Diseño de un generador síncrono con imanes permanentes y rotor exterior de tracción directa para miniturbinas eólicas

Transcripción

1 Diseño de un geneado sínono on imanes pemanentes y oto exteio de taión dieta paa minitubinas eólias David Ramíez Padillo Estudiante de gado en ingenieía elétia, Univesitat Politènia de Catalunya Avenida Valentina Teeshkova, 33, Vilanova i la Geltú, Baelona, España. Teléono: Resumen En este atíulo se desibe el poeso de diseño de un geneado sínono de imanes pemanentes y oto exteio apaz de podui 6 kw a 600 pm. El geneado se ha poyetado paa se instalado en minitubinas eólias de eje hoizontal, tansmitiendo, sin la neesidad de enganajes, la veloidad de gio de las palas al oto, de esta manea, se eduen las pédidas meánias y su mantenimiento. Una vez ealizado el diseño y deteminadas sus aateístias pinipales, se ha ealizado el análisis on un pogama de elementos initos paa obseva el ompotamiento del geneado en su ango de unionamiento. 1. Intoduión Atualmente, ha aumentado el uso de minitubinas eólias paa popoiona enegía elétia en lugaes donde es diíil el aeso a la ed elétia o edui los ostes enegétios on el uso de enegías enovables []. Es muy omún el uso de instalaiones otovoltaias que omplementan a las instalaiones eólias paa así onsegui un aumento de la enegía geneada. El objetivo de este poyeto es diseña un geneado que se adapte a las aateístias de la tubina eólia usada po Bonay, paa así popoiona enegía a pati de vientos modeados. o obstante, on ligeas modiiaiones dimensionales, podía adaptase a otas tubinas omeiales.. Caateístias iniiales del geneado Paa el diseño del geneado se han seleionado divesos mateiales paa ada una de las pates que lo onoman. El estato está onstituido po la hapa elétia M50-50 paa edui las pédidas magnétias, el oto está heho on aeo dule on el objetivo de mantene el ampo magnétio en el inteio del geneado y, po último, los imanes estaán hehos de neodimio, ya que tienen muy buenas popiedades magnétias. Las aateístias ténias de la tubina eólia de Bonay haen que se deteminen vaios paámetos onstutivos y deteminaá el ango de unionamiento del geneado [5]. También lo potegeá de veloidades exesivas, ya que, a pati de una deteminada veloidad de gio, las palas de la tubina se desoientaán on la intenión de mantene onstante la veloidad de gio. La enegía que popoione el geneado ha de se suministada a la ed elétia, po lo que seá neesaio un equipo eletónio apaz de tansoma la tensión y euenia vaiables del geneado, a la tensión y euenia omunes en la ed. Después de se etiiada la tensión de salida del geneado, se utilizaá un inveso de Zigo paa ealiza esta adaptaión, osa que ondiionaá las aateístias elétias del geneado. Figua 1: Esquema básio paa una vivienda Figua : Esquema de onexión ente el geneado y la vivienda

2 3. Poeso de diseño del geneado Pimeamente, se han ijado las siguientes aateístias que vienen ondiionadas po la apliaión. Diámeto exteio oto: Diámeto exteio estato: Longitud entehieo: Potenia útil: Rango tensión en.. Veloidad máxima de gio: Tabla 1: Caateístias iniiales 310 mm 81,7 mm 0,8 mm 6 kw V 600 pm También, el pogama FEMM ha podido popoionanos los datos de omo vaia la induión a lo lago del entehieo. Figua 3: Líneas del ampo magnétio 3.1 Longitud del induido A pati de la tabla 1, es posible alula el pa poduido (1) y on la utilizaión de las euaiones paamétias de las máquinas sínonas [1][3] (), se ha podido detemina la longitud del induido (3). Ptub T (1) ω tub π T Kw A B D L () TVR K w A B V π D L T L (3) π D TVR 3. Induión en entehieo Se ha ealizado el álulo de la induión en el entehieo mediante un análisis simpliiado, on una pemeabilidad magnétia de la hapa magnétia muy elevada y el eeto de las anuas se tendá en uenta multipliando el entehieo po el ato de Cate (). Conoido este ato, ya es posible alula tanto el valo de la induión en el entehieo (5) omo el lujo magnétio (6). τ K 3 () τ + a B B µ D m 1 + l D m D L B p Φ 3.3 Simulaión del iuito magnétio (5) (6) Figua : Vaiaión induión a lo lago del entehieo 3. Caateístias del enollamiento En uanto al enollamiento, se ha elegido un bobinado onentado de paso aionado de doble apa que, aunque tienen meno ato de enollamiento que los bobinados distibuidos que se usan nomalmente en las máquinas de oiente altena tiásios, tienen una oma de onda más sinusoidal, meno ontenido en amónios y bobinados más otos[]. Figua 5: Esquema devanado Fase A También, se ha elegido una ombinaión de 0 polos y anuas en enaja on las aateístias que se petenden obtene del geneado. Po lo tanto, el devanado de doble apa tiene un númeo de anuas po polo y ase n PF 0,35 y un ato de devanado k W 0,953. La distibuión del devanado es: A / A'A '/ AA / A'A' / AA / A'A'/ AA / A'. Con la ayuda del pogama de elementos initos FEMM, se ha podido ealiza la simulaión de las líneas de ampo poduidas po el eeto de los imanes, sin el eeto del paso de oiente po los ondutoes en la anua.

