12 se muestra el esquemático del GSC, con el

cual se deducen las ecuaciones necesarias para lograr los objetivos del control [13], [19],

[23].



Figura 2.12 Convertidor del lado de la red.

De la figura anterior podemos encontrar el voltaje a través de los inductores, el cual

puede representarse en forma matricial como se muestra en la expresión 2.50.

1

1

1

a a a a

b b b b

c c c c

v i i vd

v R i L i vdt

v i i v

= + +

(2.50)

Donde: va, vb y vc son los voltajes por fase del GSC, va1, vb1 y vc1 son los voltajes en las

terminales del convertidor GSC. ia, ib e ic son las corrientes de entrada al GSC, R es la

resistencia de salida del GSC y L es la inductancia de salida del GSC.

Usando la transformación de coordenadas y aplicándola a la expresión anterior, se

obtiene:

1

d

d d e q d

div Ri L Li v

dtω= + − + (2.51)

1

q

q q e d q

div Ri L Li v

dtω= + + + (2.52)

El flujo de potencia activa y reactiva que presenta el GSC es:

3( )d d q q

P v i v i= + (2.53)

3( )d q q d

Q v i v i= + (2.54)


CENIDET 36

Necesitamos conocer la posición angular del voltaje del estator ya que el control esta

orientado al vector del voltaje de estator, por lo que se calcula con:

1tane e

vdt

v

β

α

θ ω−

= =∫ (2.55)

Alineando el eje d del marco de referencia a lo largo de la posición del voltaje del

estator (dado en 2.55), vq es cero y puesto que la amplitud del voltaje del estator es

constante, vd resulta ser también constante. Aplicando las consideraciones anteriores a las

expresiones presentadas en 2.53 y 2.54, las ecuaciones de potencia sólo consideran el

primer término de ambas ecuaciones. De estas ecuaciones podemos mencionar que la

potencia activa es proporcional a la corriente id y la potencia reactiva a iq, y de esta forma

pueden ser controladas.

Para obtener las ecuaciones para controlar el voltaje en el enlace de CD debemos

despreciar las pérdidas presentadas en la máquina y en el convertidor y así obtener:

2 1

o

o o o

dVC I I

dt= − (2.56)

De la ecuación anterior podemos observar que el voltaje en el enlace de CD puede ser

controlado mediante el control de la corriente id.

Observando las consideraciones antes mencionadas se deduce que el esquema de

control de corriente utiliza lazos de control para id y para iq, la corriente id demandada (id*)

se deriva del error que presenta el lazo de control del voltaje de enlace de CD a través de un

controlador PI estándar. La corriente iq demandada (iq*) determina el factor de

desplazamiento en los inductores del GSC. La estrategia de control utilizada se muestra en

la Figura 2.13.

Los dos últimos términos de las ecuaciones presentadas en 2.51 y 2.52 son

compensaciones que se utilizan para obtener los valores deseados o de referencia para los

lazos de control de voltaje (vd1* y vq1*) los cuales se presentan en las ecuaciones 2.58 y

2.59, los términos en paréntesis constituyen términos de compensación de voltaje.



Figura 2.13 Estructura del control vectorial para el GSC.

1* ' ( )

d d e q dv v Li vω= − + + (2.57)

1 1* ' ( )

q q e dv v Liω= − − (2.58)

Para obtener los lazos de control únicamente se tiene que manipular apropiadamente las

ecuaciones 2.51 y 2.52. Tomando los dos primeros términos de las ecuaciones y aplicando

transformada de Laplace se obtiene.

( )( ) 1( )

' ( ) ' ( )

qd

d q

i si sF s

v s v s Ls R= = =

+ (2.59)


CENIDET 38

CAPÍTULO 3

39

Diseño e implementación del prototipo

Este capítulo inicia con una breve descripción de los elementos que conforman el banco

de pruebas desarrollado en [20] para posteriormente presentar las etapas que complementan

el banco de pruebas. Además, se describe el diseño y la implementación práctica de cada

una de las etapas.

3.1 Descripción del banco de pruebas

El sistema de generación eoloeléctrica implementado en CENIDET consta de una

máquina de inducción doblemente alimentada funcionando como generador. El DFIG se

utiliza en este tipo de aplicaciones ya que puede generar voltaje y frecuencia constante a

velocidad variable. Se usa un motor de CD de excitación separada para impulsar al DFIG

para emular el comportamiento de una turbina eólica ya que no se tiene una real en el

laboratorio de CENIDET. Se considera que el acoplamiento entre las dos máquinas se

realiza a través de un eje rígido con una caja de engranes ideal.

En la Figura 3.1 se muestra el banco de máquinas eléctricas de DE LORENZO [35], el

cual forma parte del sistema de generación eoloeléctrica. El sistema mostrado consta de

diferentes módulos necesarios para la implementación, entre los cuales se tienen: la


CENIDET 40

máquina de inducción doblemente alimentada la cual se conecta al convertidor back-to-

back, el motor de CD de excitación separada que se utiliza para emular la turbina eólica y

diferentes módulos de alimentación y medición. A continuación se presentan las

características de estos módulos.

Figura 3.1 Banco de máquinas eléctricas de DE LORENZO.

a. Máquina de inducción doblemente alimentada. La DFIM tiene la matrícula

DL10280, su potencia nominal es de ½HP ≈ 372W para un voltaje nominal trifásico

de Vf-f=42Vrms, la conexión de los bobinados de rotor y de estator es en estrella (Y),

con una relación de vueltas 1:1.

b. Motor de CD. Identificado con la matrícula DL10200, el motor tiene un voltaje

nominal de 42V y una potencia de 200W, para su funcionamiento se alimenta por

separado el circuito de armadura y de campo con los módulos DL10017 y DL10306

respectivamente. Variando el voltaje en la armadura se logran hacer los cambios de

velocidad de operación del sistema.

c. Módulo de alimentación automatizado. El módulo DL10017 consta de 3 fuentes de

alimentación: una trifásica variable (de 0 a 26V/14A y de 0 a 46V/10A), una fuente

variable de corriente directa (de 0 a 32V/14A y 46V/14A) y otra fuente de CD fija

Capítulo 3. Diseño e implementación del prototipo


(42V/5A). Este módulo sirve para alimentar al motor de CD y a la DFIM cuando se

realizan pruebas sólo con el MSC.

d. Módulo de medición de velocidad. El sensor colocado en el rotor de la DFIM sirve

para la medición de la velocidad de operación del sistema, el módulo DL10050 es

un transductor compuesto por un instrumento de medición digital, la capacidad de

medición es de 0 a 6000rpm. Además, el módulo consta de 2 pines de salida que

entregan 1V por cada 1000rpm.

e. Módulo de medición de potencia, voltaje y corriente eléctrica. El módulo DL10060

consta de una sección de medidas: La sección de medidas de CA esta compuesta de

3 instrumentos (1 amperímetro, 1 voltímetro y 1 watmetro), mientras que la sección

de medidas de CD esta compuesto por 2 instrumentos (1 amperímetro y 1

watmetro).

Los parámetros de la DFIM se muestran en la Tabla 3.1, esta caracterización se realizó

en [20], los parámetros extraídos de esta caracterización son; las resistencias de los

devanados estatórico y rotórico Rs y Rr y las inductancias de dispersión y magnetizante Ls,

Lr y Lm.

Tabla 3.1 Parámetros de la DFIM.

Rs Rr Ls Lr Lm

0.343Ω 0.312Ω 1.198mH 1.198mH 38.62mH

La DFIM tiene 2 polos y la frecuencia deseada es de 60Hz con esto se obtiene el valor

de la velocidad síncrona a la que opera la DFIM. La variación en la velocidad de operación

se limita a un 11.12% de la velocidad síncrona. En la Tabla 3.2 se muestran los rangos de

operación para la máquina.

Tabla 3.2 Rangos de operación de la DFIM.

Velocidad

subsíncrona

Velocidad

síncrona

Velocidad

supersíncrona

3200 rpm 3600 rpm 4000 rpm


CENIDET 42

3.2 Estructura del sistema

La Figura 3.2 muestra un diagrama general del sistema eoloeléctrico, el cual incluye las

etapas pertenecientes al banco de pruebas desarrollado en [20] y las etapas a las que este

trabajo está dedicado.

Figura 3.2 Sistema de generación eoloeléctrica implementado experimentalmente.

El sistema incluye la máquina de inducción doblemente alimentada, el motor de CD, el

convertidor back-to-back, la carga principal y auxiliar, dispositivos destinados a realizar el

control para cada una de las etapas del sistema y módulos de alimentación y medición

necesarios.

El motor de CD es el que sirve para impulsar a la DFIM, el circuito de armadura y de

campo se alimentan por separado. El rotor de la DFIM se conecta al MSC y el estator al

GSC, los convertidores se encuentran conectados mediante un enlace de CD capacitivo. La

carga se conecta al estator de la máquina y está dividida en dos, carga principal y carga

auxiliar, la carga principal se implementa con el módulo de resistencia trifásica DL10045 y

la carga auxiliar es el emulador de carga descrito en el Capítulo 2, la carga para el

convertidor CD/CD del emulador es parte del banco de DE LORENZO con matrícula



DL10283. Los programas de control para el convertidor y el emulador se encuentran

implementados en 3 dispositivos dsPIC.

3.3 Diseño

El diseño se realiza una vez definidas las etapas que complementan el banco de

pruebas, el cual incluye valores máximos y mínimos de voltaje, corriente o potencia

necesarios para la elección de los dispositivos. Éstos sirven para la implementación práctica

de la etapa de potencia y de control del convertidor back-to-back y del emulador de carga.

3.3.1 Convertidor back-to-back

Para llevar a cabo el diseño del convertidor se necesitan conocer los rangos de

operación de la máquina utilizada en el banco de pruebas, como son: potencia, voltaje y

velocidad. Estos valores son obtenidos a partir de la caracterización de la DFIM realizada

en [20]. Las pruebas realizadas son: prueba de carga, prueba de corriente continua, prueba

sin carga, prueba a rotor bloqueado y prueba en un punto de operación nominal, los

parámetros obtenidos con esta prueba se encuentran en la Tabla 3.1.

Una vista general de los dispositivos elegidos y con los cuales se construyen las

diferentes etapas del convertidor se muestra en la Figura 3.3.

Figura 3.3 Módulos para la construcción del convertidor back-to-back.


CENIDET 44

Las especificaciones del convertidor conectado a la DFIM para generar 42Vrms se

resumen en la Tabla 3.3.

Tabla 3.3 Especificaciones del convertidor back-to-back para el banco de pruebas.

Parámetro Descripción Mín. Máx.

Vo [V] Voltaje en el enlace de CD 50 120

ipico [A] Corriente pico de carga - 10

fnom [kHz] Frecuencia nominal de conmutación 10 20

vs máx. [V] Esfuerzo máximo de voltaje en un interruptor - Vo máx. + 2%

is máx. [A] Esfuerzo máximo de corriente en un interruptor - ±15

Los dispositivos de potencia elegidos forman parte de un sistema de potencia integrado

(CiPoS), que consta de un módulo trifásico de seis IGBT con matrícula IKP15N60 de

Infineon Technologies, con tecnología trenchstop, cuyos rangos de operación permiten su

utilización con máquinas de inducción doblemente alimentadas (DFIM) de mayor tamaño

para futuros trabajos.

Para la técnica de control vectorial y la modulación por ancho de pulso se utiliza un

controlador digital de señal con matrícula dsPIC30F3010 de Microchip, este dispositivo

contiene librerías adecuadas para el control de motores de inducción y además, contiene

librerías para la generación del patrón PWM. El dispositivo elegido para acoplar las señales

PWM que salen del dsPIC con las compuertas de cada uno de los IGBT es el PC923 de

Sharp, el cual es un impulsor que tiene un optoacoplador integrado como medio de

protección, esto para desacoplar las señales de control del sistema de potencia.

