Trotta Adrián Nicolini Leonardo - Panel de Estado · Se clasifican según su velocidad de giro en rápidos y lentos; ... Motor Trifásico de Inducción: ... (eliminación de Fuente

Trotta Adrián Nicolini Leonardo

Dpto. de Eléctrica - Facultad de Ingeniería - UNMdP

Encuadre del proyecto

Este proyecto final de grado se encuentra contemplado dentro de una

de las etapas del proyecto de investigación aplicada bajo el nombre de

‘Energías Renovables en Redes Eléctricas Inteligentes’, que llevan

en conjunto el Laboratorio de Instrumentación y Control (LIC, OCA

Nº349/91), y el Laboratorio de Ensayos y Desarrollos Energéticos

(LEyDE, OCA Nº349/91), de nuestra facultad.

Este proyecto madre se encuentra dentro del programa de la

FONARSEC (FIT 2010-Energa Solar-Proyecto Nº0008-IRESUD) y

proyecto 15/G427 de la UNMdP.

Emulador de Generador Eólico 2015 2

Objetivos

Desarrollar un banco de emulación de un aerogenerador, para

microgeneración, que permita analizar diferentes modelos de

aerogeneradores frente a perfiles de viento y condiciones de carga

determinados.

Realizar una interface HMI (mímico) en el cual podamos fijar la

referencia de manera de tener el control del torque en el eje del

generador.

Ensayar el sistema instalado ante distintas disposiciones de

palas.


Esquema general del banco


L.E.I.D.E. L.I.C.

Nota: Opción ‘remote desktop’.

Componentes del Sistema

Computadora personal. (L.E.I.D.E. y otra en el L.I.C. Placa ethernet Danfoss)

Conversor USB/RS485. (half duplex)

Variador de frecuencia (VDF).

Motor trifásico de inducción (MTI).

Generador sincrónico de imanes permanentes (GSIP).

Encoder óptico incremental rotativo.

Software MCT-10. (Danfoss)

Software Labview 2011. (National Instrument)

Equipo «rectificador – inversor».

Osciloscopio digital multicanal. (MSO 4034, Tektronix)

T.V. de relación nominal 190 / 380 [V].


Estado del arte Aumento del consumo energético a nivel mundial

Agotamiento de recursos fósiles (petróleo, gas, carbón)

Deterioro del medio ambiente (CO2, gases contaminantes)

Aparición de los recursos renovables como fuentes de energía (solar, eólica, geotérmica, biomasa,

mareomotriz, etc.)

Plan 20-20-20 de la U.E. para el 2020.

Acuerdos internacionales de protección del medio ambiente

Convenio de Viena (1985): protección de la capa de O3.

Protocolo de Kyoto (1997): reducción de gases contaminantes (5,2 1,8%).

Generación Mundial: 369,6 [GW], 5% demanda mundial (GWEC, 2014)

Generación Nacional: 187 [MW] (CNEA, Marzo 2015)

Países vanguardistas: China, EE.UU, Alemania, España, India y UK.

Impacto de su inserción

Desarrollo de las economías regionales aisladas.

Menor coste de la unidad eléctrica generada.

Aprovechamiento de un recurso infinito, no contaminante y libre.


Estado del arte: Argentina Potencial eólico inigualable. (debajo de latitud 42º, Chubut)

Valores medios de ‘‘vω’’ de 6[m/s] en el 70% del territorio. Patagonia 12[m/s].

Factor de Capacidad (FC): 45% (Europa:25%)

Ley Nacional 26190/06: 8% de E.R. en 10 años!!!

Datos: CNEA, Marzo de 2015.


El Viento

• Definición

Resultado del flujo de aire entre zonas con presiones distintas que se

calientan debido a la incidencia de radiación solar, así la energía solar

es convertida en energía eólica.

La forma en que aparece el viento (velocidad, dirección, turbulencia)

depende de distintos factores globales y locales: rotación de la

tierra, posición de la luna, diferencia de temperaturas global y local,

orografía de terreno, rugosidad de la superficie, obstáculos, etc.

