Diseño Generador Sincrono

8/18/2019 Diseño Generador Sincrono

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Resumen

En este artículo se describe el proceso de diseño de ungenerador síncrono de imanes permanentes y rotor exterior

capaz de producir 6 kW a 600 rpm.

El generador se ha proyectado para ser instalado enminiturbinas eólicas de eje horizontal transmitiendo sin la

necesidad de engranajes la !elocidad de giro de las palas alrotor de esta manera se reducen las p"rdidas mec#nicas y

su mantenimiento.

$na !ez realizado el diseño y determinadas suscaracterísticas principales se ha realizado el an#lisis con

un programa de elementos %initos para obser!ar el

comportamiento del generador en su rango de%uncionamiento.

1. Introducción

&ctualmente ha aumentado el uso de miniturbinas eólicas

para proporcionar energía el"ctrica en lugares donde esdi%ícil el acceso a la red el"ctrica o reducir los costes

energ"ticos con el uso de energías reno!ables '(). Es muy

com*n el uso de instalaciones %oto!oltaicas +uecomplementan a las instalaciones eólicas para así conseguir

un aumento de la energía generada.

Figura 1: Esquema básico para una vivienda

El objeti!o de este proyecto es diseñar un generador +ue seadapte a las características de la turbina eólica usada por

,ornay para así proporcionar energía a partir de !ientosmoderados. -o obstante con ligeras modi%icaciones

dimensionales podría adaptarse a otras turbinascomerciales.

2. Características iniciales del generador

ara el diseño del generador se han seleccionado di!ersosmateriales para cada una de las partes +ue lo con%orman. El

estator est# constituido por la chapa el"ctrica /10210 parareducir las p"rdidas magn"ticas el rotor est# hecho con

acero dulce con el objeti!o de mantener el campomagn"tico en el interior del generador y por *ltimo los

imanes estar#n hechos de neodimio ya +ue tienen muy buenas propiedades magn"ticas.

3as características t"cnicas de la turbina eólica de ,ornay

hacen +ue se determinen !arios par#metros constructi!os ydeterminar# el rango de %uncionamiento del generador '1).

4ambi"n lo proteger# de !elocidades excesi!as ya +ue a partir de una determinada !elocidad de giro las palas de la

turbina se desorientar#n con la intención de mantenerconstante la !elocidad de giro.

3a energía +ue proporcione el generador ha de sersuministrada a la red el"ctrica por lo +ue ser# necesario un

e+uipo electrónico capaz de trans%ormar la tensión y

%recuencia !ariables del generador a la tensión y %recuencia

comunes en la red. 5espu"s de ser recti%icada la tensión desalida del generador se utilizar# un in!ersor de igor pararealizar esta adaptación cosa +ue condicionar# las

características el"ctricas del generador.

Figura 2: Esquema de conexión entre el generador y la vivienda

Diseño de un generador síncrono con imanes

permanentes y rotor exterior de tracción directa

para miniturbinas eólicas

5a!id 7amírez adillo

Estudiante de grado en ingeniería el"ctrica $ni!ersitat olit8cnica de 9atalunya

&!enida :alentina 4ereshko!a ;; 0


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3. Proceso de diseño del generador

rimeramente se han %ijado las siguientes características

+ue !ienen condicionadas por la aplicación.

5i#metro exterior rotor> ;@0 mm

5i#metro exterior estator> 0< mm

otencia *til> 6 kW

7ango tensión en c.c. 600 rpm

Tabla 1: Características iniciales

3.1 Longitud del inducido

& partir de la tabla @ es posible calcular el par producido

B@C y con la utilización de las ecuaciones param"tricas de

las m#+uinas síncronas '@)';) BC se ha podido determinarla longitud del inducido B;C.

B@C

BC

B;C

3.2 nducción en entre!ierro

De ha realizado el c#lculo de la inducción en el entrehierro

mediante un an#lisis simpli%icado con una permeabilidadmagn"tica de la chapa magn"tica muy ele!ada y el e%ecto

de las ranuras se tendr# en cuenta multiplicando elentrehierro por el %actor de 9arter B(C. 9onocido este %actor

ya es posible calcular tanto el !alor de la inducción en el

entrehierro B1C como el %lujo magn"tico B6C.