3.3.2 Emulador de carga

Para el diseño del emulador de carga se considera el diagrama mostrado en la Figura

3.4, en donde se tiene una carga principal y una carga auxiliar, la carga auxiliar se emula

con un convertidor CD/CD alimentando una carga de tipo resistivo, para generar el ciclo de

trabajo del interruptor se debe sensar el voltaje en el estator de la máquina, para poder



determinar cuando exista una cantidad de potencia diferente a la demandada por la carga

principal, en este caso es cuando el emulador de carga entra en funcionamiento.

Carga principal

De Lorenzo

DL10045

Puente

rectificador

Powerex

ME400803

Interruptor

MOSFET

IRFB4710

Carga

De Lorenzo

DL10283

Impulsor

Sharp

PC923

Controlador

Microchip

dsPIC30F3010

Figura 3.4 Módulos para la construcción del emulador de carga.

El motor de CD que impulsa a la DFIM es pequeño, por lo que no se puede considerar

el caso en el que la potencia generada por la DFIM sea mayor a la potencia consumida por

la carga principal. Por esta razón, se realiza una división de potencia como una forma de

probar el correcto funcionamiento del emulador de carga. Primero se hace una prueba del

sistema completo utilizando sólo la carga principal, posteriormente para probar la carga

auxiliar se considera que la carga principal consume sólo el 80% de la potencia generada,

dejando que la carga auxiliar consuma el 20% restante.

La carga principal es de tipo resistivo, para el cálculo de los valores de las resistencias

se consideran los parámetros de la DFIM, potencia nominal de aproximadamente 372W y

voltaje nominal de Vf-f=42Vrms. El valor asignado a la carga principal es de RL=11Ω.

Para la construcción de la carga auxiliar se tomaron también los parámetros de la

máquina. La carga del convertidor CD/CD sólo debe consumir un 20% de la potencia total

generada por el sistema. El puente rectificador elegido es el ME400803 de Powerex

Semiconductors, cuyos rangos de operación permiten su utilización con máquinas más

grandes. El interruptor elegido según los parámetros de la DFIM es el IRFB4710 de

International Rectifier, el cual soporta el doble de la potencia que debe consumir.


CENIDET 46

Cabe mencionar que para realizar el diseño de las etapas no se considera un análisis de

pérdidas.

Para tener un análisis de pérdidas, se puede tomar el caso en el que se extraiga el máximo

de potencia del motor de corriente continua, aún con una eficiencia alta del convertidor, la

potencia de la máquina de corriente continua no es suficiente para aumentar la carga y

despreciar las pérdidas por fricción y conducción en la DFIM.

3.4 Implementación etapa de potencia

En este punto se presenta la a implementación de la etapa de potencia del convertidor

back-to-back y del convertidor CD/CD el cual forma parte del emulador de carga. El

convertidor incluye los dos convertidores inversor/rectificador puente completo y el enlace

de CD.

3.4.1 Convertidor del lado de la máquina

El circuito completo para el MSC se muestra en la Figura 3.5, el cual incluye los

impulsores utilizados en la implementación y cada uno de los componentes necesarios. Se

debe tener en cuenta que las entradas a este convertidor son las fases a, b y c del rotor,

cuando se este trabajando a velocidad supersíncrona; y cuando este en velocidad

subsíncrona las fases a, b y c del rotor son las salidas.

Los dispositivos de potencia utilizados forman parte de un sistema de potencia

integrado (CiPoS), que consta de un módulo trifásico formado de dispositivos IGBT con

matrícula IKP15N60 de Infineon Technologies, con tecnología trenchstop, cuyos rangos de

operación son: voltaje de Vce=600V, Ic=30A a 25°C, frecuencia máxima fnom=20KHz,

capacitancia de entrada Ciss=860pF.

El dispositivo elegido para generar las señales de compuerta fue el circuito integrado

PC923 de Sharp, el cual es un impulsor para dispositivos IGBT con un optoacoplador de

alta velocidad incluido, entre sus aplicaciones se encuentra el control de inversores.



Para reducir los problemas de interferencia en las señales de compuerta de los IGBT se

diseñó una misma placa para los impulsores y para el módulo trifásico, la Figura 3.5

muestra el esquemático que se siguió para la realización de la placa del MSC.

PC923

R1

+15V

RgC1

2

3

8

5

6

7

PC923

R1

+15V

Rg

2

3

8

5

6

7

R2

a cb

Qr1 Qr2 Qr3

Qr4 Qr5 Qr6

(+)

(-)

Enlace de DC

C

O

N

T

R

O

L

R2

C1

Figura 3.5 Esquemático para el MSC.

Los valores de resistencia y capacitancia para el integrado PC923 se obtuvieron como

lo indica la hoja de datos, resultando en valores de: R1=330Ω, que sirve para limitar la

corriente de entrada, R2=180Ω, Rg=10Ω y C1=0.01µf. Otra especificación de las placas son

las fuentes de alimentación, se utilizan fuentes de alimentación separadas para cada uno de

los impulsores superiores (Qr1, Qr2 y Qr3), mientras que para los impulsores inferiores se

utiliza una sola fuente (Qr4, Qr5 y Qr6).

La Figura 3.6 muestra el esquemático del módulo CiPoS de IGBTs con su apropiada

conexión.

Figura 3.6 Esquemático para el módulo CiPoS.


CENIDET 48

3.4.2 Convertidor del lado de la red

El circuito completo para el GSC se muestra en la Figura 3.7, el cual incluye los

impulsores utilizados y cada uno de los componentes necesarios para su implementación.

Las especificaciones para esta placa son iguales a las presentadas en la implementación del

MSC, sólo que en este convertidor la entrada ahora será el enlace de CD cuando esté

trabajando a velocidad supersíncrona y la salida cuando este trabajando a velocidad

subsíncrona.

Figura 3.7 Esquemático para el GSC.

En la Figura 3.8 se presenta una imagen de la placa implementada para el convertidor,

esta placa es la misma para el MSC y para el GSC, ya que ambos tienen la misma

configuración, sólo debe distinguirse que las entradas y salidas son diferentes para cada

uno.

Figura 3.8 Implementación de la placa para los convertidores.



3.4.3 Enlace de CD

Para la construcción del enlace de CD se deben tomar en cuenta las especificaciones de

voltaje, corriente y potencia del sistema, donde la más importante es el valor de voltaje al

cual se va a regular el enlace. El voltaje mínimo es de Vo=50 V y el máximo de Vo=120 V.

Se elige una capacitancia de 1000µf, la especificación para elegir este valor es, escoger

un valor grande para así eliminar el rizo de la corriente, este mismo enfoque es utilizado en

[13], [18], [23]. No se realiza un análisis formal de este valor porque el objetivo de esta

tesis no trata el estudio de cómo obtener un valor óptimo para el capacitor de enlace. El

esquemático para el enlace de CD se presenta en la Figura 3.9.

Figura 3.9 Esquemático para el enlace de CD.

Se utiliza un arreglo de capacitores, ya que para el valor elegido de capacitancia sólo

existen capacitores electrolíticos y estos no presentan buenas características, por lo que se

utilizan tres capacitores electrolíticos de aluminio en paralelo, esto para formar el valor

deseado y se agrega un capacitor de mejor calidad de tipo MKP, este arreglo se realiza para

disminuir la resistencia serie que presentan los capacitores electrolíticos, esto se hace con la

ayuda del capacitor del tipo MKP ya que su resistencia es mucho menor a la presentada en

los capacitores electrolíticos. Los valores para los capacitores utilizados son: C1=47µf

(electrolítico) y C2=0.22µf (MKP).

En la Figura 3.10 se muestra una imagen completa del convertidor back-to-back, la cual

incluye: el MSC (i.), el GSC (l.), el enlace de CD (j.) y las fuentes de alimentación para

cada uno de los impulsores (h. y k.).


CENIDET 50

Figura 3.10 Implementación del convertidor back-to-back.

3.4.4 Convertidor CD/CD

En un sistema aislado, es necesario considerar aquellas condiciones de operación en las

que se colecta del viento una cantidad de potencia diferente a la demandada por la carga.

Por esta razón se elige introducir una carga auxiliar al sistema.

El emulador de carga propuesto esta constituido por una carga principal de tipo

resistivo y una carga auxiliar que emula la existencia de una resistencia variable. Esta carga

se representa por un rectificador que alimenta una carga de tipo resistivo por medio de un

convertidor CD/CD, esto se muestra en la Figura 3.11.

La carga principal es de tipo resistivo, se calcula para que consuma el 80% de la

potencia total del sistema. El valor asignado a la carga principal es: RL=11Ω, no es

necesaria su implementación debido a que dentro del banco de máquinas de DE LORENZO

se encuentra un módulo de resistencia trifásica.

La carga resistiva que se va a utilizar tiene una capacidad de disipar 3x100W, una

resistencia variable de 0 a 68Ω y esta conectada en Y, dicho módulo es el DL10045.



Figura 3.11 Esquemático del emulador de carga.

Para la construcción de la carga auxiliar se tomaron los valores obtenidos en la

simulación. En la Figura 3.12 se muestra el esquemático de la carga auxiliar. La carga

auxiliar sólo debe consumir un 20% de la potencia total que genera el sistema, por lo que se

calculó con los siguientes valores: un voltaje de entrada de VL=35V y una corriente de

Iaux=0.8A, con esto se calculó la potencia que debía ser capaz de disipar y fue de

Paux=48.49W. Para la carga del convertidor se utiliza el módulo DL10283 del banco de

máquina eléctricas de DE LORENZO, capas de disipar 3x90W y con una resistencia

variable de 0 a 60Ω, la resistencia que debe tener como carga el convertidor CD/CD es de

Raux=44Ω.

Figura 3.12 Esquemático de la carga auxiliar.

La elección de los dispositivos se hizo con respecto a la disponibilidad, por lo que para

el puente rectificador trifásico se utilizó el dispositivo con matrícula ME400805, con un


CENIDET 52

voltaje Vmax=800V y una corriente de Imax=30A, el fabricante es Powerex Semiconductors.

El MOSFET utilizado es el IRFB4710 de International Rectifier, que soporta un voltaje

VDSS=100V, una corriente ID=75A a 25°C y tiene una resistencia de encendido de

RDS=14mΩ.

El capacitor que se utilizó es un capacitor electrolítico y tiene un valor de Caux=1000µf.

En la Figura 3.13 se muestra una imagen de la placa que se implementó para la carga

auxiliar.

Figura 3.13 Implementación del emulador de carga.

3.5 Implementación etapa de control

El convertidor back-to-back necesita controlarse utilizando técnicas de control vectorial

clásico, cada uno de los inversores/rectificadores tiene un objetivo de control diferente, el

MSC controla al DFIG y el GSC controla el voltaje en el enlace de CD. El emulador de

carga contiene un convertidor CD/CD, al cual se le debe controlar el ciclo de trabajo para

que consuma la potencia excedente que se genera.

Esta sección se divide en tres puntos, en la primera se explica que tipo de dsPIC se

utiliza para la implementación de los programas de control, en la segunda se presentan los

diagramas de flujo para el control en lazo cerrado utilizados en simulación y en lazo abierto

utilizados en el prototipo experimental, por último, se presenta la implementación de estas

etapas.



3.5.1 Selección del microcontrolador

Un Controlador Digital de Señal (Digital Signal Controller: DSC) es un potente

microcontrolador (MCU) de 16 bits al que se le han añadido las principales capacidades de

los DSP. Es decir, los DSC poseen todos los recursos de los mejores microcontroladores de

16 bits conjuntamente con las principales características de los DSP, permitiendo su

aplicación en el extraordinario campo del procesamiento de las señales analógicas y

digitales.