Vientos alisios circulación de Hadley

Vientos sinópticos

‘Rosa de los vientos’


Aerogeneradores

Definición

Encargados de transformar la energía cinética del viento en energía

mecánica en el eje, para luego poder transformar dicha movimiento

angular en energía eléctrica.

Elementos principales

Acción del viento

Clasificaciones

Eje vertical

Eje horizontal


Aerogeneradores: Elementos Principales

Turbina eólica: palas, rotor, multiplicador y góndola.

Generador eléctrico: M.A. doblemente alimentada o

GSIP.

Elementos de conversión de potencia.



Sustentación aerodinámica (perpendicular)

El viento circula por ambas caras de

la pala, con perfiles geométricos

distintos, se crea un área de

depresión en la cara superior

respecto a la inferior. En la cara

opuesta a la incidente existe también

turbulencia.

Resistencia o arrastre (paralelo)

Utilizan el empuje originado por la

deflexión del flujo de aire sobre las

palas. Se caracterizan por desarrollar

velocidades tangenciales menores

que la velocidad del viento y por un

relativamente alto valor de momento

sobre el eje.

Aerogeneradores: Acción del viento

Eje vertical

Savonius: (resistencia) el par motor es generado por la diferencia de

resistencia que las superficies verticales dispuestas simétricamente

respecto al eje ofrecen al viento. Son lentos, tienen poca eficiencia y

utilizable con vientos de poca intensidad y en un rango limitado (aplicaciones de baja potencia).

Darrieus: (sustentación), ya que las superficies expuestas al viento

presentan un perfil de ala capaz de generar una distribución de la

presión a lo largo de la pala y, por lo tanto, un par en el eje de

rotación. Son rápidos, utilizable con vientos de poca intensidad,

capaces de funcionar con vientos turbulentos.


Aerogeneradores: Clasificaciones

Eje horizontal

Se clasifican según su velocidad de giro en rápidos y lentos; aspecto que está íntimamente relacionado con el número de palas del rotor.

Las ventajas con respecto a los de eje vertical son:

Mayor rendimiento.

Mayor velocidad de giro y menor momento torsor en las palas.

Menor superficie de pala “S” a igualdad de área barrida “A”.

Se pueden instalar a mayor altura, donde la velocidad del viento es más intensa.

Sistemas de control de la Potencia

Pitch control (variación de β)

Stall control (torsión de la pala)

Active stall control (combinación de ambos)





Medición del viento: Anemómetro

Mediciones de campo

Datos tomados por el GEEAA en el año 2000.

Las mediciones se realizaron a una altura de 24[m] y fueron corregidas a

10[m] (ley exponencial de Hellmann). (Microgeneración)

Ventanas fijas de 5 minutos, registro de:

velocidad media;

velocidad máxima;

dirección.


WeatherWizard III Station (Davis Instruments)

0.25

10

100,25 0,8

24

h hv v vh X

hv v

x

Variador de Frecuencia (V.D.F.)

Motor Trifásico de Inducción (M.T.I.)

Generador sincrónico de Imanes Permanentes (G.S.I.P.)

Encoder óptico rotativo incremental


Elementos del banco emulador

Potencia nominal: 7,5[kW]

Tensión de alimentación: 380[V]

Corriente de trabajo (continuo): 16[A]

Corriente de trabajo (sobrecarga, durante 1min): 25,6[A]

Corriente de alimentación (régimen continuo): 14,4[A]

Corriente de alimentación (régimen intermitente): 23[A]


Variador de Frecuencia: Características

Danfoss FC302

Experiencias iniciales

Adaptación Automática del Motor (A.M.A.)