B(C

B1C

B6C

3.3 "imulación del circuito magn#tico

9on la ayuda del programa de elementos %initos E// se

ha podido realizar la simulación de las líneas de campo

producidas por el e%ecto de los imanes sin el e%ecto del paso de corriente por los conductores en la ranura.

4ambi"n el programa E// ha podido proporcionarnoslos datos de como !aria la inducción a lo largo del

entrehierro.

Figura 3: Líneas del campo magn#tico

Figura 4: $ariación inducción a lo largo del entre!ierro

3.% Características del enrollamiento

En cuanto al enrollamiento se ha elegido un bobinado

concentrado de paso %raccionado de doble capa +ue aun+uetienen menor %actor de enrollamiento +ue los bobinados

distribuidos +ue se usan normalmente en las m#+uinas decorriente alterna tri%#sicos tienen una %orma de onda m#s

sinusoidal menor contenido en armónicos y bobinados m#scortos').

Figura 5: Esquema devanado &ase '

4ambi"n se ha elegido una combinación de (0 polos y (

ranuras en encaja con las características +ue se pretendenobtener del generador. or lo tanto el de!anado de doble

capa tiene un n*mero de ranuras por polo y %ase n F 0;1y un %actor de de!anado k W F 0A1;. 3a distribución del

de!anado es> & G &H& HG && G &H&H G && G &H&HG && G &H.

turb

turb

( )

ω =

(

(

+ r

+

r r

, ' - . L)

)$/ , ' - .$

L

δ

δ

π

π

⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = = ⋅ ⋅ ⋅

⋅⋅

(

r

) L

.)$/

π =

⋅ ⋅

;

(

c ,

a

δ

δ δ

τ

τ δ

=+ − ⋅

@

r

r c m

m r

- -

.

l .

δ µ δ =

⋅ ⋅+

⋅

r . L - p

δ δ

⋅Φ = ⋅


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Figura 6: istribución de las ases en las ranuras del motor

3. *4mero de espiras

En condiciones de !acío considerando tensión nominal a

una !elocidad nominal la tensión se iguala con la %uerzaelectromotriz por lo tanto aplicando la conocida %órmula

de las m#+uinas síncronas '@)') B?C es posible calcular eln*mero de espiras por %ase.

B?C

ara saber si este n*mero de espiras es posible se calcula el

n*mero de ranuras por %ase y el n*mero de espiras porranura. En caso de +ue la relación entre el n*mero de

espiras y el n*mero de ranuras no sea un n*mero entero B


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5ondeN− erdE0 F "rdidas en el hierro por unidad de masa a

una %recuencia dada B% 0C y a una inducción determinadaB,0C para chapa magn"tica 10210 erdE0 F 1 WGkgN

% 0 F 10 Oz y ,0 F @1 4.

− L F 9oe%iciente +ue tiene en cuenta las p"rdidas

adicionales en el hierro y el incremento de p"rdidas

+ue se produce en el punzonado y en la manipulaciónde la chapa magn"tica. :alores típicos> k F @1 P .

− % F %recuencia de operación

− ,d F Knducción m#xima en los dientes

− ,ce F Knducción m#xima en la corona del estator

− md F masa de los dientes

− mce F masa de la corona del estator

El !alor de la inducción m#xima en la corona del estator y

en los dientes no !aría signi%icati!amente por lo +ue se puede con%irmar +ue estas p"rdidas !arían principalmente

en %unción de la %recuencia.