La serie dsPIC30F ocupa una situación muy cercana a los DSP y a los

microcontroladores de 32 bits, es decir, no alcanza pero se acerca bastante a los niveles de

rendimiento y prestaciones de los grandes microcontroladores y de los DSP.

Existen tres familias de la serie dsPIC30F que se caracterizan por su utilización final,

las cuales son:

1. Familia de dispositivos de propósito general.

2. Familia de dispositivos para control de motores y sistemas de alimentación.

3. Familia de dispositivos para control de sensores.

De acuerdo a la amplia diversidad de modelos de la serie dsPIC30F en el mercado, la

búsqueda se reduce a la familia de dispositivos para control de motores y sistemas de

alimentación.

Esta familia de DSC reúne siete modelos diseñados para soportar aplicaciones de

control de motores, tales como motores de corriente continua y de inducción. También son

adecuados para sistemas de alimentación ininterrumpibles, inversores, fuentes de

alimentación conmutadas, para corrección del factor de potencia y para el control de la

energía en equipos industriales y de alimentación [33].

Los dsPIC30F son idóneos para la regulación de la velocidad, la posición y la dirección

de giro de los motores, así como el control de la anchura de pulsos tanto en el campo de

control de motores de corriente continua como de corriente alterna.


CENIDET 54

En las Tablas 3.4 y 3.5 se presentan las características principales de los diferentes

dsPICs de la familia 30F adecuados para el control de motores de inducción alterna. Entre

las características significativas de los dsPIC30F para este campo de aplicaciones se citan el

módulo PWM, los temporizadores programables y el convertidor A/D de 10 bits y

500Ksps. También existen dispositivos más grandes de 40, 64 y 80 pines.

Tabla 3.4 Modelos de dispositivos dsPIC30F para el control de motores.

Memoria de

programa flash Dispositivo Pines

Bytes Instrucciones

SRAM EEPROM

Entradas

modo

captura

Salidas

modo

comparador

dsPIC30F2010 28 12KB 4KB 512B 1024B 4 2

dsPIC30F3010 28 24KB 8KB 1024B 1024B 4 2

dsPIC30F4012 28 48KB 16KB 2048B 1024B 4 2

Tabla 3.5 Modelos de dispositivos dsPIC30F para el control de motores.

Dispositivo Control

de motores

A/D 10-Bit

500Ksps

Codificación

de cuadratura

UART

UART SPI I2C CAN

Líneas

E/S

dsPIC30F2010 6 canales 6 canales Si 1 1 1 - 20

dsPIC30F3010 6 canales 6 canales Si 1 1 1 - 20

dsPIC30F4012 6 canales 6 canales Si 1 1 1 1 20

De acuerdo a las características que presenta cada uno de estos dispositivos, se opta por

trabajar con el modelo dsPIC30F3010, este DSC se encuentra en un nivel intermedio de

características y es óptimo para esta aplicación. No se eligió el dsPIC30F4012 ya que para

esta aplicación no se necesita toda la memoria que contiene este dsPIC, también, pudo

elegirse el dsPIC30F2010 pero por la disponibilidad y costo se selecciona el

dsPIC30F3010.

3.5.2 Programación

Una vez seleccionado el dsPIC, deben definirse los pasos para la realización del

programa para el control en lazo cerrado y en lazo abierto de los convertidores. En el inciso



A se presentan los diagramas de flujo para el control del convertidor back-to-back y del

emulador de carga, estos diagramas son utilizados en simulación. En el inciso B se

presentan los diagramas utilizados durante la implementación experimental.

A. Lazo Cerrado

El convertidor back-to-back se controla mediante técnicas de control vectorial clásico,

dependiendo de lo que se quiera lograr se debe alinear el marco de referencia con algún

vector de la máquina.

a. Convertidor del lado de la máquina

El MSC sirve para controlar el voltaje y la frecuencia en el DFIG, utilizando técnicas de

control vectorial clásico. Los controladores se diseñan bajo un esquema de control

orientado al vector del flujo del estator, el cual consta de dos etapas en cascada, en el nivel

interno se tienen los controladores de corriente y en el nivel externo el controlador de

voltaje en el estator.

El control para el MSC lo realiza el dsPIC mediante los diagramas de flujo que se muestran

en las Figuras 3.14 y 3.15.

Figura 3.14 Diagrama de flujo para el control del MSC.


CENIDET 56

En la Figura 3.14 se especifican los parámetros necesarios para la aplicación de la

técnica de control. El diagrama de flujo inicia con la lectura y captura de los datos

necesarios para realizar el control vectorial clásico, una vez aplicada la ley de control

(control vectorial orientado al vector de flujo del estator) se envía el vector de referencia

para la generación del patrón PWM, la modulación de ancho de pulso la realiza el dsPIC

internamente, lo único que se realiza es un código para programar algunos registros.

En la Figura 3.15 se muestran cada uno de los pasos a seguir para la aplicación de la ley

de control, iniciando con la transformación de coordenadas de cada una de las variables

involucradas, esto se realiza en dos pasos, primero de abc hacia αβ y posteriormente a dq,

el siguiente paso es aplicar la ley de control, desarrollada en el Capítulo 2, y por último se

realiza nuevamente transformación de coordenadas pero ahora inversa.

Figura 3.15 Diagrama de flujo para el control vectorial del MSC.

b. Convertidor del lado de la red

El objetivo del control para el GSC es mantener constante el voltaje en el bus de CD, la

estrategia de control usada esta orientada al vector de voltajes del estator. En las Figuras

3.16 y 3.17 se muestran los diagramas de flujo necesarios para aplicar la ley de control

vectorial.

Al igual que en el control para el MSC en la Figura 3.16 se inicia con la captura y

lectura de datos necesarios para controlar al GSC, posteriormente se aplica la ley de

control, explicada en la Figura 3.17, y finalmente los vectores de referencia resultantes de

la ley de control son enviados al modulador de ancho de pulso para obtener el patrón PWM,

el cual se coloca en las compuertas de los interruptores del convertidor.



Figura 3.16 Diagrama de flujo para el control del GSC.

En la Figura 3.17 se presentan los pasos a seguir para la aplicación de la ley de control.

El control vectorial inicia con una transformación de coordenadas de abc a dq, esto se hace

ya que es más fácil considerar el modelo de la máquina en dos fases que considerar el

modelo trifásico de la máquina. El siguiente paso es calcular las referencias y

compensaciones necesarias para los controladores de voltaje y de corriente. Una vez

obtenido el vector de referencia el cual contiene la información para controlar el voltaje en

el enlace de CD, se procede nuevamente a la transformación de coordenadas de dq hacia

abc, esto se realiza en dos pasos, primero de dq a αβ y posteriormente de αβ a dq.

Figura 3.17 Diagrama de flujo para el control vectorial del GSC.

c. Convertidor CD/CD

Para generar el ciclo de trabajo del interruptor del convertidor CD/CD, se debe sensar el

voltaje en la carga, el cual se obtiene en el estator de la máquina y por el GSC,


CENIDET 58

posteriormente debe compararse este voltaje con un voltaje de referencia, el voltaje de

referencia es determinado según los valores máximos generados por el DFIG, 60Hz y 42V.

En la Figura 3.18 se muestra el diagrama a bloques para el control del convertidor.

Figura 3.18 Diagrama de flujo para el control de la carga auxiliar.

B. Lazo Abierto

Para el prototipo experimental se considera sólo un control en lazo abierto, el cual

proporciona un control simple a velocidad variable para la máquina de inducción, dentro

del programa se tiene un control de frecuencia y amplitud de la señal de salida, la

modulación PWM que se aplica es la modulación sinusoidal por ancho de pulso.

La señal de referencia para obtener el patrón PWM se introduce generando una onda

sinusoidal, la forma más fácil de generarla es usando una tabla que contiene cada uno de los

puntos que la describan, esto se realiza mediante el programa dsPICworks, en el cual se le

asigna el valor de frecuencia y amplitud necesarios para cumplir los objetivos de control.

La señal que se introduce tiene una frecuencia de 60Hz y una amplitud de 42V, esto se

selecciona de esta forma ya que son los valores máximos que la máquina puede generar en

el estator.

La señal portadora (onda triangular) es programada por medio de los registros que

contiene el módulo PWM del dsPIC, aquí se debe introducir la frecuencia de conmutación

y el tiempo muerto entre las señales PWM que se generan.



El control de la velocidad y frecuencia se realiza aplicando el perfil llamado volts-hertz

(perfil VF), en el cual, si se realiza un ajuste en la frecuencia debe también ajustarse en una

cantidad proporcional el voltaje de salida. Esta relación entre voltaje y frecuencia en una

DFIM que trabaja a velocidad variable se le llama perfil VF [36].

La variación del perfil VF se realiza por medio de dos potenciómetros conectados en los

pines destinados al convertidor analógico/digital, al variar estos potenciómetros el

programa presenta una interrupción para leer estos valores que afectan a los datos

introducidos en la tabla sinusoidal, y así, la salida sea afectada conforma a los nuevos datos

de frecuencia y voltaje que se le envía. Cuando se varía la frecuencia hay que variar de

manera proporcional el potenciómetro que controla a la amplitud de la señal. En la Figura

3.19 se muestra un diagrama de flujo para el programa en lazo abierto del convertidor.

El diagrama de flujo presentado en la Figura 3.19 es el mismo para el control del MSC,

del GSC y del emulador de carga, únicamente lo que cambia en cada programa son los

datos que contiene la onda sinusoidal que se introduce al dsPIC. Los códigos para el

convertidor y el emulador se presentan en el Anexo B.

Figura 3.19 Diagrama de flujo para el control del convertidor.


CENIDET 60

3.5.3 Implementación

Para la implementación de los circuitos de control para el convertidor back-to-back se

utiliza un controlador digital de señal y aplicando el diagrama de flujo mostrado en la

Figura 3.19 el circuito completo para la etapa de control se muestra en la Figura 3.20, las

salidas del modulador PWM son las entradas a las compuertas de cada uno de los

convertidores inversor/rectificador.

El microcontrolador utilizado es el dsPIC30F3010 de Microchip, la frecuencia de

conmutación utilizada es fpwm=16KHz con tiempos de muertos de Tcy=2µs. Los valores de

resistencia y capacitancia para el circuito son: R1=470Ω, R2=33KΩ, R3=R4=10KΩ,

C1=10nf, y C2=C3=33pf. Las salidas PWM se encuentran entre los pines 21 a 26.

Figura 3.20 Esquemático para la placa de control.

El esquemático mostrado en la Figura 3.20 sirve para la implementación del control

para el MSC y para el GSC. Para el control del ciclo de trabajo del interruptor del

convertidor CD/CD se utiliza el mismo esquemático, únicamente tomando como salida el

pin 26. En la Figura 3.21 se presenta una imagen de la placa implementada para el control.



Figura 3.21 Implementación de la placa de control.

El potenciómetro R3 sirve para variar la frecuencia de la señal sinusoidal introducida en

el programa, esta señal es de 60Hz y con el potenciómetro únicamente se varía para tener

una frecuencia menor. El potenciómetro R4 sirve para variar la amplitud de la señal

sinusoidal.

Al variar cualquiera de estos potenciómetros se obtiene un cambio en el perfil VF, el

cual ocasiona un cambio en la señal de salida que sirve para generar el patrón PWM. Se

puede decir que se tiene un control en la frecuencia y la amplitud del sistema.


CENIDET 62

CAPÍTULO 4

63

Simulaciones y resultados experimentales

El sistema de generación eoloeléctrica colecta la energía del viento por medio de la

turbina eólica, en este trabajo, esta acción la realiza un motor de CD. Para ello, el motor

produce un movimiento giratorio que transfiere la potencia colectada hacia el generador. El

generador transforma la energía mecánica que recibe en energía eléctrica para alimentar la

carga (carga principal y carga auxiliar). La operación del sistema se controla mediante el

convertidor back-to-back.

