DISEÑO DE GENERADOR ASÍNCRONO DOBLEMENTE ALIMENTADO PARA TURBINA OFFSHORE

Transcripción

1 DISEÑO DE GENERADOR ASÍNCRONO DOBLEMENTE ALIMENTADO PARA TURBINA OFFSHORE Autor: Castillo Manglanos, Alejandra Director: Talavera, Juan Antonio Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Ante la presente decisión del Parlamento Europeo del 23 de abril de 2009 sobre la reducción de los gases de efecto invernadero un 20% en 2020, se ha de apostar por las energías limpias y mejorarlas en la medida de lo posible para llegar a un entorno de sostenibilidad de todas ellas, especialmente de la eólica. Cada kwh producido con energía eólica tiene 26 veces menos impactos que el producido con lignito, 21 veces menos que el producido con petróleo, 10 veces menos que el producido con energía nuclear y 5 veces menos que el producido por gas (fuente: estudio CIEMAT/IDEA/APPA) La energía del viento se antepone al resto de renovables como la más rentable y por ello, se ha decidido realizar este proyecto. El generador que en este proyecto se ha diseñado corresponde a uno de los más utilizados actualmente en energía eólica: el generador asíncrono doblemente alimentado. Este generador resulta competitivo incluso al enfrentarse a máquinas más novedosas de imanes permanentes. El problema surge cuando se trasladan los generadores eólicos a zonas marítimas, denominadas offshore, que son de más difícil acceso para posibles reparaciones necesarias y soportan inclemencias climatológicas más severas que en tierra. Esto es lo que llevó a pensar en el diseño de un generador que disminuyera el tiempo fuera de servicio y el mantenimiento requerido en este tipo de localización. Tras analizar los componentes que forman la turbina al completo se descubrió que el elemento disminuye la fiabilidad de estos generadores, es un elemento mecánico denominado multiplicadora, que se encarga de elevar la reducida velocidad de las palas exteriores del molino en el entorno, de 10 o 12rpm, hasta una velocidad considerada como aceptable para un generador habitual entorno a 750rpm. Eliminar este componente supone muchas más dificultades técnicas en el diseño ya que requiere bajas velocidades de rotación pero el mismo elevado par en el eje.

2 Como datos iniciales de diseño, el director facilitó los requisitos de la máquina en términos de potencia generada que se vierte a la red de 5MW, frecuencia de red de 50Hz, velocidad de rotación del rotor de 10rpm. La tensión de estator elegida fue de 9KV, junto con un deslizamiento de 30%, ambos valores de diseño habituales de este tipo de máquinas. Para comenzar el diseño se utilizaron datos de motores de inducción para una regresión inicial, porque no suele disponerse de información técnica de este tipo de generadores, ya que al ser máquinas complejas, los fabricantes no facilitan datos que puedan conducir al tipo de estudio desarrollado. De este modo se eligieron motores del tamaño y potencia más próximos posibles a los del generador a diseñar, aunque distaban bastante del diseño final. Además se incorporaron los datos de un estudio de viabilidad de IEEE que tenía el mismo propósito que este proyecto a nivel técnico. Tras regresiones realizadas para alcanzar datos dimensionales de partida de diseño coherentes en lo referente a longitud y diámetro interno de estator, se procedió al cálculo mecánico y eléctrico de la máquina. Ambos ámbitos se encuentran relacionados a través de la ecuación de Hopkinson, cuya expresión vincula valores dimensionales con las reactancias y valores eléctricos con la intensidad de magnetización. En los generadores asíncronos doblemente alimentados, la potencia circula tanto del estator a la red como de la red al rotor y es este último el que, gracias al deslizamiento, crea esa potencia en el estator a través de la inducción. Esto quiere decir que, en cierta manera se encuentran restringidas desde el principio la intensidad circulante por estator y potencia que ha de absorber el rotor de la red para verter al estator lo que será determinante para alcanzar un diseño correcto. El diseño como tal se comenzó con un cálculo inicial a través de la ley de Hopkinson para estimar datos aproximados de parámetros determinantes del generador que son principalmente, reactancia del entrehierro y corriente de magnetización. Se opto por un entrehierro de 0,6mm inicialmente aunque más tarde se concluyó que era demasiado exigente a nivel mecánico por lo que se realizaron diversas iteraciones hasta alcanzar un