3 Es impesindible ompoba si el ato de oupaión de la anua, ya que, el áea que oupe el obe dento de la anua no ha de se supeio al 0% del áea total de la anua. En aso ontaio, el enollamiento no podía ealizase po alta de espaio. 3.7 Resistenia del enollamiento Como bien es sabido, la esistenia de un onduto elétio es popoional a su longitud. Paa sabe la esistenia del enollamiento, se ha de alula pimeamente la longitud de la espia media (11). Conoido este valo, ya se podá onoe la longitud del onduto po ase, po lo tanto, es posible ealiza el álulo de su esistenia elétia (1). l L + 10 t em dm (11) Figua 6: Distibuión de las ases en las anuas del moto 3.5 úmeo de espias En ondiiones de vaío, onsideando tensión nominal a una veloidad nominal, la tensión se iguala on la ueza eletomotiz, po lo tanto, apliando la onoida ómula de las máquinas sínonas [1][] (7), es posible alula el númeo de espias po ase. U E π Kw Φ Paa sabe si este númeo de espias es posible, se alula el númeo de anuas po ase y el númeo de espias po anua. En aso de que la elaión ente el númeo de espias y el númeo de anuas no sea un númeo enteo (8), se edondeaá al númeo enteo más póximo paa onoe el númeo inal de espias po ase. e Q ase 3.6 Diámeto de los ondutoes Es neesaio onoe la intensidad de oiente que iulaán po los ondutoes, mediante la euaión paa el álulo de la potenia en máquinas sínonas(9), se alula la intensidad popoionada po el geneado sínono en ondiiones nominales. I ad Ptub 3 U os ϕ Una vez onoida la intensidad máxima que iulaán po lo ondutoes, ya es posible alula el diámeto de los ondutoes paa una densidad elétia deteminada(10). I ad d π (10) (7) (8) (9) Donde (t dm ) es la anhua media del diente en milímetos. R (1) Lógiamente, la esistenia vaía en unión de la tempeatua, po lo que, paa alula diha esistenia a una tempeatua deteminada, ha de apliase la euaión siguiente: R ase0ºc aset l ρ obe S em 35 + T R ase Ti 35 + Ti (13) Donde (T ) es la tempeatua de tabajo espeada que alane el geneado en ondiiones nominales. 3.8 Indutania en el enollamiento En este aso, el valo de la indutania po ase del devanado, se ha ealizado a pati de los datos obtenidos po el pogama FEMM. En las simulaiones ealizadas se le han apliado al enollamiento dieentes niveles de intensidad de oiente paa obseva su evoluión a medida que la oiente que iula po el onduto va aumentando. De esta manea, además de onoe la indutania en ondiiones nominales también se puede obseva su evoluión inluso en ondiiones de sobeintensidad. Figua 7: Evoluión de la indutania en unión de la oiente (en valo RMS) en la ase B