En este capítulo se presentan los resultados de simulación y experimentales. En

simulación se presentan diferentes tipos de pruebas, como variaciones en algunos

parámetros, estas pruebas sirven para validar los lazos de control en lazo cerrado del

sistema. En la parte experimental se muestran pruebas para diferentes puntos de operación,

el parámetro que se varía es la velocidad de operación a la que trabaja el generador.

4.1 Resultados de simulación

En esta sección se presentan los resultados de simulación del sistema de generación

eoloeléctrica, desarrollado en el programa Matlab. Para modelar cada una de las etapas que

conforman el sistema se utilizan las ecuaciones que se presentan en el Capítulo 2.


CENIDET 64

El programa para la simulación del sistema WEC incluye el DFIG, el convertidor back-

to-back y el emulador de carga. Además, se considera que un motor de CD con excitación

separada, controlado en velocidad, impulsa el DFIG. Las simulaciones consideran una

carga principal de tipo RL trifásica conectada en estrella (Y) a las terminales del estator,

mientras que la carga auxiliar es un convertidor CD/CD que alimenta una carga de tipo

resistivo.

Las etapas del sistema se implementan con el paquete Simulink de Matlab, el modelo

del DFIG, del motor de CD y del control para el MSC se desarrollan con funciones S, las

funciones S se utilizan para generar programas en lenguaje C, lo que permite aumentar la

velocidad para modelar en Simulink de Matlab. El convertidor, el emulador de carga y el

control para el GSC se implementan en el ambiente Simulink. Las librerías de simulación y

los programas en funciones S se presentan en el Anexo C.

En la Tabla 4.1 se muestran los parámetros que se utilizan en la simulación para el

DFIG, se considera uno de 50hp y 460Vrms.

Tabla 4.1 Parámetros del DFIG para simulación.

Rs Rr Ls=Lr Lm J B P

0.087Ω 0.228Ω 0.8mH 34.7mH 1.662kg⋅m2 0.1N⋅m⋅s 4

Para el motor de CD se considera uno de 200hp, en la Tabla 4.2 se presentan los

parámetros del motor.

Tabla 4.2 Parámetros del motor de CD para simulación.

rf ra Lf La Laf Jm Bm

12Ω 0.012Ω 9H 35mH 0.18H 30kg⋅m2 0.01N⋅m⋅s

El voltaje del enlace de CD se regula a 700V. Se considera que el acoplamiento entre

las dos máquinas se realiza mediante un eje rígido con una caja de engranes ideal y tiene

Capítulo 4. Simulaciones y resultados experimentales


una relación de N1/N2=ωDFIG/ωmotorCD=4. Los valores para la carga tipo RL son: RL=10Ω y

LL=15mH.

Los rangos de operación en la velocidad del sistema se presentan en la Tabla 4.3. La

variación en la velocidad se limita a un ±11.1% de la velocidad síncrona.

Tabla 4.3 Velocidad de operación de la DFIM para simulación.

Velocidad

subsíncrona

Velocidad

síncrona

Velocidad

supersíncrona

1600 rpm 1800 rpm 2000 rpm

Los controladores que se utilizan en el control del MSC y del GSC son de tipo

proporcional-integral (PI). Se utiliza el método del lugar de las raíces para diseñarlos. En la

Tabla 4.4 se presentan los controladores de voltaje y corriente para el MSC y en la Tabla

4.5 los controladores para el GSC.

Tabla 4.4 Controladores para el MSC.

Tipo de controlador Controlador

Voltaje scv

18.35G (s) 3.67

s= +

Corriente sci

134.2G (s) 0.671

s= +

Tabla 4.5 Controladores para el GSC.

Tipo de controlador Controlador

Voltaje ocv

207.2G (s) 2.59

s= +

Corriente oci

2.835G (s) 0.189

s= +


CENIDET 66

Las simulaciones del sistema de generación eoloeléctrico se implementan en lazo

cerrado. El resultado permite verificar la adecuada implementación de los modelos: de la

DFIM operando como generador, del convertidor back-to-back y de los controladores del

MSC y del GSC.

Se han definido una serie de pruebas para validar y evaluar la operación del sistema en

simulación. Las pruebas se dividen en:

• Variación en la velocidad de referencia del sistema.

• Variación en la frecuencia.

• Variación en el voltaje del enlace de CD.

4.1.1 Variación en la velocidad de operación

Cada convertidor que conforma el convertidor back-to-back tiene un objetivo de

control, el MSC debe mantener el voltaje y frecuencia constante en el estator y el GSC debe

mantener constante el voltaje en el enlace de CD, esto debe lograrse aun cuando se

presenten variaciones en la velocidad de operación del sistema. A continuación se

presentan pruebas estáticas y dinámicas.

A. Pruebas estáticas

Las pruebas estáticas se realizan para evaluar el comportamiento de los controladores

del MSC y del GSC a diferentes velocidades de operación. Las pruebas estáticas consisten

en simular el sistema WEC en tres modos de operación: a velocidad subsíncrona, a

velocidad síncrona y a velocidad supersíncrona.

En estas pruebas se muestran los voltajes y corrientes en el rotor, estator y en el GSC.

Además, se muestran las potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor.

En la Figura 4.1 se presenta una gráfica en donde se pueden apreciar los tres modos de

operación.



Figura 4.1 Velocidad de operación.

a. Prueba velocidad subsíncrona

Las formas de onda que se obtienen durante la simulación del sistema de generación

eoloeléctrica a velocidad subsíncrona (-11.1% de la velocidad síncrona) se presentan en las

Figuras 4.2 y 4.3. En este modo de operación el GSC trabaja como inversor y el MSC como

rectificador.

Figura 4.2 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC a velocidad subsíncrona.


CENIDET 68

En la Figura 4.2 se presentan los voltajes y corrientes en el rotor, en el estator y en el

GSC respectivamente. Para el voltaje del estator se ha solicitado un voltaje pico de 311.13V

(para que el voltaje rms sea de 220V) y una frecuencia de 60Hz. Esta figura demuestra que

tanto el control del MSC como el control del GSC se mantienen operando adecuadamente.

De acuerdo con la Figura 4.3 las potencias activa y reactiva en la carga mantienen un

valor medio constante, los valores son: PL=11KW y QL=6KVA. Las potencias en el rotor

indican que el generador consume potencia, ya que el signo de la potencia es positivo.

Figura 4.3 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor a velocidad subsíncrona.

b. Prueba a velocidad síncrona

Las Figuras 4.4 y 4.5 muestran las curvas obtenidas durante la simulación del sistema

de generación operando a velocidad síncrona.

En la Figura 4.4 se muestra en la parte superior el voltaje y corriente en el rotor, en la

cual se puede observar que la corriente de excitación al rotor se mantiene constante como

era de esperarse.

En la parte intermedia de la Figura 4.4 se muestra el voltaje y corriente en el estator, el

cual cumple con los valores de amplitud y frecuencia solicitados. Por último, se muestra el



voltaje y corriente en el GSC. En este modo de operación el GSC opera en la región límite

entre rectificación e inversión.

Figura 4.4 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC a velocidad síncrona.

Figura 4.5 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor a velocidad síncrona.

Las potencias activa y reactiva permanecen constantes durante la operación a velocidad

síncrona como se muestra en la parte superior de la Figura 4.5, en cambio las potencias en


CENIDET 70

el rotor disminuyen, esto sucede ya que de forma ideal no debe existir flujo de energía a

través del convertidor, por lo que el MSC no da corriente al rotor, sin embargo, existen

pérdidas debidas a los elemento parásitos, por lo que el MSC sigue entregando energía al

circuito rotórico pero en una cantidad menor.

c. Prueba a velocidad supersíncrona

Las Figuras 4.6 y 4.7 muestran los resultados de la simulación del sistema operando a

velocidad supersíncrona (+11.1% de la velocidad síncrona). En este modo de operación el

MSC trabaja como rectificador y el GSC como inversor.

Figura 4.6 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC a velocidad supersíncrona.

En la Figura 4.6 se puede observar que el voltaje en el estator permanece constante. La

corriente en el GSC es menor en este modo que en el modo a velocidad subsíncrona. Los

resultados confirman la capacidad del control para continuar su regulación.

Las potencias activa y reactiva en la carga permanecen constantes, como se muestra en

la Figura 4.7. Las potencias en el rotor indican que el DFIG genera potencia, ya que el

signo de la potencia es negativo.



Figura 4.7 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor a velocidad supersíncrona.

B. Pruebas dinámicas

Las pruebas dinámicas se realizan para verificar el funcionamiento del sistema ante

cambios en la velocidad de operación. Estas pruebas se realizan haciendo cambios en la

velocidad del sistema para poder evaluar la capacidad del control vectorial, cuyos objetivo

para el MSC es mantener el voltaje del estator constante en amplitud y frecuencia y para el

GSC mantener constante el voltaje en el enlace de CD. Las pruebas realizadas son:

incremento y decremento en la velocidad a la que trabaja el sistema y una prueba de

recuperación de energía, en la cual se realiza un incremento y un decremento de la

velocidad de operación.

a. Transición de velocidad subsíncrona a supersíncrona

Las Figuras 4.8 a 4.10 muestran el resultado obtenido durante la simulación del sistema

ante un cambio de velocidad. Se realiza un incremento en escalón de la velocidad de

referencia, iniciando en velocidad subsíncrona hasta llegar a velocidad supersíncrona.

En la Figura 4.8 se presenta el incremento en escalón de la velocidad de referencia, este

cambio se hace en el motor de CD, el cual es el encargado de impulsar al DFIG, en esta

figura se puede apreciar el paso de velocidad subsíncrona a supersíncrona en


CENIDET 72

aproximadamente 1.5s. Esta prueba se realiza con el fin de poder ver los cambios que se

presentan en los voltajes, corrientes y potencias en rotor y estator.

Figura 4.8 Incremento en la velocidad de operación, velocidad subsíncrona a supersíncrona

(1800rpm a 2000rpm).

En la Figura 4.9 se puede observar que el voltaje en el estator permanece constante en

amplitud y frecuencia durante el cambio de velocidad, mientras que la corriente de rotor

reduce su frecuencia conforme se aproxima el generador a su velocidad síncrona y

nuevamente la aumenta cuando la supera. En el punto de cruce por la sincronía la corriente

de rotor invierte la secuencia de las fases.

Figura 4.9 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC de subsíncrona a supersíncrona.



En la gráfica de voltaje y corriente en el rotor, mostrada en la Figura 4.9, se puede

observar que cuando el sistema trabaja a velocidad subsíncrona se observa que el

desplazamiento de fase entre la corriente y el voltaje es cercano a cero, mientras que

cuando trabaja a velocidad supersíncrona el desplazamiento de fase entre voltaje y corriente

va creciendo y acercándose a 180°.

En la Figura 4.10 se muestran el voltaje en el enlace de CD y las potencias activa y

reactiva tanto en la carga como en el rotor. Analizando las potencias en el rotor se puede

apreciar que el flujo de potencia se invierte, de consumirla a generarla, aproximadamente

en 1.5s que es el cruce de velocidad síncrona. Las potencias en la carga permanecen

constantes. La regulación del enlace de CD permanece constante durante todo el tiempo

que dura la variación de la velocidad.

Figura 4.10 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de subsíncrona a supersíncrona.

b. Transición de velocidad supersíncrona a subsíncrona

Las Figuras 4.11 a 4.13 muestran el resultado obtenido durante la simulación del

sistema durante el cambio de modo de operación de supersíncrono hasta subsíncrono. En la

Figura 4.11 se presenta el decremento en escalón de la velocidad de operación.