Modo ‘Hand on’ (LCP) Control de velocidad

Modo ‘Auto on’ (D.I. y A.I., o RS485)

Control VVC+ de velocidad, a lazo cerrado (V.I. de velocidad)

Control SVM+ de velocidad, a lazo cerrado

Control SVM de par, a lazo cerrado determinación de Pmáx (≈1500W)

Conexión remota

USB tipo B soft de programación MCT-10 (Danfoss)

Puerto serie RS485 (half duplex) conversor USB/RS485 (Delta)

Conexión vía ethernet (LabView)


Variador de Frecuencia: Control

Selección del método de control

Necesidad de realimentación de ‘vw’ encoder óptico (AUTONICS)

Estudio del comportamiento del sistema mediante control VVC+

respuesta lenta

Modulación por Vectores Espaciales (SVM), en modo control de par,

lazo cerrado de flujo mejor respuesta dinámica


Variador de Frecuencia: Control

Datos de chapa

Potencia nominal: 7,5 [kW]

Corriente nominal: 16,61 [A], 380[V] / 660[V]

Velocidad nominal: 721[rpm]

Torque nominal: 99,47 [Nm]

Nº de polos=8

Auto ventilado

Termistor de silicio tipo KTY (8KTY13-6 de 2[k] a 25°C, SOT-23)


Motor Trifásico de Inducción: Caracterización

Las constantes eléctricas del MTI se obtuvieron a partir de dos métodos:

1. Ensayo Indirecto (IRAM 2125)

Medición de R;

Rotor bloqueado; (NEMA NG-1)

Rotor en vacío. (IEC 60034-2)

2. Adaptación Automática del Motor (AMA)

Función propia del VDF determina los elementos del circuito

equivalente a partir de un algoritmo de cálculo inyectando corriente

continua de diferentes frecuencias. Realiza un promedio de los

puntos tomados para cada componente en cada rango de

frecuencia conmutado.


Motor Trifásico de Inducción: Parámetros eléctricos

PARÁMETROS ELÉCTRICOS

R1 X1 RFE XH R’2 X’2

[Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω] [Ω]

Ensayo Indirecto (E.I.)

2,44 2,925 377,9 54,072 2,26 2,925

Adaptación Automática (A.M.A.)

0,61 1,41 688,09 22,23 0,46 1,41

Evolución de los materiales magnéticos (NdFeB, SaCo5)

Reemplazo del GS convencional (eliminación de Fuente de CC y anillos rozantes)

Ventajas

Velocidades angulares menores (elevado Nº de ‘P’, mayor ϕ en igual A)

Acople directo (eliminación de ‘gearbox’ y reducción de ΔPmec)

Eliminación de la Fuente de CC (‘mejora del ‘η’)

Menor mantenimiento

Rango de ‘vw’ de trabajo amplio (‘Ugen’ proporcional a la ‘vw’, sistema de vel. variable)

Desventajas

Coste inicial

IP susceptibles a la ΔT

No existe control del ϕ

Determinación de expresión de cálculo


Generador Sincrónico de Imanes Permanentes

GSIP de Imanes Superficiales de flujo radial (RFPM)

[ ] 2,394 [ ] 1,7513L ejeU V rpm

Definición

Dispositivo electromecánico que permite convertir la posición angular de un eje a un código digital binario.

Justificación

El VDF estima el valor de la velocidad de rotación del MTI mediante la tensión y la cupla de salida, pero este valor se aparte de la realidad a bajas vueltas y gran cupla de arrastre (GSIP a plena carga), por eso la necesidad de su implementación.

Características

Tensión de alimentación: 24 [Vdc]

p.p.r.: 2000

Fases de salida: 3 (A, B, Z),

Salida: TOTEM POLE


Encoder óptico rotativo incremental

Energía del viento: Coeficiente de Potencia (Cp)

Definición

Expresa el rendimiento transformatriz de la energía cinética contenida en el

viento en energía mecánica.

Varía en función de la velocidad específica (λ o TSR) y difiere para cada tipo

de aerogenerador. (gráfico)

Límite de Betz (demostró en 1927)

Cpmáx= 0,59 (valor real: 0,45)


312

extraidap

aire barrida w

PC

A v

Definición Expresa la relación entre la velocidad de punta de pala (R*ωr) y la

velocidad incidente del viento sobre la misma (vw). (adimensional)

Sirve para comparar el funcionamiento de máquinas eólicas

diferentes.

