DISEÑO DE GENERADOR DE ELEVADO PAR CON EXCITACIÓN POR IMANES PERMANENTES PARA AEROGENERACIÓN

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María Ángeles Díaz Giménez
hace 7 años
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1 DISEÑO DE GENERADOR DE ELEVADO PAR CON EXCITACIÓN POR IMANES PERMANENTES PARA AEROGENERACIÓN Autor: Pérez Pichel, Germán David. Director: Talavera Martín, Juan Antonio. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Este proyecto consiste en el diseño, cálculo y análisis de un generador eléctrico síncrono destinado a un hipotético gran aerogenerador de 10 MW (hoy día, el más grande del mundo es de 5 MW). Debido a que a mayor potencia se necesitan palas de mayor tamaño, para mantener la velocidad de punta de pala en valores posibles aerodinámicamente, la velocidad de rotación disminuye, de manera que aumenta mucho el par transmitido. Esto da una idea de la gran caja multiplicadora que necesitaría un aerogenerador así de grande. Por ello, en este proyecto se propone utilizar la configuración de conexión directa turbina eólica-generador eléctrico, ya usada en la actualidad por algunos fabricantes, en la que el generador funcionará a baja velocidad, variable y con gran par. Pero no se trata de un estudio de máquina convencional para esta aplicación concreta, si no que se pretende comprobar la viabilidad de un tipo de máquina a la que hasta ahora no se le han encontrado muchas aplicaciones debido a su alto coste: el generador síncrono de excitación con imanes permanentes. Por lo tanto, se busca diseñar y estudiar la viabilidad técnica y económica de un generador síncrono de 10 MW, en el cual no habrá los clásicos bobinados en el rotor, sino que serán sustituidos por una excitación fija llevada a cabo por imanes permanentes. El objetivo último es comprobar si para una potencia tan grande, este diseño podría ser competitivo en relación a otras máquinas de tecnología ya utilizada en modelos actuales de menor potencia, comparando no sólo con las que necesitan acoplamiento por multiplicadora, sino también con otras máquinas de acoplamiento directo (asíncronas doblemente alimentadas y las síncronas de rotor bobinado). El proyecto se divide en dos documentos: la memoria, en la que se explica el desarrollo del proyecto; y los planos, que constituyen el resultado gráfico del diseño. La memoria comienza, tras describir el objeto del proyecto, con una introducción a los conceptos básicos sobre

2 aerogeneración, centrándome posteriormente en la descripción de las distintas tecnologías de los aerogeneradores, donde se introduce el funcionamiento de la máquina utilizada para el diseño buscado: el generador TFPM. Las siglas TFPM vienen del inglés: Transversal Flux Permanent Magnet Machine. Se trata de la máquina más compleja en cuanto a diseño y construcción de las tres tecnologías de imanes permanentes, así como la más diferente al concepto clásico de generador eléctrico. Aunque ya se han realizado máquinas de imanes permanentes para algunas aplicaciones de aerogeneración de menor potencia, ninguna hasta ahora ha utilizado esta tecnología. Debido a la complejidad del flujo en la máquina, y las diferencias conceptuales que existen respecto a máquinas más convencionales, se dedica distintos apartados en la memoria para describir el modelo utilizado para el diseño, y explicar bien el funcionamiento de este generador. Además, se realizan estudios sobre la evolución del flujo magnético de excitación (obteniendo una expresión analítica que caracteriza a este flujo, y que resultará útil en el diseño), y se hace una descripción del material elegido como imán permanente, llamado de tierras raras ( Nd-Fe-B ). Para conseguir un estudio más eficaz y completo de la máquina, se realiza el diseño programando todos los cálculos (en base a un modelado basado en circuitos de reluctancias) en Matlab, de manera que se llegará a un diseño que podrá ser comparado con otros obtenidos también a través del programa realizado y explicado en el proyecto. En las siguientes figuras 1 y 2 podemos ver imágenes tridimensionales desarrolladas en el proyecto a partir de las dimensiones del generador diseñado (algo más de 12 metros de diámetro y 300 pares de polos). Además, véanse los datos de la tabla 1, en los que se muestran algunas de las características más interesantes de la máquina diseñada. Figura 1. Imagen general del generador TFPM diseñado Figura 2. Detalle del generador TFPM diseñado