CENIDET 74

Figura 4.11 Decremento en la velocidad de operación, velocidad supersíncrona a subsíncrona

(2000rpm a 1800rpm).

En la Figura 4.12 se puede observar que el voltaje en el estator permanece constante en

amplitud y frecuencia durante todo el cambio de velocidad, la corriente de rotor reduce su

frecuencia conforme se aproxima el generador a su velocidad síncrona, al cruzar por la

velocidad síncrona invierte la secuencia de las fases y nuevamente aumenta la frecuencia

cuando supera la velocidad subsíncrona. Al igual que en la prueba anterior el voltaje y la

corriente en el rotor tienen un desplazamiento de fase cercano a los 180° cuando trabaja en

velocidad supersíncrona y cuando trabaja a velocidad subsíncrona casi no existe un

desplazamiento de fase.

Figura 4.12 Voltaje y corriente en el rotor, estator y en el GSC de supersíncrona a subsíncrona.



En la Figura 4.13 se presenta el voltaje en el enlace de CD y las potencias activa y

reactiva en la carga y en el rotor. Las potencias en la carga permanecen constantes durante

todo el cambio de velocidad. En las potencias del rotor se puede apreciar una inversión en

el flujo de potencia, de generarla a consumirla. El voltaje en el enlace de CD permanece

constante.

Figura 4.13 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de supersíncrona a subsíncrona.

c. Prueba de recuperación de energía

Las pruebas de recuperación de energía se realizan para evaluar la dirección de la

energía a través del convertidor back-to-back, En la Figura 4.14 se presenta esta prueba.

La prueba de recuperación de energía permite observar la potencia que entrega el MSC

hacia el circuito rotórico del DFIG, la inversión en el signo de la potencia indica que se

tiene un flujo de energía de la máquina hacia el convertidor. Además, se puede observar

que la inversión en el flujo de potencia no es justo en el cambio de modo de operación de

subsíncrono a supersíncrono, éste se presente en 1.33s, y la inversión en la potencia sucede

a 1.56s. Esto es debido a la presencia de las resistencias parásitas de los devanados de rotor

Rr incluidos en el modelo de la DFIM y cuya disipación de energía debe ser superada antes

de obtener una recuperación de energía efectiva hacia el MSC.


CENIDET 76

Figura 4.14 Recuperación de energía.

4.1.2 Variación en la frecuencia de operación

El sistema de generación eoloeléctrica debe mantener constante la amplitud y

frecuencia del voltaje del estator aun cuando exista algún cambio en la frecuencia de

operación del sistema.

Figura 4.15 Decremento en la frecuencia de operación (60Hz a 50Hz).

En las Figuras 4.15 a 4.17 se realiza un cambio en la frecuencia de operación para poder

observar si ante este cambio el control es capaz de controlar la frecuencia del sistema. Este



cambio se realiza en el control del MSC. La Figura 4.15 presenta la velocidad de operación

y frecuencia del sistema, la prueba se realiza a velocidad subsíncrona, como se observa en

la primer gráfica, en la segunda gráfica se presenta un incremento en escalón de la

frecuencia de operación de 60Hz a 50Hz.

En la Figura 4.16 se presenta el voltaje y corriente en el estator, rotor y en el GSC. El

voltaje en el estator permanece constante, indicando que el MSC cumple su objetivo de

control.

En aproximadamente 1s se realiza el cambio de frecuencia de 60Hz a 50Hz por lo que

el control del MSC envía una señal para que el voltaje y corriente en el rotor mantenga su

frecuencia de 60 Hz aun cuando se presente una variación. En la gráfica para el voltaje del

GSC también se puede notar esta variación.

Figura 4.16 Voltaje y corriente en el estator, rotor y en el GSC de 60Hz a 50Hz.

En la Figura 4.17 se presenta las potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor. Se

puede observar aproximadamente en 1s que ambas gráficas presentan una perturbación ya

que aquí se presenta la variación en la frecuencia y posteriormente incrementan su valor.


CENIDET 78

Figura 4.17 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de 60Hz a 50Hz.

4.1.3 Variación del voltaje en el enlace de CD

En las Figuras 4.18 a 4.20 se presentan pruebas ante una variación en el voltaje del

enlace de CD. La Figura 4.18 muestra la velocidad de operación a la que se realiza la

prueba, en este caso a velocidad subsíncrona, además, se presenta la variación del voltaje

del enlace de CD, se realiza un decremento de 800V a 700V.

Figura 4.18 Decremento en el voltaje del enlace de CD (800V a 700V).



En la Figura 4.19 se presenta el voltaje y corriente en el estator, rotor y en el GSC. Se

puede observar que aun cuando varié el voltaje en el enlace el voltaje en el estator y en el

rotor permanecen constantes en amplitud y frecuencia.

Figura 4.19 Voltaje y corriente en el estator, rotor y en el GSC de 800V a 700V.

Figura 4.20 Potencias activa y reactiva en la carga y en el rotor de 800V a 700V.

En la Figura 4.20 se muestran las potencias activa y reactiva en la carga, las cuales

permanecen constantes cuando el enlace se regula a 800V, aproximadamente en 1s se


CENIDET 80

realiza la variación en el voltaje del enlace y se puede observa una variación en ambas

potencias, pero posterior a esto permanecen constante nuevamente. En la gráfica donde se

presentan las potencias en el rotor se observa que en aproximadamente 1s se presenta una

variación, después de está permanece constante nuevamente.

4.1.4 Potencia carga principal y auxiliar

El sistema de generación de tipo aislado esta conformado por una carga principal y una

carga auxiliar, en donde la carga auxiliar es un diodo rectificador alimentando un

convertidor CD/CD, la carga es de tipo resistivo, con la utilización de este convertidor se

emula la presencia de una carga variable, que sirve para consumir la potencia excedente de

la carga principal.

Para la simulación sólo se realiza una prueba ya que aunque exista una variación en

algún parámetro del sistema la potencia en la carga no cambia, esto es debido que el control

de ambos convertidores entra en funcionamiento y logra compensarlas.

La potencia total en la carga es de PL=11KW, con la división propuesta en capítulos

anteriores se realiza la simulación con los datos que se presentan en la Tabla 4.6.

Tabla 4.6 Valores para la carga principal y auxiliar en simulación.

RL PL Raux Paux

14Ω 8.8KW 57.6Ω 2.2KW

En la Figura 4.21 se muestra la potencia activa en la carga principal y en la carga

auxiliar. La prueba inicia considerando que la carga principal esta consumiendo el 100% de

la potencia generada en el sistema. En aproximadamente 1s se efectúa una variación en la

carpa principal para que esta sólo consuma una fracción de la potencia.

Con esto se demuestra que la carga principal consume el 80% de la potencia total del

sistema y el restante se consume por la carga auxiliar.



Figura 4.21 Potencia activa en la carga principal y carga auxiliar.

4.2 Resultados experimentales

En esta sección se presentan las pruebas experimentales que se realizan con el banco de

pruebas de conversión eoloeléctrica, en la Figura 4.22 se muestra una imagen del sistema

de generación eoloeléctrico finalizado, el prototipo experimental incluye:

a. Máquina de inducción doblemente alimentada.

b. Motor de CD.

c. Módulo de alimentación automatizado.

d. Módulo de medición de velocidad.

e. Módulo de medición de potencia, voltaje y corriente eléctrica.

f. Convertidor del lado de la red.

g. Convertidor del lado de máquina.

h. Fuente para los impulsores del GSC.

i. Fuente para los impulsores del MSC.

j. Enlace de CD.

k. Emulador de carga.

l. Control.

m. Carga principal.

n. Carga auxiliar.


CENIDET 82

Figura 4.22 Banco de pruebas de generación eoloeléctrica.

Al igual que en simulación se realizan diferentes pruebas de operación, como son las

estáticas y las dinámicas. Las pruebas estáticas permiten verificar la regulación del voltaje

generado en el estator a diversas condiciones de operación del sistema, en estas pruebas se

tienen 3 modos de operación: a velocidad subsíncrona (3200rpm), a velocidad síncrona

(3600rpm) y a velocidad supersíncrona (4000rpm). Por otro lado las pruebas dinámicas

permiten observar el comportamiento del sistema ante cambios de velocidad, el primero de

velocidad subsíncrona a supersíncrona (3200rpm a 4000rpm) y el segundo de velocidad

supersíncrona a subsíncrona (4000rpm a 3200 rpm). El voltaje en el enlace de CD se regula

a 50V.

Las pruebas se realizan con una carga de tipo resistivo de 10W. La capacidad del motor

de CD que emula a la turbina no permite utilizar una carga mayor. La variación en la

velocidad se limita a un ±11.12% de la velocidad síncrona.

Antes de iniciar las pruebas con el sistema completo se realizan pruebas para verificar

las señales PWM generadas por los dispositivos dsPIC que son los que disparan las

compuertas de los IGBT que conforman cada uno de los convertidores. Las placas de

control tienen dos potenciómetros, con uno se varía la frecuencia del sistema, se puede

tener una variación de 30Hz a 62Hz, y con el otro se establece el radio voltaje-frecuencia el

cual determina la pendiente del perfil volts-hertz. En la Figura 4.23 se muestran las señales

PWM de control del MSC para cada una de las fases, sólo se muestran las señales de los

interruptores superiores.



Figura 4.23 Señales PWM generadas por el dsPIC.

La frecuencia a la que se conmutan los IGBT es de 16KHz, las señales PWM de los

interruptores de una rama deben ser complementarias. Se programa un tiempo muerto de

2µs entre las señales. En la Figura 4.24 se muestran las señales PWM de una rama, en

donde se observan las señales para el interruptor superior y el interruptor inferior. Se hace

un acercamiento para resaltar en tiempo muerto que existen en el encendido y apagado de

las señales.

Figura 4.24 Detalle de tiempos muertos en el PWM.

A continuación se presentan las pruebas realizadas, en cada una se presentan gráficas de

corriente y voltaje en el rotor, voltaje y corriente en el estator y el voltaje en el enlace de


CENIDET 84

CD, todas contienen la medición de la velocidad de operación a la que esta trabajando el

sistema.

4.2.1 Operación a velocidad subsíncrona

En la Figura 4.25 se muestra el voltaje y la corriente en el rotor, suministrados por el

MSC, mientras que en la Figura 4.26 se muestra el voltaje y corriente generados en el

estator.

Figura 4.25 Voltaje y corriente en el rotor a velocidad subsíncrona.

Figura 4.26 Voltaje y corriente en el estator a velocidad subsíncrona.



La prueba se realiza a 3200rpm, es decir un 11.1% menos de la velocidad síncrona. En

este modo de operación se genera una corriente de menor frecuencia en el circuito de rotor

que en el voltaje del estator según se observa al comparar las Figuras 4.27 y 4.28. El ruido

en el voltaje del estator se ve reducido cuando el sistema está operando muy próximo a su

velocidad síncrona

Esta prueba permite verificar que el voltaje generado en el estator se mantiene en

amplitud y frecuencia constante para la operación subsíncrona.

La Figura 4.27 se muestra el oscilograma obtenido durante la operación del sistema a

velocidad subsíncrona donde se puede apreciar el voltaje en el enlace de CD, el cual se

mantiene regulado aproximadamente en 50V.

Figura 4.27 Voltaje en el enlace de CD a velocidad subsíncrona.

4.2.2 Operación a velocidad síncrona

El modo de operación a velocidad síncrona supone una corriente continua en el circuito

de rotor, lo cual se verifica observando las formas de onda presentadas en la Figura 4.28.

La frecuencia del voltaje generado se mantiene en 60Hz.

En la Figura 4.29 podemos observar que el voltaje y la corriente en el estator

permanecen constantes durante este modo de operación.