Se utiliza para establecer el punto de operación del aerogenerador.

La forma de la curva Cp=f(λ) dependerá del tipo de aerogenerador. (curvas)


r

w

R

v

Energía del viento: Velocidad específica (λ o TSR)

Curvas


Energía del viento: Coeficiente de Potencia (Cp)

Metodología de determinación

Relevamiento de la curva mediante 80 puntos notables. Trazado de

curvas de dispersión hasta obtener la que mejor se ajusta a la figura

original, de la cual se obtuvo la expresión Cp=f(λ).

Expresiones ideales


3 2

3 2

3 2

3

( ) 0,00002 0,0023 0,0819 0,2309 (9,1 18)

( ) 0,0005 0,0227 0,2984 0,7782 (6,9 14,5)

( ) 0,0023 0,069 0,6321 1,3542 (5,3 11,2)

( ) 0,0052 0,1

P

P

P

P

Monopala C

Bipala C

Tripala C

Darrieus C

2181 0,7984 1,2952 (3,4 7,4)

Energía del viento: Determinación de expresión para Cp

Torque Generado


3

(1)

1(2)

2Ap P w P w

P T

P C P C Av

Donde:

T: Torque generado [N/m] ; ω: Velocidad de rotación (rotor) [rad/s]

A: Área barrida por las palas [m^2] ; Vw: Velocidad del viento [m/s]

Cp(λ): Coeficiente de potencia ; R: Radio de la pala [m]

ρ: Densidad del aire 1,19[Kg/m^3]

Potencia

aprovechable

Potencia

generada

(3)w

R

v

Velocidad especifica


21.

2w P

RT Av C

De (1), (2) y (3) Torque en función de la velocidad de viento.

2

0,67

Monopala Bipala Tripala A R

Darrieus A D H

Torque Generado

Área barrida

Torque Generado: Expresiones finales


2 3

2 2

( )

2

0,67 ( )

Pr

Pr

V R CMonopala Bipala Tripala T

V R H CDarrieus T

Programación del Emulador

En esta sección haremos hincapié en:

El medio de comunicación empleado para vincular la unidad de

control (PC) y la unidad remota (VDF) Modbus

La herramienta para parametrización del VDF MCT10 (Danfoss)

La interfaz HMI realizada bajo el entorno de programación gráfico

LabView (LV).


Definición

Características Relación maestro/esclavo entre la unidad de control (PC o HMI) y

el sistema de proceso automatizado (VDF).

Implementa el modo de comunicación ‘solicitud/respuesta’.

Flujo de datos bidireccional pero no simultáneo.

Comunicación semiduplex 2 hilos: receptor[Rx] y transmisor[Tx]

Sistema de comunicación en Hexadecimal.

Estructura del mensaje Unidad de Datos del Protocolo (PDU)

«Fenómeno de encapsulación de capas de datos»


Programación del Emulador: MODBUS

Unidad de Datos del Protocolo (PDU)

1. Campo de Dirección (1 byte)

Direcciones posibles de 1 a 247 (0, modo ‘broadcast’)

2. Campo de Función (1 byte)

Indica el tipo de acción a realizar (1 a FF)

Fx correcta ejecución de función definida

Fx incorrecta código de excepción



Unidad de Datos del Protocolo (PDU)

3. Campo de Datos Coil & Holding Register

Coil (bobina): representa un valor booleano por ende existe 2 estados

posibles (On/Off).

Registro de Retención: representa cantidades de 16 bits (216 = 65535

elementos). Pueden ser de lectura/escritura.

Estos fueron utilizados a la hora de realizar la comunicación

maestro/esclavo.



Campo de Datos Holding Register Estructura organizada mediante Bloques de Proceso PCD (Process Control Data), formado por un mensaje de cuatro bytes (2 códigos, uno de Función y otro de Dato) pudiendo ser:

Escritura (28xx): maestro esclavo

Lectura (29xx): esclavo maestro

La ventaja de usar la escritura PCD es que el controlador puede escribir o leer más datos en un mismo telegrama.



