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Fallas en aerogeneradores eléctricos

El conocimiento de los distintos modos de falla en aerogeneradores es el primer paso para su análisis y el establecimiento de medidas tendientes a evitarlas o minimizarlas.

Actualmente, cerca del 20% de la generación eléctrica mundial se hace con fuentes renovables, mientras que el resto, con fuentes fósiles. Del porcentaje que usa ERNC, el uso del viento para generación eléctrica representa un nivel cercano al 1%, y sigue aumentando. Algunos datos importantes del sector de generación eólica son los siguientes:

Aproximadamente el 99% de aerogeneradores están conectados por medio de convertidores de electrónica de potencia.

Cerca del 70% de los aerogeneradores usan máquinas de inducción de rotor bobinado (DFIG, por las siglas en inglés de Generador de Inducción Doblemenente Alimentado).

Los aerogeneradores se clasifican según la velocidad de giro en:

1. De baja velocidad: con transmisión directa, sin cajas de engranajes. Velocidades típicas de 30rpm. Usan PMSG (siglas en inglés de Generador Sincrónico de Imanes Permanentes).

2. De media velocidad: con cajas de engranajes de 1 o 2 etapas. Velocidades típicas de 100 a 500rpm. Usan PMSG.

3. De Alta velocidad: con cajas de engranajes de 3 etapas. Velocidades típicas de 1000-2000rpm. Usan DFIG.

Además, se clasifican por la potencia de las unidades en:

1. Pequeñas (<1 MW).

2. Medianas (1-2MW). Este es el tamaño más utilizado en los parques eólicos hoy en día.

3. Grandes (> 2 MW).


Máquina de inducción como generador

Suponiendo que un motor de inducción se arranca y se acelera por acción de una fuerza externa, donde el rotor de la máquina gira a una velocidad mayor a la del campo magnético rotatorio. Es decir, más rápido que la velocidad sincrónica (o de sincronismo) ns.

En este caso, el deslizamiento se hace negativo y el sentido de rotación del flujo magnético con respecto al rotor cambia en el sentido contrario que tenía la máquina cuando funcionaba como motor. En correspondencia, así se invierte el sentido de la tensión inducida en estator y el de la corriente. Por lo tanto, la máquina pasa de su fase de motor, donde absorbe potencia eléctrica de la red, a la de generador, entregando potencia a la red.

Figura 1. La máquina de inducción como motor y generador.

La figura 1 muestra la curva característica torque-velocidad, donde se observa la operación de la máquina de inducción como motor y generador, definida por el sentido del torque sobre el eje.

Figura 2. Fallas más comunes en aerogeneradores 1 a 2 MW. Fuente: K. Alewine et al., “A Review of Electrical Winding Failures in Wind Turbine Generators 2011”.

Evolución histórica de los aerogeneradores

Los aerogeneradores eléctricos se empiezan a usar en la década de 1970, donde surgen las primeras propuestas, pero fue en los años '90 cuando su uso se extendió. Varios tipos de unidades se han desarrollado. Por ejemplo, en la gama de tamaños medianos, han surgido los siguientes tipos:

1. El primero fue el aerogenerador de velocidad fija, usando cajas de engranajes y una máquina de inducción estándar, tipo Jaula de Ardilla (SCIG, por sus siglas en inglés). Dinamarca fue el principal constructor de este tipo de máquinas en los años '80. Se conectaban directamente a la red y requerían un banco de condensadores, ya que se necesitaba potencia reactiva para magnetizar el generador. Se arrancaban por medio de un arrancador suave, y luego el viento se encargaba de devolver la potencia a la red. Adicionalmente, algunas unidades se construían con doble bobinado (o un bobinado con 2 velocidades), para ser aplicado en dos condiciones de velocidad, según el viento imperante.

2. A mediados de los años '90, un fabricante danés desarrolló un nuevo tipo de aerogeneradores: el Generador de Inducción con Rotor Bobinado (WRIG, por sus siglas en inglés). Controlado por cambios en la resistencia de rotor (al que se accede por anillos con escobillas) por medio de electrónica de potencia.