En cuanto al c#lculo de las p"rdidas el"ctricas debidas ale%ecto Qoule en el de!anado. Estas p"rdidas dependen de la

intensidad de corriente +ue circula por cada una de sus%ases B@


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Figura 13: Evolución de la tensión de salida en condiciones devacío en unción de la velocidad de giro

Figura 14: Evolución de la potencia en unción de la intensidad

de corriente generada

Figura 15: Evolución del rendimiento a medida que se aumenta

la potencia generada

En la %igura @ puede apreciarse como la potencia +ue

proporciona el !iento aumenta al cubo de su !elocidad

tenemos +ue la potencia generada por el generador aumentalentamente entre los mGs y los 1 mGs para luego subir m#s

r#pidamente entre los 1 mGs y los @ mGs +ue es dondealcanza su potencia nominal. 9uando la !elocidad del

!iento es de entre los @ mGs y los @( mGs es cuando se produce el cambio de la incidencia de las palas para +ue a

partir de los @( mGs la !elocidad de giro de las mismas semantenga constante y de esta manera tambi"n se mantiene

constante la potencia +ue proporciona el generador.

4ambi"n se puede !er +ue para potencias in%eriores a los@000 W el rendimiento del generador es bastante bajo. Esto

es debido a +ue las p"rdidas magn"ticas y mec#nicas sonele!adas en comparación a la potencia generada. En

cambio a partir de los 000 W el rendimiento tiende aestabilizarse alrededor del A@I !alor bastante cercano al

estimado inicialmente. or lo tanto podemos decir +ue

para conseguir un rendimiento óptimo del generador loideal sería instalar el aerogenerador en una zona en la +ue la!elocidad del !iento sea la su%iciente como para

proporcionar como mínimo los kW.

&. 'studio económico

9on el objeti!o de construir un prototipo del generador

diseñado para realizarle di%erentes ensayos el costeeconómico +ue supone este proceso puede di!idirse en tres

grupos> coste empleado en la %ase del diseño coste de losmateriales y componentes utilizados y el coste de la mano

de obra para realizar el prototipo.

El coste +ue supone la %ase de diseño es de @1.000T. Este

!alor es el m#s ele!ado debido a las horas de trabajonecesarias por el diseñador o grupo de diseñadores para la

realización del proyecto.

$na !ez diseñado es necesaria la compra de los materiales

+ue se desean utilizar como la chapa el"ctrica los imanesde neodimio y el acero dulce y los componentes el"ctricos

para su conexionado como puede ser el cableado exteriorel recti%icador y el in!ersor. El coste de los materiales

necesarios para la construcción supone una cuantía de @60T.Oabría +ue añadirle tambi"n unos 1.@0T en la compra de

los componentes necesarios para conectarlo a la redel"ctrica donde el in!ersor es el componente de mayor

!alor unos ;.60T.

inalmente es necesario un proceso de construcción del prototipo en el cual se han de tratar los materiales para +ue

cumplan con las dimensiones y características propuestasen el diseño como puede ser el corte de las chapas

el"ctricas y el mecanizado de las piezas. Este proceso

supone un coste de .;


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El generador +ue se ha diseñado produce energía el"ctricaen un amplio rango de !elocidades de giro de su rotor

gracias al n*mero ele!ado de polos y a los mecanismos +ueregulan la incidencia de las palas de la turbina eólica de

esta manera hacen +ue la generación de energía sea posiblecon !ientos de mGs hasta !ientos de m#s de (0 mGs.

El hecho de utilizar un im#n permanente como lo es elneodimio hace +ue la potencia entregada sea bastanteele!ada para un generador de tamaño reducido. 9omo

tambi"n proporciona un buen rendimiento para potenciassuperiores a los kW. Esto hace +ue el apro!echamiento de

la energía eólica sea óptima para !ientos superiores a los <

mGs.

Re)erencias

'@) Dtephen Q. 9hapman. 9áquina el#ctricas. (U Edición./c =raV Oill. /"xico> unta Danta e 001.

') Kon ,oldea. $ariable speed generators. 979 4aylor andrancis. EE$$> -eV ork 006.

';) 7a%ael Danjurjo -a!arro. 9áquinas el#ctricas. /adrid>

=arcía2/aroto Editores. 0@@.

'() Qose /U de Quana et al. Energías renovables para el

desarrollo. aranin%o. España> /adrid 00;.

'1) /iguel :illarrubia 3ópez. ngeniería de la energíaeólica. /arcombo. España> ,arcelona 0@.

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