4 puede se la tapa de aluminio. Paa onoe la indutania total poduida po todas las abezas de bobina que hay en el geneado, se ha de aplia la euaión siguiente: L l L bt b dientes b (1) Donde (l b ) es la longitud de la abeza de bobina. Paa el álulo de la indutania total, simplemente se han de suma las indutanias obtenidas anteiomente. L T L i + L bt (15). Ciuito equivalente Figua 8: Induión magnétia poduida po la ase B A pati de los esultados obtenidos en los apatados anteioes, se pueden detemina los valoes que omponen el iuito equivalente simpliiado del geneado paa ualquiea que sea su veloidad de gio[1][]. Como se puede obseva en la igua 7, la indutania aumenta sensiblemente al aumenta la intensidad de oiente po sus bobinas. También podemos estima que, en ondiiones nominales y el geneado unionando en vaío, el valo de la indutania. 3.9 Indutania en abezas de bobina Como en el aso anteio, se ha utilizado el pogama de elementos initos FEMM paa enonta la indutania en las abezas de bobina, peo en esta oasión se ha ealizado una simulaión de su seión longitudinal paa ve ómo aetan las abezas de bobina en el iuito magnétio. Figua 10: Ciuito equivalente del geneado Donde K es la tensión de ase que popoiona el geneado en unión de su veloidad de gio. R ase es la esistenia po ase del enollamiento, este valo no vaía a lo lago de su ango de unionamiento. La expesión que detemina el valo de la eatania po ase en unión de la veloidad es la siguiente: (16) Donde (ω) es la veloidad angula de gio en ad/s. Finalmente, P hieo son las pédidas magnétias poduidas en la hapa magnétia. Estas pédidas también vaían en unión de la veloidad, omo podá vese seguidamente. 5. Pédidas en el geneado Figua 9: Líneas de ampo magnétio poduido en las abezas de bobina Como se puede obseva, el lujo se onenta en las abezas de bobina, peo el ampo magnétio también es dispesado a tavés de los elementos adyaentes, omo Las pédidas en el geneado pueden dividise en pédidas magnétias, pédidas elétias y pédidas meánias[1]. Paa el álulo de las pédidas magnétias, es dei, las pédidas en el hieo, pueden alulase a pati de la siguiente euaión: 3 B B d e Hieo FE0 d + e 0 B0 B0 P k Ped m m (17)

5 Donde; Ped FE0 Pédidas en el hieo po unidad de masa a una euenia dada ( 0 ) y a una induión deteminada (B 0 ), paa hapa magnétia 50-50, Ped FE0,5 W/kg; 0 50 Hz y B 0 1,5 T. K Coeiiente que tiene en uenta las pédidas adiionales en el hieo y el inemento de pédidas que se podue en el punzonado y en la manipulaión de la hapa magnétia. Valoes típios: k 1,5. euenia de opeaión B d Induión máxima en los dientes B e Induión máxima en la oona del estato m d masa de los dientes m e masa de la oona del estato El valo de la induión máxima en la oona del estato y en los dientes no vaía signiiativamente, po lo que, se puede onima que estas pédidas vaían pinipalmente en unión de la euenia. En uanto al álulo de las pédidas elétias debidas al eeto Joule en el devanado. Estas pédidas dependen de la intensidad de oiente que iula po ada una de sus ases (18). P m R I obe ase70º C ad (18) Finalmente, las pédidas meánias se pueden dividi ente las ausadas po la iión en los odamientos (19) y la iión on el aie poduido po el gio del oto (0). Como se podá ve, estas pédidas también vaían en unión de la veloidad de gio. Pojinetes 0.15 n d (19) 6. Resultados Una vez ealizado todas las etapas del diseño, las aateístias inales del geneado que se ha diseñado son las siguientes: Diámeto exteio del oto 310 mm Diámeto exteio del estato Entehieo Longitud del estato úmeo de polos en oto 0 úmeo de dientes en estato úmeo de espias po diente 19 89,7 mm 0,8 mm 55 mm úmeo de espias po ase 66 Longitud de la bobina Resistenia po ase Indutania po ase Reatania po ase Intensidad nominal 96 mm 0,565 Ω,95 mh 7,595 Ω 1,7 A ( 0.6 τ ) P k D L + v ozaie p p t (0) Seión onduto de la bobina,7 mm Donde; (n) es el númeo de ojinetes (d ) es el diámeto del eje (k p ) es un oeiiente de valo 10 al tatase de una máquina sínona (v t ) es la veloidad tangenial del oto Induión máxima en entehieo Flujo máximo en entehieo Constante de popoionalidad ente tensión y veloidad de gio (K ) 0,93 T 91,5 µwb 0,3 V/pm Tabla : Caateístias inales del geneado sínono Figua 11: Mapa de la induión magnétia on geneado en aga Figua 1: Potenia en unión del viento