Campo de Datos: ESCRITURA

Registro 2810 [CTW] Marcha (47C)



ACCIÓN BINARIO CTW [Hex]

Marcha 0000 0110 0111 1100 47C

Parada 0000 0100 0010 0100 424

Reset 0000 0100 1011 1100 4BC

Campo de Datos: ESCRITURA

Registro 2811 [REF]

El valor de referencia de la magnitud a controlar (Torque [Nm]), se transmite al

VDF como un valor relativo. El valor máximo posible corresponde a 16384

(4000 Hx).

Se debe cumplir la siguiente ecuación:

Nota: Límite máximo de torque del MTI = 99,4[Nm]


16384 Ref [Nm]=

99,4[Nm]REF


Campo de Datos: LECTURA Registro 29xx



LISTADO DE PARAMETROS UTILIZADOS

Parámetro Nombre Registro en

MCT-10

Registro en

Labview Tipo de dato FC

1603 Status Word 843.0 2909 V2 0

1605 Main Actual Value [%] 843.1 2910 N2 -2

1610 Potencia [kW] 843.2 2911 Int32 1

1612 Motor Voltaje 843.3 2912 Uint16 -2

1613 Frecuencia 843.4 2913 Uint16 -1

1614 Motor Corriente 843.5 2914 Int32 -1

1616 Torque [Nm] 843.6 2915 Int32 -1

1617 Velocidad [RPM] 843.7 2916 Int32 67

1619 Temperatura del sensor KTY 843.8 2917 Int16 100

1657 Realimentación [Unit] 843.9 2918 Int32 67

1690 Código de alarma 843.10 2919 Uint32 0

1690 Código de alarma 843.11 2920 Uint32 0

1692 Código de advertencia 843.12 2921 Uint32 0

1692 Código de advertencia 843.13 2922 Uint32 0

1686 Puerto FC Referencia 843.14 2923 N2 0

Permite setear cada uno de los parámetros desde una computadora,

mediante puerto USB y poder parametrizar a la unidad a distancia.

Solo sirve para escritura/lectura de parámetros.


Programación del Emulador: MCT-10

PCD de escritura

PCD de lectura

Software de programación gráfico, en el cual se distinguen

claramente 2 zonas de trabajo:

1. Panel Frontal (HMI): espacio donde se puede visualizar los elementos

de control e indicación del proceso industrial que se verifique.

2. Diagrama en Bloques (D.B.): área de trabajo donde se emplea el

lenguaje de programación ‘G’ mediante la utilización de bloques y

librerías predefinidas por el software (subvi`s).


Programación del Emulador: LABVIEW

Librería Modbus

Conjunto de instrumentos virtuales (vi´s) que proporcionan

comunicación Modbus de cualquier estándar y ofrece funcionalidad

tanto de maestro como esclavo.

Bloques

MB Serial Init: configura puerto serie (velocidad, paridad, modo).

MB Serial Master Query: define campo de función.



Lógica del programa (D.B.)

Puerto serie. (puerto, velocidad, paridad, dirección)

Importación de datos. (librería Excel, M.A.)

Comprobación de máximo torque. (mediante ec. del aero y valores de TSR y R)

M.A.: Determinación del torque en función de la máxima velocidad.

M.M.: Determinación del rango de velocidad en función del máximo torque.

Arranque en vacío. (230[rpm], 780[v], t[s] seteable para precarga del bus de CC)

Sección de trabajo

Palabras de control [2809] y referencia [2810].

Indicadores y gráficos [29xx].

Alarmas y advertencias [29xx].

Exportación de datos a planilla ‘.xls’.

Manual de usuario. (‘pdf’ deslizable)





Lógica del programa (D.B.)