CENIDET 86

Velocidad de rotor (rpm)

Corriente de rotor

Voltaje de rotor

Figura 4.28 Voltaje y corriente en el rotor a velocidad síncrona.

Figura 4.29 Voltaje y corriente en el estator a velocidad síncrona.

Figura 4.30 Voltaje en el enlace de CD a velocidad síncrona.



El voltaje en el enlace de CD permanece constante cuando se realiza esta prueba, como

se muestra en la Figura 4.30, lo que indica que el GSC esta funcionando correctamente.

4.2.3 Operación a velocidad supersíncrona

El modo de operación a velocidad supersíncrona se realiza a una velocidad de 4000rpm,

es decir a una velocidad de 11.1% más de la velocidad síncrona. La Figura 4.31 muestra los

resultados obtenidos para la corriente y el voltaje en el rotor para esta velocidad.

Figura 4.31 Voltaje y corriente en el rotor a velocidad supersíncrona.

Figura 4.32 Voltaje y corriente en el estator a velocidad supersíncrona.


CENIDET 88

La corriente de rotor toma nuevamente la forma sinusoidal de baja frecuencia que

aparece en la prueba a velocidad subsíncrona. Las fases en la corriente de rotor están con

secuencia invertida con respecto a la secuencia que presentan en la prueba a velocidad

subsíncrona. El voltaje y corriente en el estator se mantienen constantes como se observa en

la Figura 4.32.

El voltaje en el enlace de CD se muestra en la Figura 4.33, en esta gráfica podemos

observar que el voltaje permanece constante durante este modo de operación, aunque el

sistema no se encuentra en lazo cerrado dentro del control del GSC se tiene control en la

amplitud de la señal de salida, por lo que se logra controlar el voltaje del enlace.

Figura 4.33 Voltaje en el enlace de CD a velocidad supersíncrona.

4.2.4 Cambio de velocidad de subsíncrona a supersíncrona

Haciendo variaciones en velocidad se obtiene el comportamiento detallado de voltaje y

corriente generados en el estator y de la corriente inyectada en el devanado de rotor durante

el cambio de velocidad de subsíncrona a supersíncrona en el rango de ±11.1% de la

velocidad síncrona. La Figura 4.34 muestra el oscilograma con las formas de onda que se

obtienen para el rotor. De estos resultados se puede observar el cambio de fase en la

corriente de rotor al momento del paso por velocidad síncrona.



Figura 4.34 Voltaje y corriente en el rotor de subsíncrona a supersíncrona.

Durante la prueba el voltaje y la corriente generados en el estator permanecen

constantes en amplitud y frecuencia durante toda la variación en la velocidad de operación

del sistema. El voltaje en el enlace de CD también permanece constante durante toda la

prueba, como se observa en la Figura 4.35.

Figura 4.35 Voltaje en el enlace de CD de subsíncrona a supersíncrona.

4.2.5 Cambio de velocidad de supersíncrona a subsíncrona

El cambio de velocidad de supersíncrona a subsíncrona permite observar el seguimiento

del control ante cambios de velocidad en sentido opuesto. La Figura 4.36 muestra los


CENIDET 90

resultados de esta prueba para el rotor. Al igual que en la prueba anterior se puede observar

que durante el cruce por sincronía la corriente y el voltaje del rotor invierten su sentido.

Figura 4.36 Voltaje y corriente en el rotor de subsíncrona a supersíncrona.

El voltaje y corriente generado en el estator durante la prueba permanecen constantes,

también, el voltaje en el enlace de CD permanece constante, como puede observarse en la

Figura 4.37.

Figura 4.37 Voltaje en el enlace de CD de subsíncrona a supersíncrona.

Se puede observar que para la prueba de cambio de velocidad de subsíncrona a

supersíncrona y de supersíncrona a subsíncrona los comportamientos de las formas de onda

en el estator y del rotor son similares.

Capítulo 5

91

Conclusiones y trabajos futuros

Como parte final, en este capítulo se presentan las conclusiones generales y particulares

obtenidas al finalizar el trabajo de tesis, de acuerdo al análisis, desarrollo, diseño,

simulación e implementación del sistema de generación eoloeléctrico de tipo aislado.

Además, se presentan los trabajos futuros que pueden complementar la investigación.

Con el incremento en la demanda de energía eléctrica, han surgido sistemas de

generación que utilizan fuentes alternas de energía, entre las que se tienen: la solar, la

hidráulica, la geotérmica y la eólica.

La energía eólica es de las fuentes renovables de más rápido crecimiento en años

recientes. Los costos de la energía eólica actualmente para plantas a gran escala son

competitivos frente a las plantas que utilizan combustibles fósiles.

En los últimos años se ha hecho frecuente el uso de sistemas de generación

eoloeléctrica basados en la máquina de inducción doblemente alimentada que utiliza en su

circuito rotórico un convertidor back-to-back, el cual permite un flujo de potencia en ambas

direcciones. Esto ocurre debido a que la máquina puede consumir o producir energía en su

circuito rotórico dependiendo de las condiciones de operación.


CENIDET 92

El trabajo desarrollado en esta tesis esta dedicado a completar el banco de pruebas de

generación eoloeléctrica para poder estudiar diferentes condiciones de operación a las que

se ven sometidos los sistemas eólicos. Entre estas condiciones se tienen diferentes

variaciones en los parámetros que afectan al sistema.

Al utilizar un convertidor bidireccional de potencia como el convertidor back-to-back

se obtiene la posibilidad de trabajar a velocidad sub y supersíncrona en el generador. Este

convertidor presenta mejores características frente a otros como son: menor costo en el

inversor/rectificador ya que sólo maneja una fracción de la potencia total del sistema, se

mejora la eficiencia del sistema. Además, aplicando técnicas de control vectorial orientadas

hacia algún vector de la máquina se puede tener control en las potencias activa y reactiva

entre el DFIG y el GSC.

El capacitor conectado entre el MSC y el GSC ofrece un control separado de ambos

inversores/rectificadores, teniendo así un control independiente para ambos convertidores.

5.1 Conclusiones particulares

Entre los alcances logrados durante el desarrollo, estudio y análisis de este trabajo se

tienen: la simulación del sistema de generación eoloeléctrica y la implementación

experimental de las etapas que complementan el banco de pruebas.

Una vez obtenida la simulación del sistema en lazo cerrado y la implementación del

prototipo experimental en lazo abierto, se obtienen las siguientes conclusiones:

De las simulaciones se tienen las siguientes conclusiones:

• Aún cuando exista alguna variación en un parámetro que afecta las condiciones de

operación del sistema, el control en simulación es capaz de actuar rápidamente y

corregir estas variaciones.

• Es posible controlar el voltaje y la frecuencia en el estator aunque exista algún

parámetro variando, y se puede concluir que el objetivo de control para el MSC se

está logrando.

Capítulo 5. Conclusiones y trabajos futuros


• Y para el GSC se cumple el objetivo de control, al poder mantener constante el

voltaje en el enlace de CD durante las pruebas en simulación.

• Se observa la prueba de recuperación de energía, en donde al trabajar en velocidad

supersíncrona el generador logra entregar energía en lugar de consumirla.

Una vez obtenida la implementación experimental de las etapas y realizadas las pruebas

con el banco de pruebas completo se tienen las siguientes conclusiones:

• Al utilizar dispositivos dsPIC que contienen librerías para crear patrones PWM, se

obtiene mayor rapidez en el envió de la secuencia PWM.

• Se utilizó un módulo inteligente de dispositivos IGBT por lo que el tamaño del

prototipo disminuye al igual que el número de componentes.

• En los oscilogramas obtenidos se puede observar una baja distorsión armónica en

las señales del estator y del rotor.

• El voltaje del enlace de CD permanece constante aún cuando exista una variación en

la velocidad del sistema.

• El MSC logra mantener constante el voltaje generado en el estator en amplitud y

frecuencia.

• Al utilizar una carga auxiliar se puede considerar el caso en donde la potencia

generada por la máquina sea mayor a la potencia en la carga principal.

Como observación general se puede mencionar que tanto en simulación como

experimentalmente se obtiene el funcionamiento esperado: Un generador de inducción que

mantiene la frecuencia y la amplitud constante sin importar que exista un cambio en algún

parámetro, como pueden ser: un cambio en la velocidad de operación, una variación en la

regulación del voltaje en el enlace de CD o una variación en la frecuencia de operación del

sistema.


CENIDET 94

Al realizar la implementación experimental se tuvieron algunos inconvenientes, los

cuales son:

• En la carga auxiliar no se considera el caso en el que el generador excede la

potencia que consume la carga principal, ya que la DFIM es una máquina de baja

potencia y sólo se tiene una potencia de 10W en la carga.

• La máquina de corriente continua que se utiliza como emulador de turbina eólica

tienen que ser por lo menos del doble de potencia de la DFIM para poder realizar

pruebas a la potencia nominal de la máquina y poder tener una recuperación de

energía.

5.2 Trabajos futuros

De acuerdo con el análisis de los resultados en simulación y experimentalmente se

presentan las perspectivas de trabajos futuros que se pueden seguir para mejor las

características del sistema de generación eoloeléctrica.

Se pueden realizar pruebas con el sistema implementado en este trabajo de tesis, pero

ahora incluyendo el emulador de turbina desarrollado en [9]. Esto para tener perfiles de

viento reales y no sólo el motor de CD de excitación separada.

Para optimizar el sistema se propone realizar la técnica de control vectorial clásico

programada en un dsPIC de mayor capacidad, para así tener un sensado de los parámetros

de la máquina y realizar un control más apropiado.

Investigar e implementar un control apropiado para la carga auxiliar y colocar una

máquina más grande, para considerar el caso en donde la potencia generada sea mayor a la

potencia consumida por la carga principal.

Se propone un estudio de balance de energía en el enlace de CD para reducir el tamaño

del capacitor. Esto para poder tener mejores características en el tipo de capacitor que se

coloca y para que el capacitor electrolítico que se coloca no acorte la vida útil del sistema.

Capítulo 5. Conclusiones y trabajos futuros


Es conveniente agregar protecciones contra sobrecorriente, sobrevoltaje y

sobretemperatura, esto para proteger a los módulos contenidos en el convertidor back-to-

back.

Aún cuando no se presente alta distorsión armónica en las señales del rotor y estator, es

conveniente introducir filtros de entrada-salida del convertidor y el filtro para el emulador

de carga, esto para optimizar el consumo de energía eléctrica.

El convertidor del lado de la red puede funcionar como compensador del factor de

potencia, esta característica resulta útil al mejorar la operación de la máquina de inducción,

por lo que se propone controlar la potencia activa y reactiva del sistema.

Ya que no se tiene una DFIM adecuada para conectar el sistema a la red eléctrica, se

propone diseñar e implementar un emulador de red por medio de una máquina síncrona.

Una vez analizado el sistema eoloeléctrico de forma aislado y con conexión a un

emulador de red, se propone implementar un sistema conectado a la red eléctrica.


CENIDET 96

Referencias

97

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CENIDET 100

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CENIDET 102

Anexo A

103

Modelado de la DFIM

Un generador de inducción doblemente alimentada es una máquina de rotor devanado

que recibe alimentación tanto por el rotor como por el estator. A continuación se presenta el

modelo trifásico de la DFIM en coordenadas abc y el modelo en el marco de referencia

arbitrario en coordenadas dq.

A.1 Modelo trifásico

Todo modelo matemático inicia definiendo las limitaciones y consideraciones que se

deben tomar en cuenta para concluir con un modelo que permita cierta sencillez sin dejar

fuera los fenómenos físicos que se desean estudiar. El modelo trifásico de la máquina parte

de las siguientes consideraciones:

• El estator de la máquina es un cilindro de hierro, con sección transversal circular y

una cavidad en la que se encuentra alojado un rotor concéntrico, de tal forma que

existe un entrehierro entre ambos, cuya pequeña longitud radial es constante.