6 También se puede ve que paa potenias ineioes a los 1000 W, el endimiento del geneado es bastante bajo. Esto es debido a que las pédidas magnétias y meánias son elevadas en ompaaión a la potenia geneada. En ambio, a pati de los 000 W, el endimiento tiende a estabilizase alededo del 91%, valo bastante eano al estimado iniialmente. Po lo tanto, podemos dei que, paa onsegui un endimiento óptimo del geneado, lo ideal seía instala el aeogeneado en una zona en la que la veloidad del viento sea la suiiente omo paa popoiona, omo mínimo, los kw. Figua 13: Evoluión de la tensión de salida en ondiiones de vaío en unión de la veloidad de gio 7. Estudio eonómio Con el objetivo de onstui un pototipo del geneado diseñado paa ealizale dieentes ensayos, el oste eonómio que supone este poeso puede dividise en tes gupos: oste empleado en la ase del diseño, oste de los mateiales y omponentes utilizados y el oste de la mano de oba paa ealiza el pototipo. El oste que supone la ase de diseño es de Este valo es el más elevado debido a las hoas de tabajo neesaias po el diseñado o gupo de diseñadoes paa la ealizaión del poyeto. Figua 1: Evoluión de la potenia en unión de la intensidad de oiente geneada Una vez diseñado, es neesaia la ompa de los mateiales que se desean utiliza, omo la hapa elétia, los imanes de neodimio y el aeo dule, y los omponentes elétios paa su onexionado, omo puede se el ableado exteio, el etiiado y el inveso. El oste de los mateiales neesaios paa la onstuión supone una uantía de 160. Había que añadile también unos 5.10 en la ompa de los omponentes neesaios paa onetalo a la ed elétia, donde el inveso es el omponente de mayo valo, unos Finalmente, es neesaio un poeso de onstuión del pototipo, en el ual se han de tata los mateiales paa que umplan on las dimensiones y aateístias popuestas en el diseño, omo puede se el ote de las hapas elétias y el meanizado de las piezas. Este poeso supone un oste de.380, donde el poeso de meanizado es el más ostoso. Figua 15: Evoluión del endimiento a medida que se aumenta la potenia geneada En la igua 1, puede apeiase omo la potenia que popoiona el viento aumenta al ubo de su veloidad, tenemos que la potenia geneada po el geneado aumenta lentamente ente los m/s y los 5 m/s paa luego subi más ápidamente ente los 5 m/s y los 1 m/s, que es donde alanza su potenia nominal. Cuando la veloidad del viento es de ente los 1 m/s y los 1 m/s es uando se podue el ambio de la inidenia de las palas paa que, a pati de los 1 m/s la veloidad de gio de las mismas se mantenga onstante y, de esta manea, también se mantiene onstante la potenia que popoiona el geneado. Po lo tanto, el oste del diseño y la onstuión de un pototipo del geneado elétio supone un valo de.660. Lógiamente, una vez se adapte el sistema de abiaión y se ealien gandes pedidos de los mateiales y omponentes neesaios, el oste del geneado se eduiá onsideablemente. Se estima que el oste inal del geneado seá de Conlusión En este atíulo se ha desito los pasos a segui paa el diseño de un geneado sínono on imanes pemanentes y oto exteio que umple on los equisitos neesaios paa se instalado en una tubina eólia de eje hoizontal, y que se adapta, sobetodo, en la aeotubina que abia Bonay paa sus geneadoes de 6 kw.

7 El geneado que se ha diseñado podue enegía elétia en un amplio ango de veloidades de gio de su oto, gaias al númeo elevado de polos y a los meanismos que egulan la inidenia de las palas de la tubina eólia, de esta manea, haen que la geneaión de enegía sea posible on vientos de m/s hasta vientos de más de 0 m/s. El heho de utiliza un imán pemanente omo lo es el neodimio, hae que la potenia entegada sea bastante elevada paa un geneado de tamaño eduido. Como también popoiona un buen endimiento paa potenias supeioes a los kw. Esto hae que el apovehamiento de la enegía eólia sea óptima paa vientos supeioes a los 8 m/s. Reeenias [1] Stephen J. Chapman. Máquina elétias. ª Ediión. M Gaw Hill. Méxio: Punta Santa Fe, 005. [] Ion Boldea. Vaiable speed geneatos. CRC Taylo and Fanis. EEUU: ew Yok, 006. [3] Raael Sanjujo avao. Máquinas elétias. Madid: Gaía-Maoto Editoes [] Jose Mª de Juana, et al. Enegías enovables paa el desaollo. Paanino. España: Madid, 003. [5] Miguel Villaubia López. Ingenieía de la enegía eólia. Maombo. España: Baelona, 01.