3 Posteriormente, se analiza y elige el convertidor de frecuencia conveniente para la máquina obtenida, se realiza una primera aproximación al análisis y cálculo de la refrigeración, se dimensiona el eje, y finalmente se muestra la configuración que presentará la góndola (véase Figura 3). Potencia: P (MW) 10 Velocidad: n (rpm) 10 Diámetro en el entrehierro: D (m) 12,0321 Entrehierro: g (mm) 11,9 Par por cada fase: T (N.m) ,3 Reactancia total: Xs (Ohmios) 66,9143 Resistencia del devanado: R (Ohmios) 0, Masa Total del material activo (kg) ,2 Coste total del material activo () ,1 Figura 3. Esquema general de la góndola Tabla 1. Resultado del diseño Como ya se ha mencionado anteriormente, el proyecto no sólo busca realizar un diseño técnico, sino que se pretende ver si realmente es viable, por lo que se incluye un estudio económico a través del cual se llega a un resultado esperanzador. La conclusión es que el coste de adquisición del generador diseñado más la electrónica de potencia estará entre dos valores estimados como posibles máximo y mínimo de los costes de adquisición del generador convencional más la multiplicadora: ,68 < ,77 < ,75 Finalmente, como proyecto de energías renovables que es, se dedica un último apartado a un breve, pero importante estudio de impacto ambiental en el que se destaca la especial utilidad de un aerogenerador de las características del diseñado en el presente proyecto a la hora de utilizarlo como aerogenerador marino, pudiendo además desarrollar en el futuro un interesante papel en la producción de hidrógeno de manera sostenible.

4 HIGH TORQUE GENERATOR DESIGN WITH EXCITEMENT BY PERMANENT MAGNETS FOR WIND TURBINES This project object is to design, to calculate and to analyze a synchronous electric generator destined to a hypothetical great wind turbine of 10 MW (nowadays, the biggest wind turbine has 5 MW). The rotational speed of the wind turbine is limited by the spade tip speed. Indeed, large wind turbines produce high power requiring low rotational speed and high torque. This gives an idea about the great gearbox that 10 MW wind turbine would need. Because of it, this project suggests to utilize the direct-drive configuration. However, this project does not study a conventional machine for this concrete application. It intends to verify the viability of a special machine: the direct drive permanent magnets generator. The main objective is to verify that this design of high power is viable, comparing it with the technologies utilized today in direct drive wind turbines and configuration with gearbox. The project is divided into two documents: the memory explains the development of the project; and the plans constitute the graphic result of the design. The memory begins, after describing the object of the project, with an introduction to the basic concepts on wind turbines. Subsequently the different wind turbines technologies are described. Here a general description of the chosen permanent magnet synchronous machine for the design is done: the TFPM machine. TFPM means: Transversal Flux Permanent Magnet Machine. It is the most complex and least equal to classic machine design. The TFPM have a very high force and power density and therefore the TFPM has been considered very promising in application with high torque and low speed. In the project a study of the reluctances model is carried out utilized for the design. On the other hand the complex magnetic flow is analyzed. The design of the machine is programmed in Matlab. This is useful to compare the chosen final design with other possible designs. Indeed, the figures 1 and 2 were made from the final design. The design parameters of the table 1 are also interesting.

5 Figure 1. General image of the TFPM generator designed Figure 2. Detail of the TFPM generator designed Subsequently, it is analyzed and chosen the frequency converter for the designed machine; a first approximation is carried out to analyze and to calculate the cooling system; the rotor axis is calculated; and finally, the turbine configuration is shown (Figure 3). Power: P (MW) 10 Rotacional speed: n (rpm) 10 Airgap diámeter: D (m) 12,0321 Airgap: g (mm) 11,9 Torque of a single-phase: T (N.m) ,3 Reactance: Xs (Ω) 66,9143 Wound resistance: R (Ω) 0, Active material mass (kg) ,2 Active material cost () ,1 Figure 3. Turbine configuration Table 1. Some design parameters The project does not only seek to carry out a technical design, indeed it is studied the economical viability too. The conclusion of the economic study is satisfactory. It is seen that the acquisition cost of the machine designed is sufficiently small. The machine could be an interesting option for investors ,68 < ,77 < ,75 Finally, it is not possible to forget that this is a renewable energy project. Because of it, it is dedicated a last section of the memory to carry out a brief and interesting study of environmental impact.

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