• Los devanados tanto del estator como del rotor son simétricos y tienen una

distribución sinusoidal, de tal forma que producen fuerzas magnetomotrices


CENIDET 104

(magnetomotive force: m.m.f.) sin distorsión armónica. Además, los devanados del

estator poseen idéntica resistencia (Rs) e igual ocurre con los devanados del rotor

(Rr).

• La parte de los conductores que es responsable de la generación de las fuerzas

magnetomotrices y de la generación del par electromagnético es recta y paralela al

eje de rotación.

• Los devanados están conectados en estrella, con sus neutros aislados.

• Los extremos de los devanados del rotor se encuentran disponibles a través de

anillos deslizantes.

• Tanto el hierro del estator, como el del rotor, está laminado y tiene permeabilidad

infinita. Por lo que las fuerzas magnetomotrices existen solamente en el entrehierro

y son radiales.

• Las pérdidas en el hierro, así como los efectos de la saturación, de ranura y en los

extremos de los devanados se consideran despreciables.

La DFIM idealizada se representa con el diagrama eléctrico mostrado en la Figura A.1,

donde Rs representa la resistencia de los devanados individuales del estator y Rr los del

rotor, Ls representa la inductancia del estator y Lr del rotor.

Figura A.1. Diagrama de la máquina de inducción doblemente alimentada.

Anexo A. Modelado de la DFIM


De acuerdo con la referencia [30] la ecuación de voltaje de (línea a neutro) para la

máquina trifásica es:

as s as as

v R i pλ= ⋅ + (A.1)

bs s bs bs

v R i pλ= ⋅ + (A.2)

cs s cs cs

v R i pλ= ⋅ + (A.3)

ar r ar ar

v R i pλ= ⋅ + (A.4)

br r br br

v R i pλ= ⋅ + (A.5)

cr r cr cr

v R i pλ= ⋅ + (A.6)

Donde: vas, vbs y vcs son los voltajes en el estator, ias, ibs y ics son las corrientes en el

estator, λas, λbs y λcs son los vectores de flujo del estator, Rs es la resistencia del devanado

estatórico, var, vbr y vcr son los voltajes en el rotor, iar, ibr y icr son las corrientes en el rotor,

λar, λbr y λcr son los vectores de flujo del rotor, Rr es la resistencia del devanado rotórico y

p es el operador diferencial d/dt.

La expresión para los enlaces de flujo de cada devanado debe incluir todos los efectos

magnéticos existentes que se relacionan tanto con el mismo devanado como con los

restantes (auto-inducción e inducción mutua). Por lo tanto, los enlaces de flujo están dados

por:

as asas as asbs bs ascs cs asar ar asbr br ascr cr

L i L i L i L i L i L iλ = + + + + + (A.7)

bs bsas as bsbs bs bscs cs ibsar ar bsbr br bscr cr

L i L i L i L i L i L iλ = + + + + + (A.8)

cs csas as csbs bs cscs cs csar ar csbr br cscr cr

L i L i L i L i L i L iλ = + + + + + (A.9)

ar aras as arbs bs arcs cs arar ar arbr br arcr cr

L i L i L i L i L i L iλ = + + + + + (A.10)

br bras as brbs bs brcs cs brar ar brbr br brcr cr

L i L i L i L i L i L iλ = + + + + + (A.11)

cr cras as crbs bs crcs cs crar ar crbr br crcr cr

L i L i L i L i L i L iλ = + + + + + (A.12)

Con el objeto de obtener una forma compacta, tanto en las ecuaciones de voltaje como

en las de enlaces de flujo, es posible utilizar una notación matricial-vectorial, con lo que se

obtiene:


CENIDET 106

3

3

0

0abcs s abcs abcs

abcr r abcr abcr

v R ip

v R i

λ

λ

= ⋅ +

(A.13)

( )abcs s sr abcs

T

abcr sr r abcr

L L i

L L i

λ

λ

= ⋅

(A.14)

Donde: [ ]T

abc a b cf f f f= (A.15)

3 ,s s r r 3 3 3

R R I R =R I , 0 =0 I = ⋅ (A.16)

1 1

2 21 1

2 21 1

2 2

ls ms ms ms

s ms ls ms ms

ms ms ls ms

L L L L

L L L L L

L L L L

+ − −

= − + −

− − +

(A.17)

1 1

2 21 1

2 21 1

2 2

lr mr mr mr

r mr lr mr mr

mr mr lr mr

L L L L

L L L L L

L L L L

+ − −

= − + −

− − +

(A.18)

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

r r r

sr sr r r r

r r r

Cos Cos Cos

L L Cos Cos Cos

Cos Cos Cos

θ θ γ θ γ

θ γ θ θ γ

θ γ θ γ θ

=

+ −

⋅ − + + −

(A.19)

Con: 2=3

πγ (A.20)

Donde: Lls y Llr son las inductancias de dispersión de un devanado estatórico o rotórico,

Lms y Lmr son las inductancias mutuas entre dos devanados del estator o dos del rotor, Lsr

son las inductancias mutuas entre un devanado del estator y otro del rotor, ( 2)r m

Pθ θ= es

la posición angular de los ejes asociados con los campos rotóricos, θm es la posición angular

mecánica del eje rotórico y P es el número de polos de la máquina.

Es común que los valores de las variables y de los parámetros del rotor sean referidos

hacia el estator usando las siguientes expresiones:

Anexo A. Modelado de la DFIM


2

' 's s srabcr abcr abcr abcr abcr abcr r r

s r r r

N N NNi i , v' v , y r' r

N N N Nλ λ

= = = =

(A.21)

Las expresiones A.13-A.20 constituyen el modelo trifásico de alto orden con

coeficientes variables de la DFIM. Las inductancias de este modelo, dadas por A.17, A.18 y

A.19, se obtienen mediante la Ley (circuital) de Ampere, suponiendo una distribución

sinusoidal de los devanados y un comportamiento magnético lineal, ignorando fenómenos

como la saturación y la histéresis de los núcleos magnéticos. Además, se considera que la

máquina es simétrica, en otras palabras, todos los devanados del estator son iguales entre sí

y todos los del rotor también, pero los primeros son diferentes de los últimos. Finalmente,

el modelo no considera las variaciones debidas a la temperatura que pueden presentarse en

la magnitud de las resistencias de los devanados.

El modelo se completa con la expresión del par electromagnético (Te) producido por la

DFIM y representado por la expresión A.21.

'

'

2T sr

e abcs abcr

r

LPT i i

θ

∂= ⋅ ⋅

∂ (A.22)

A.2 Modelo en el marco de referencia arbitrario

El modelo dinámico trifásico resulta muy complejo, aún para su utilización en

ambientes de simulación. El trabajo desarrollado en [30] describe la reducción de este

modelo utilizando la transformación del marco de referencia. Esta transformación permite

llevar el modelo trifásico de la DFIm a un modelo bifásico que en principio reduce el orden

de las ecuaciones del modelo.

Aplicando transformación de coordenadas a las ecuaciones obtenidas en el modelo

trifásico de la DFIM se obtiene el modelo bifásico (dq) que se presenta a continuación:

qs

qs s qs ds

dv R i

dt

λωλ= ⋅ + + (A.23)


CENIDET 108

ds

ds s ds qs

dv R i

dt

λωλ= ⋅ + + (A.24)

( )

qr

qr r qr r dr

dv R i

dt

λω ω λ= ⋅ + − + (A.25)

( ) dr

dr r dr r qr

dv R i

dt

λω ω λ= ⋅ + − + (A.26)

Donde ω es la velocidad del marco de referencia que se utiliza y las variables i y λ se

representan tras la transformación de coordenadas dq como dos componentes bifásicas. Los

enlaces de flujo se representan mediante las siguientes ecuaciones:

( )qs ls qs qr

L M i Miλ = + + (A.27)

( )ds ls ds dr

L M i Miλ = + + (A.28)

( )qr lr qr qs

L M i Miλ = + + (A.29)

( )dr lr dr ds

L M i Miλ = + + (A.30)

Donde: (3 2)ms

M L= y es el valor de la inductancia mutua bifásica.

El par electromagnético, expresado en función de las coordenadas dq, es:

( )

2e ms qs dr ds qr

PT L i i i i= − (A.27)

Anexo B

109

Códigos

En el presenta anexo se muestran los programas completos para obtener la modulación

PWM, para el convertidor back-to-back y para el emulador de carga, cargados en los

dispositivos dsPIC.

B.1 Control del convertidor del lado de la máquina

;

;Título: Control para el MSC ;

;Inicialización de variables y constantes: ;

Frequency:.space 2 Amplitude:.space 2 Phase:.space 2 .equ PWM_Scaling, 230 .equ PWM_Scaling, 249 .equ Offset_120, 0x5555 .section .sine_table, "x" SineTable:

.hword 0x0000,0x0D61,0x1A9C,0x278D,0x340F,0x3FFF,0x4B3B,0x55A5

.hword 0x6ED9,0x74EE,0x79BB,0x7D32,0x7F4B,0x7FFF,0x7F4B,0x7D32


CENIDET 110

.hword 0x6ED9,0x678D,0x5F1E,0x55A5,0x4B3B,0x3FFF,0x340F,0x278D

.hword 0x0000,0xF29F,0xE564,0xD873,0xCBF1,0xC001,0xB4C5,0xAA5B

.hword 0x9127,0x8B12,0x8645,0x82CE,0x80B5,0x8001,0x80B5,0x82CE

.hword 0x9127,0x9873,0xA0E2,0xAA5B,0xB4C5,0xC001,0xCBF1,0x000 ;

;Programa principal: ;

.text _main:

CALL _wreg_init CALL Setup Loop: best IFS2,#PWMIF

btss IFS2,#PWMIF bra CheckADC call Modulacion bclr IFS2,#PWMIF

CheckADC: btss IFS0,#ADIF bra Loop

CALL ReadADC bra Loop

;

ReadADC: mov ADCBUF0, W0 mov ADCBUF1, W1 asr W0,#5,W4 mov W4,Frequency sl W1,#5,W4 sl W0,#5,W5 mpy W4*W5,A sac A,W0 mov #28000,W1 cp W1,W0

NoLimit: mov W0,Amplitude return

;

Modulacion: mov #tblpage(SineTable),W0 mov W0,TBLPAG mov #tbloffset(SineTable),W0 mov Phase,W1 mov #Offset_120,W4

Anexo B. Códigos


mov Amplitude, W6 mov #PWM_Scaling,W7 mov Frequency,W8 add W8,W1,W1 add W1,W4,W2 add W2,W4,W3 lsr W1,#10,W9 sl W9,#1,W9 lsr W2,#10,W10 sl W10,#1,W10 lsr W3,#10,W11 sl W11,#1,W11

;Fase 1: add W0,W9,W9 tblrdl [W9],W5 mpy W5*W6,A sac A,W5 mpy W5*W7,A sac A,W8 add W7,W8,W8 mov W8,PDC1


;Fase 3: add W0,W11,W11 tblrdl [W11],W5 mpy W5*W6,A sac A,W5 mpy W5*W7,A sac A,W8 add W7,W8,W8 mov W8,PDC3 mov W1,Phase return

.end


CENIDET 112

B.2 Control del convertidor del lado de la red

;

;Título: Control para el GSC ;

;Inicialización de variables y constantes en la memoria de datos: ;

Frequency:.space 2 Amplitude:.space 2 Phase:.space 2 .equ PWM_Scaling, 230 .equ PWM_Scaling, 249 .equ Offset_120, 0x5555 .section .sine_table, "x" SineTable:

.hword 0,3212,6393,9512,12539,15446,18204,20787,23170,25329

.hword 27245,28898,30273,31356,32137,32609,32767,32609,32137,31356

.hword 27245,25329,23170,20787,18204,15446,12539,9512,6393,3212,0,-3212

.hword -9512,-12539,-15446,-18204,-20787,-23170,-25329,-27245,-28898,-30273

.hword -31356,-32137,-32609,-32767,-32609,-32137,-31356,-30273,-28898

.hword -25329,-23170,-20787,-18204,-15446,-12539,-9512,-6393,-3212 ;


.text _main:

CALL _wreg_init CALL Setup Loop: best IFS2,#PWMIF




;

ReadADC: mov ADCBUF0, W0 mov ADCBUF1, W1

Anexo B. Códigos


asr W0,#5,W4 mov W4,Frequency sl W1,#5,W4 sl W0,#5,W5 mpy W4*W5,A sac A,W0 mov #28000,W1 cp W1,W0


; Modulacion:

mov #tblpage(SineTable),W0 mov W0,TBLPAG mov #tbloffset(SineTable),W0 mov Phase,W1 mov #Offset_120,W4 mov Amplitude, W6 mov #PWM_Scaling,W7 mov Frequency,W8 add W8,W1,W1 add W1,W4,W2 add W2,W4,W3 lsr W1,#10,W9 sl W9,#1,W9 lsr W2,#10,W10 sl W10,#1,W10 lsr W3,#10,W11 sl W11,#1,W11


;Fase 2: add W0,W10,W10 tblrdl [W10],W5 mpy W5*W6,A sac A,W5


CENIDET 114

mpy W5*W7,A sac A,W8 add W7,W8,W8 mov W8,PDC2

;Fase 3: add W0,W11,W11 tblrdl [W11],W5 mpy W5*W6,A sac A,W5 mpy W5*W7,A sac A,W8 add W7,W8,W8 mov W8,PDC3 mov W1,Phase return

.end

B.3 Control del convertidor CD/CD

;

;Título: Control para el ciclo de trabajo del emulador ;

;Inicialización de variables y constantes en la memoria de datos: ;

Frequency:.space 2 Amplitude:.space 2 Phase:.space 2 .equ PWM_Scaling, 230 .equ PWM_Scaling, 249 .section .sine_table, "x" SineTable:

.hword 0x0000,0x0D61,0x1A9C,0x278D,0x340F,0x3FFF,0x4B3B,0x55A5,0x5F1E

.hword 0x678D,0x6ED9,0x74EE,0x79BB,0x7D32,0x7F4B,0x7FFF,0x7F4B,0x7D32

.hword 0x79BB,0x74EE,0x6ED9,0x678D,0x5F1E,0x55A5,0x4B3B,0x3FFF,0x340F

.hword 0x278D, 0x1A9C,0x0D61,0x0000,0xF29F,0xE564,0xD873,0xCBF1,0xC001

.hword 0xB4C5, 0xAA5B,0xA0E2,0x9873,0x9127,0x8B12,0x8645,0x82CE,0x80B5

.hword 0x8001,0x80B5,0x82CE,0x8645,0x8B12,0x9127,0xC001,0xCBF1,0x0000 ;


.text

Anexo B. Códigos


_main: CALL _wreg_init CALL Setup Loop: best IFS2,#PWMIF




;

ReadADC: mov ADCBUF0, W0 mov ADCBUF1, W1 asr W0,#5,W4 mov W4,Frequency sl W1,#5,W4 sl W0,#5,W5 mpy W4*W5,A sac A,W0 mov #28000,W1 cp W1,W0


; Modulacion:

mov #tblpage(SineTable),W0 mov W0,TBLPAG mov Phase,W1 mov Amplitude, W6 mov #PWM_Scaling,W7 mov Frequency,W8 add W8,W1,W1 lsr W1,#10,W9 sl W9,#1,W9 lsr W2,#10,W10 add W0,W9,W9 tblrdl [W9],W5 mpy W5*W6,A sac A,W5


CENIDET 116

mpy W5*W7,A sac A,W8 add W7,W8,W8 mov W8,PDC1

.end

Anexo C

117

Librerías de simulación

En este anexo se presentan las librerías que se utilizan para la simulación del sistema de

generación eoloeléctrico aislado.

C.1 Sistema de generación eoloeléctrica

Para realizar la simulación del sistema de generación eoloeléctrico se considera el

diagrama eléctrico que se muestra en la Figura C.1.

Las ecuaciones que describen la parte eléctrica del sistema pueden obtenerse mediante

leyes de Kirchoff. Utilizando el modelo trifásico de la DFIM presentado en el Anexo A las

ecuaciones del sistema eléctrico son:

( )

2 33 2 3

1 3 3 1 3 3

3 3 2 3 3 3 2 3

( ) /

( ) 0 ( ) / ( ) 0

0 ( ) 0 ( )

s srs g s sr s

T T

sr r r r sr r r

L L g g L L g

L L L I i V r I d L dt r I id

L L L I i V d L dt r r I idt

L I L L I i V r I r r I i

− −

+ = − + − − − − − +

(C.1)

Corriente en la carga: L s gi i i= − − (C.2)


CENIDET 118

Voltaje en la carga: 3 3 3 s abcs( ) / I i +d( )/dt

L s L L L L sv v r I i d L I i dt r λ= = + = (C.3)

Donde: [ ] [ ]T T

s as bs cs r ar br cri i i i , i = i i i= (C.4)

[ ]T T

g ag bg cg L aL bL cLi i i i , i = i i i = (C.5)

[ ]T T

g ag bg cg L ar br crv v v v , i = v v v = (C.6)

MSC GSC

r1

r1

r1

R2 R2 R 2

L2 L2 L2

L1

L1

L1

LL LL LL

RL RL RL

Rr

Ls

ias

ibs

ics

iar

ibr

icr

iag ibg icg

iaL

ibL

icL

DFIG

var

vbr

vcr

vag vbg vcg

Carga

RrRr

Rs Rs Rs

Ls Ls

Lr Lr Lr

Figura C.1 Sistema de conversión de energía eoloeléctrica aislado.

El modelo que se utiliza en simulación se muestra en la Figura C.2. Para su desarrollo

se utilizan las ecuaciones descritas en el Capítulo 2. El sistema consta de las siguientes

etapas:

a. Motor de corriente directa.

b. Máquina de inducción doblemente alimentada.

c. Convertidor del lado de la máquina.

d. Convertidor del lado de la red.

e. Enlace de CD.

f. Control del MSC.

g. Control del GSC.

h. Carga.

Anexo C. Librerías de simulación


Figura C.2 Sistema de generación eoloeléctrica.

C.2 Máquina de inducción doblemente alimentada

Para la simulación de la DFIM se utiliza el modelo trifásico de la máquina, descrito en

el Anexo A. Este modelo se implementa con funciones S de Matlab. La función se llama

IsWECS.m, la Tabla C.1 muestra las entradas y salidas de la función y la Figura C.3

muestra el modelo implementado en Simulink.

Tabla C.1 Entradas y salidas de la función IsWECS.

Entradas vas vbs vcs var vbr vcr

Salidas ias ibs ics iar ibr icr ωm θr Te

Figura C.3 Máquina de inducción doblemente alimentada.


CENIDET 120

C.3 Motor de corriente directa

En la simulación de la parte mecánica del sistema se considera un motor de CD,

controlado en velocidad que impulsa al DFIG. El acoplamiento entre las dos máquinas se

realiza a través de un eje rígido con una caja de engranes ideal.

La función S que se utiliza se llama DC_Mach y las ecuaciones implementadas se

describen a continuación.

Para el circuito de campo:

f

f f f f

div r i L

dt= ⋅ + (C.7)

Para el circuito de armadura:

a

a a a a m af f

div r i L L i

dtω= ⋅ + + (C.8)

Par electromagnético:

m af f a

T L i i= ⋅ (C.9)

En la Figura C.4 se muestra el esquemático para el motor de CD que impulsa al DFIG.

Figura C.4 Motor de CD.



C.4 Convertidor back-to-back

A. Convertidor del lado de la máquina

Las expresiones para el modelo del MSC se presentan en el Capítulo 2, las expresiones

utilizadas son C.10 y C.11. La expresión C.10 se refiere a la ecuación de voltaje para el

MSC y la expresión C.11 presenta la corriente en el enlace de CD. En la Figura C.5 se

presenta la implementación de estas expresiones.

1

2

3

2 1 11

1 2 13

1 1 2

ar r

br r o

cr r

v g

v g V

v g

− −

= − − − −

(C.10)

1 1 2 3o r ar r br r cr

I g i g i g i= + + (C.11)

Figura C.5 Modelo para el MSC.

B. Convertidor del lado de la red

Las ecuaciones para obtener el modelo del GSC se presentan en C.12 y C.13, al igual

que para el MSC, se utilizan las ecuaciones de voltaje y corriente que describen al GSC. En

la Figura C.6 se presenta el modelo.

1

2

3

2 1 11

1 2 13

1 1 2

ag g

bg g o

cg g

v g

v g V

v g

− −

= − − − −

(C.12)

2 1 2 3o g ag g bg g cg

I g i g i g i= + + (C.13)


CENIDET 122

Figura C.6 Modelo para el GSC.

C. Enlace de CD

Las ecuaciones C.14 y C.15 describen el voltaje y corriente a través del enlace de CD y

en la Figura C.7 se muestra el modelo del enlace de CD.

1 2

0c o o

I I I+ + = (C.14)

( )o

o1 o2

o

dV 1=- I I

dt C+ (C.15)

Figura C.7 Modelo para el enlace de CD.

C.5 Control del MSC

Las ecuaciones que se utilizan para implementar el control para el MSC se describen en

el Capítulo 2. El controlador se implementa con funciones S. En esta función se tienen: la

transformación de coordenadas de abc a dq, controladores de voltaje y corriente. En la

Figura C.8 se muestra el modelo implementado en Simulink de Matlab.



Figura C.8 Controlador para el MSC.

C.6 Control del GSC

Las ecuaciones que se aplican para obtener el modelo del controlador son las descritas

en el Capítulo 2, para mayor claridad se incluyen a continuación.

En la primera etapa del controlador se realiza un cambio de coordenadas de abc hacia

dq, este cambio se hace en el voltaje y la corriente del estator, aplicando las siguientes

expresiones. Las expresiones para voltaje y corriente son las mismas, debido a esto sólo se

presentan las expresiones para el voltaje.

1 11 2 2

0 3 32 2

sa

s

sb

s

sc

vv

k vv

v

α

β

− − =

−

(C.16)

( ) ( )ds s d r s d r

v v Cos v Senα β

θ θ θ θ= − + − (C.17)

( ) ( )qs s d r s d r

v v Sen v Cosα β

θ θ θ θ= − − + − (C.18)

Cuando se tienen los voltajes y corrientes en coordenadas dq, se procede a aplicar la

técnica de control vectorial descrita en la Figura 2.13. Dentro del bloque del controlador se

incluyeron mediciones de potencia, para las cuales se aplicaron las expresiones C.19, C.20

y C.21.


CENIDET 124

d d q q

P v i v i= + A.9.1

d q q d

Q v i v i= − A.9.2

2 2S P Q= + A.9.3

En la Figura C.9 se muestra la implementación del controlador del GSC.

Figura C.9 Controlador del GSC.

cenidet





presentada por

Dana Luz González Ojeda Ing. Electrónico por el I. T. de Orizaba




Jurado: Dr. Jaime Eugenio Arau Roffiel – Presidente Dr. Abraham Claudio Sánchez – Secretario

Dr. Jesús Aguayo Alquicira – Vocal Dr. Mario Ponce Silva – Vocal Suplente


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cenidet20Dana%20… · el cual utiliza un convertidor bidireccional de potencia back-to-back conectado entre las terminales del generador, permitiendo así trabajar a velocidad sub