Hoy en día, el concepto se sigue aplicando por algunos fabricantes. Son de limitada velocidad variable. El estator se conecta directamente a la red. Adicionalmente, se requiere un banco de condensadores y arrancador suave.

3. Avanzada la década de los '90, aparecieron los generadores de inducción doblemente alimentados (DFGI), los que incluían un rotor bobinado, accediendo a este por medio de anillos con escobillas. Este tipo de generador también se conecta a la red por medio de electrónica de potencia. Con esto, se controla la potencia activa y reactiva según las condiciones. Por el rotor puede circular 20-30% de la potencia de la unidad, y así se dimensiona la electrónica de potencia. Es la máquina más usada hoy día, como ya se mencionó.

4. Otro tipo de generador que se usa es el Sincrónico o SG (similar al usado en generación hidroeléctrica), con rotor de excitación en CD. Existen versiones con y sin escobillas. Son unidades grandes, hasta 4-5MW.

5. Finalmente, en los últimos años, se desarrolló lo que para muchos será (o ya es) el aerogenerador del futuro: el generador de rotor con imanes permanentes (PMSG, por sus siglas en inglés). En comparación a los otros tipos, su diseño tiene muchas ventajas: no usa caja de engranajes y la electrónica de potencia es la encargada de producir la tensión de salida a la frecuencia deseada. El impulso de los últimos tiempos se debe al menor precio de las tierras raras (como neodinio) usadas para fabricar los magnetos. Lamentablemente, los mayores yacimientos de estos materiales están en China, por lo que este país controla los precios.

Figura 3. Fallas eléctricas en aerogeneradores. Fuente: K. Alewine et al., “A Review of Electrical Winding Failures in Wind Turbine Generators 2011”.

Análisis causa-raíz en aerogeneradores

Por las condiciones de operación que tienen los aerogeneradores doblemente alimentados, las unidades tienen distintas solicitaciones de diseño y construcción, para soportar lo siguiente:

Solicitaciones eléctricas:
1. Soportar transitorios de tensión.
2. Selección de los materiales aislantes (cables rotor, bobinados).

Solicitaciones térmicas:
1. Exposición a altas temperaturas (enfriamiento).

Solicitaciones mecánicas:
1. Altos niveles de vibración presentes.
2. Enormes fuerzas centrífugas en rotor (fijación del rotor).
3. El fenómeno de corrientes en rodamientos (acorta la vida útil).
4. Cuidados con la lubricación.

Otras: Contaminación.

Si se revisa la literatura existente, se encuentran algunos análisis causa-raíz en aerogeneradores, así como de los modos de falla (la manifestación, forma u orden de la falla). En un estudio realizado en una población de 1.200 unidades falladas, entre 2005-2010 se encontraron las fallas más comunes.

Según la figura 2, la falla más común se encuentra en los rodamientos. A continuación, se presentan las fallas separadas en Eléctricas y Mecánicas.

A. Fallas eléctricas en aerogeneradores Las fallas eléctricas que se presentan son las siguientes:
1. Daños al aislamiento en estator.
2. Daños al aislamiento en rotor. 3. Fallas en los cables de salida del rotor.
4. Fallas en anillos colectores.
5. Fallas en las cuñas magnéticas usadas en el estator.
6. Otras fallas eléctricas.

B. Fallas mecánicas en aerogeneradores Las fallas mecánicas que se presentan son las siguientes:
1. Fallas en rodamientos.
2. Fallas en el sistema de enfriamiento.
3. Otras fallas mecánicas.

Figura 4. Fallas mecánicas en aerogeneradores. Fuente: Electromotores de Costa Rica S.A.

Por Ing. Oscar Núñez Mata, M. Cs. Profesor en la Universidad de Costa Rica y consultor internacional. Actualmente se encuentra desarrollando estudios de Doctorado en Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Chile. oscarnunezmata@gmail.com
Agosto 2015
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Comentarios acerca de este artículo
enrique martinez pep (16/07/2019)
el aerofreno de una de las palas no cierra
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