Diseño electromagnético de un generador eléctrico para turbina eólica de 100kW

Castillo García, Montaña (2017). Diseño electromagnético de un generador eléctrico para turbina eólica de 100kW. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño electromagnético de un generador eléctrico para turbina eólica de 100kW
Autor/es:
  • Castillo García, Montaña
Director/es:
  • Blázquez García, Francisco
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Diciembre 2017
Materias:
Palabras Clave Informales: generador eólico, imanes permanentes, multiplicadora, 100kW, simulación, FEM
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El desarrollo de la energía eólica aparece motivado por dos causas; en los años 70 con la crisis del petróleo, como búsqueda de alternativas que permitiesen mantener el alto consumo energético de la población y de unos años a esta parte como respuesta a la necesidad de frenar el cambio climático y de generar electricidad sin emitir gases de efecto invernadero, como el CO2, a la atmósfera. En la actualidad ha adquirido la suficiente madurez tecnológica como para ser competitiva en el mercado eléctrico frente a los métodos convencionales de generación, dados su reducción de costes debido a la construcción de turbinas cada vez más potentes y ligeras, el aumento de la eficiencia de la cadena de suministro y el ahorro de costes al fabricarse en parques eólicos cada vez de mayor escala. Por estos motivos y por la ya mencionada necesidad de combatir el calentamiento global ha experimentado un impulso en su investigación e implantación que le hacen tener en el presente un crecimiento anual del 12% y una potencia mundial instalada de 486.749 MW a fecha de 2016. Y así ha conseguido ganarse un hueco en los primeros puestos de generación en el mix energético en países como Dinamarca, Alemania o España. Esto también es posible gracias a que grandes empresas y compañías como General Electric, Siemens, Gamesa o ABB abogan por seguir investigando, mejorando e invirtiendo en los generadores, llegando a construir algunos de varios MW. Para llegar a este punto, esta energía renovable ha evolucionado desde los primeros generadores comerciales de inducción asíncronos con rotores de jaula de ardilla y numerosos elementos auxiliares para su puesta en marcha y operación, pasando por los generadores síncronos que necesitaban de escobillas para alimentar la excitación en continua del rotor y de una caja multiplicadora de engranajes, ambos elementos con una gran necesidad de mantenimiento. Estas desventajas que además repercutían en el coste, peso y rendimiento del generador, se han logrado suplir con la aparición de las máquinas síncronas de imanes permanentes, que sustituyen la excitación del rotor por unos imanes permanentes que imponen una inducción constante e invariable en el entrehierro sin necesidad de colectores. Por otra parte el paso polar se puede reducir, lo que permite la creación de máquinas de mayor número de polos para diámetros más compactos y con ello la conexión directa sin caja de engranajes entre las palas y el rotor del generador. Con el fin de estudiar parte de esta tecnología, en el presente Trabajo Fin de Grado se diseñará desde cero un generador síncrono de imanes permanentes para turbina eólica de 100kW desde el punto de vista electromagnético que no precise de caja multiplicadora, con lo que su rotor girará a la velocidad de las palas, a 30 revoluciones por minuto. La potencia elegida corresponde a la de máquinas que permitan el autoconsumo de centros como bodegas, canteras, granjas, centros comerciales o electrolineras con la mejora de la eficiencia del sistema, al reducirse pérdidas por transporte y distribución. También este tipo de aerogeneradores de menor potencia mejoran la calidad del suministro eléctrico en la red de distribución al proveer de “estabilidad” a la misma, cuando se trate de redes de distribución débiles o finales de línea. Como otro aspecto importante es poder comparar cuantitativamente si el efecto de la caja de engranajes tiene realmente un efecto perjudicial sobre el coste, peso y rendimiento del conjunto caja-generador, se diseña otro generador que necesita una caja multiplicadora 1:4 para funcionar, por lo que la velocidad del rotor será de 120 revoluciones por minuto, esto disminuirá el número de polos necesarios y con ello el diámetro, volumen y coste de lo que es el generador en sí, pero habrá que extraer conclusiones globales de la agrupación caja-generador. Una vez que se eligen las especificaciones de la aplicación, que serán: - Modelo sin multiplicadora: 100kW, 30 r.p.m. , 10 Hz, 168 V y por tanto 20 pares de polos - Modelo con multiplicadora: 100kW, 120 r.p.m., 10 Hz, 168 V y por tanto 5 pares de polos Puede procederse al diseño electromagnético de los modelos, que consta de dos partes, un primer estudio analítico que consigue un dimensionamiento básico de la aplicación con poca potencia de cálculo y un segundo basado en el método de cálculo de elementos finitos (FEM) en el que un software trata con precisión problemas magnéticos y eléctricos, analizando problemas no lineales de saturación y pérdidas en el hierro. El método analítico necesita una serie de estimaciones iniciales a cuenta del diseñador como el valor de la inducción en el entrehierro. Se dimensionan los imanes y el entrehierro para tener este nivel de inducción y se establecen unas dimensiones de diámetro, longitud del paquete y carga lineal a partir de los cuales se inicia un proceso iterativo de sucesivos ajustes de inducción hasta conseguir el nivel de deseado obteniendo un primer dimensionamiento de la máquina. Estableciendo que inducción se quiere en los dientes del estator y en las culatas del núcleo, se obtienen las geometrías más precisas de rotor y estator. El siguiente paso es crear la geometría a partir de los datos anteriores en el software (FEM), elegir los materiales a utilizar introduciendo sus propiedades en el programa, e imponer las condiciones de contorno para que la simulación funcione correctamente (mallado, simetrías, límites…). Y se procede a realizar las simulaciones y los diferentes ensayos, tanto el de funcionamiento en vacío, como el de carga, obteniéndose para cada uno de ellos, par, tensión, enlaces de flujos y corrientes de las 3 fases. También se prueba la respuesta del sistema ante diferentes formas de ranura y como afecta esta al rizado de par y a su valor medio. Seguidamente se obtienen las pérdidas tanto en el núcleo como en los devanados lo que permitirá calcular el rendimiento. Y por último se sacan los costes haciendo una estimación de volumen de los materiales y su precio por kilogramo. Los resultados muestran que el modelo sin multiplicadora tiene mejor rendimiento, que el aumento del volumen para crear una máquina con un mayor número de polos propicia un aumento no solo del peso si no también del coste en materiales, aunque si se compara con los años que se espera la máquina esté en operación ese sobrecoste compensa el mantenimiento y paradas por avería de la multiplicadora. Para finalizar el incremento de peso en este caso, contrarresta prácticamente el peso de eliminar la multiplicadora.

Más información

ID de Registro: 49261
Identificador DC: http://oa.upm.es/49261/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:49261
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 25 Ene 2018 09:00
Ultima Modificación: 25 Ene 2018 09:04
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