3 tamaño de entrehierro aceptable para una corriente de magnetización. El tamaño final del entrehierro propuesto fue de 1mm. Alcanzado este punto del diseño se encuentran restricciones en corriente de estator, exigida por la potencia en el eje y la tensión de 9kV, corriente de magnetización determinada por el valor de entrehierro, potencia del rotor relacionada con el deslizamiento elegido junto con impedancias en estator y rotor de carácter inductivo, que impactan todos ellos en el rendimiento. Al no emplear software de optimización, se tuvieron que realizar de nuevo diversas iteraciones hasta alcanzar valores razonables de los parámetros anteriores en rotor y estator. Finalmente se acepto el tamaño de 1mm teniendo en cuenta las referencias previas y se continuó con el diseño de ranuras, dientes y bobinados alcanzando las especificaciones iniciales de potencia y velocidad de rotación para las corrientes que circulan por rotor y estator. Tras diversos cálculos se obtuvo un rendimiento del 86% excesivamente bajo para este tipo de generador por lo que para mejorar el rendimiento y reducir armónicos en las corrientes de estator, se realizó un oblicuamiento de las ranuras ya que sólo se dispone, por problemas de tamaño, de una sola ranura por polo y por fase lo que genera grandes problemas en este aspecto, llegando a alcanzar un rendimiento final del 91%. Tras el diseño final, se decide realizar el presupuesto junto con el estudio económico ante un posible proyecto futuro. Al realizar ambos y comparar con otras máquinas que son directas competidoras del diseño propuesto en este proyecto, se llega a la conclusión de que el generador diseñado es viable y rentable pero no lo suficiente como para lograr ser elegido frente a otras opciones existentes en el mercado que también carecen de multiplicadora. Para resultar verdaderamente eficiente y rentable económicamente y poder competir frente a otras opciones tecnológicas más innovadoras se concluye que se ha de incluir la multiplicadora en este tipo de generador, ya que aporta muchas más ventajas a nivel de funcionamiento y rendimiento que inconvenientes de mantenimiento.

4 DESIGN OF DOUBLE-FED INDUCTION GENERATOR FOR WIND OFFSHORE TURBINES Author: Castillo Manglanos, Alejandra Project Director: Talavera, Juan Antonio Collaborating Organization: ICAI - Universidad Pontificia Comillas. PROJECT SUMMARY Given the decision taken by the European Parliament on 23 April 2009 enforcing the reduction of greenhouse gas emissions by 20% in 2020, we will have to turn towards cleaner energy in the future, improving their performance wherever possible so as to enable us to reach a sustainable environment for them all, especially Wind energy. Each kwh produced by Wind energy has 26 times less environmental impact than that produced using coal, 21 times less than that produced using oil, 10 times less than that produced using nuclear energy and 5 times less than that produced using gas (Source: CIEMAT / IDEA / APPA). Wind power is by far the most profitable means of producing electricity versus the rest of renewable energies and we have therefore decided to undertake this project. The wind turbine generator designed in this project is one of the most commonly used in wind power energy generation: the double-fed induction generator. This wind turbine generator is competitive even versus the newer induction machines designed with permanent magnets. The problem with installing wind turbine generators out at sea is that they are more difficult to access and have to support more severe weather conditions than on land, among other issues. This has led us to consider the design of a wind turbine generator that would reduce the time it is out of service or maintenance required. After analysing the components needed to construct the turbine it was found that the element that makes these generators less reliable is a mechanical component called the gearbox, which is responsible for raising the low-speed of the external rotor blades to a speed considered adequate for a conventional generator.

5 Eliminating this component implies greater technical difficulties in the design since it requires low speeds of rotation but a high torque on the shaft. All this makes the design far more difficult and has been taken into account in the design in this project. As initial design data, the project director provided the requirements of the machine in terms of the power needed to be generated and fed into the electrical grid of 5MW, 50Hz grid frequency, turbine rotor speed of 10rpm. The stator voltage selected at this point was 9KV, along with a slip of 30%, both values commonly used in the design of such machines. The design was begun by taking data used in the construction of induction motors, as the manufacturers of these wind turbine generators, considered complex machines, do not provide data that could lead to the type of design developed in this project. At this point it was decided to look at induction motors that were similar in size and power to the desired wind turbine generator that we wished to design, although these machines are very different to the final design. Furthermore data from a feasibility study carried out by the IEEE was included that had the same objectives as this project. After a data regression to achieve consistent data length and the inner diameter of the stator, we proceeded to the mechanical and electrical calculations of the machine. Both fields are closely related through the reactance values (which take into account the dimensions) and magnetizing current that are used in the Hopkinson equation. In double-fed induction generators, the energy is fed from the stator to the grid as well as from the grid to the rotor and it is thanks to the slip that the energy is created in the stator through induction. This means that the power intensity in the stator and the energy that the rotor has to absorb from the grid to supply the stator and crucial for achieving a correct design are in some way restricted from the start.

6 We began with an initial calculation to estimate approximate data of the determining parameters of the generator that are mainly air-gap reactance and magnetizing current. We opted for a gap of 0.6 mm initially but later concluded it was too demanding in mechanical terms so several iterations were made until an acceptable size air gap was reached of 1mm. At this point in the design there are restrictions on stator current, magnetizing current, rotor power, stator and rotor inductive impedance that affect performance. By not using optimization software, we had to carry out several iterations to achieve reasonable values for the abovementioned parameters. Finally, 1mm was considered as viable taking into account previous references and continued with the design of slots, teeth and winding reaching the initial specifications of power and speed of rotation for the currents in the rotor and stator. To improve the performance and reduce harmonics in the stator currents, we considered the use of oblique slots and the final performance of the generator reached 91%. Once we reached this point a financial budget and an economic study was carried out for a possible future project. When both the financial and economic studies were carried out and compared with other machines that are direct competitors, it was concluded that the project is viable and profitable, but not enough to warrant it being selected over other options in the market that do not have a gearbox. To be truly efficient and economically viable and compete with other technological options it was concluded that the gearbox has to be included in this type of generator, since it provides greater benefits at operating and performance levels than maintenance drawbacks.