Indicadores: Referencia [Nm]

Torque [Nm]

Potencia [W]

Tensión [V]

Frecuencia [Hz]

Corriente [A]

Velocidad [rpm]

Realimentación [rpm]

Temperatura [°C]

Gráficos: Torque vs. Tiempo

Torque vs. Viento

Rotación vs. Tiempo

Rotación vs. Viento




Valor decimal Alarmas Advertencias

32 Sobrecorriente -

64 Límite de par Límite de par

128 Sobretemperatura del motor -

4096 Cortocircuito -

2097152 - Límite de velocidad

33554432 - Límite de corriente

134217728 - Límite de voltaje

536870912 Error de seguimiento Error de seguimiento

1073741824 Parada de seguridad -


Alarmas y Advertencias



Exportación de datos



Lógica del V.I. creado




Resultados experimentales

Análisis del SCEE mediante:

Forma de onda de la terna trifásica de corrientes generadas.

Tensión en el bus de CC del rectificador para distintos valores de

corrientes inyectadas.

Valores eficaces de las corrientes inyectadas a la red eléctrica.

Potencia inyectada.



Elementos necesarios

Elementos previamente definidos del SCEE (HMI, VDF, MTI, GSIP, etc.).

Rectificador e Inversor controlado mediante método RPCC

(Controlador de Corriente Predictivo). Utiliza una realimentación de los

estados observados donde se estiman los valores futuros de la

corrientes del inversor y una interpolación lineal para obtener el valor

futuro de la tensión, caracterizado por su robustez ante perturbaciones

bruscas en la línea.

T.V. de relación nominal 190/380[V]. (aislación y corriente)

Osciloscopio digital multicanal. (MSO 4034, Tektronix)

Sondas de tensión y corriente.



Ensayo

Comunicación vía Ethernet para comando remoto de la HMI. (‘escritorio remoto’)

http://10.2.23.29:8000/Eolico.html

Control del SCEE en modo manual para determinación de los distintos

niveles de PGen.

Aerogenerador ensayado:

Modelo: Tripala

Radio : 4,5[m]

TSR : 6,38

Cp : 0,467


















Ensayo

Valor de corriente inyectado: 3[A] Pgen = 1710[W]



Ensayo

Transición de: 3[A] a 5 [A]

Bus de CC (750[V])



Ensayo

Valor de corriente inyectado: 7[A] Pgen = 3990[W]


Instalador

Para que el programa emulador pueda ser utilizado en cualquier

computadora se creo un INSTALADOR, el cual permite que se ejecute sin

necesidad de instalar previamente LabView. Este contiene los elementos

necesarios como librera modbus y excel, archivos \Perfiles de

velocidad.xls", \Datos exportados.xls" y \Manual de usuario.pdf".

Conclusiones El banco emulador desarrollado sirve como base para

desarrollos futuros de proyectos de microgeneración.

Poder realizar simulaciones que permitan predecir el desempeño de un modelo de aerogenerador bajo diferentes condiciones de operación.

Haber creado una interface intuitiva y de fácil lectura que pueda ser controlada remotamente y que cuenta con la posibilidad de adaptarse a otros proyectos de energías renovables.

Aporte de nuevos conocimientos:

En el ámbito de la E.O.;

Programación en LabView;

Manejo y control de VDFs;

Comunicación Modbus.


Futuras Tesis

Implementación de la placa de Ethernet para controlar

el banco desde cualquier sitio.

Adaptación de un anemómetro que posibilite adquirir

datos del viento en tiempo real y controlar el sistema a

través de él.

Construcción de caja reductora entre MTI y GSIP para

poder obtener la máxima potencia.

Diseño de diferentes perfiles de pala que se adapten a

los modelos de aerogeneradores y lograr que la

simulación se aproxime a la realidad.


Agradecimientos

- Familiares y amigos.

- Dr. Ing. Sergio González.

- Mg. Ing. Julio Branda.

- Ing. Guillermo Murcia.

- Ing. Eduardo Garín.

58 Emulador de Generador Eólico 2015

59

¿Preguntas?

Emulador de Generador Eólico 2015

60

¡¡¡MUCHAS GRACIAS!!!

Emulador de Generador Eólico 2015

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