SSIIMMUULLAACCIIÓÓNN YY CCOONNTTRROOLL DDEE UUNN AAEERROOGGEENNEERRAADDOORR SSIINNCCRRÓÓNNIICCOO DDEE

IIMMAANNEESS PPEERRMMAANNEENNTTEESS ((PPMMSSGG))

Trabajo Opcional para la Asignatura: “Análisis y Control de Generadores de Velocidad Variable”

Alumno: Gabriel Jaime Correa Henao

Profesor: Juan Luis Villa

UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA

CIRCE: CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE RECURSOS Y CONSUMOS ENERGÉTICOS

MÁSTER EN ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA

ENERGÉTICA

1

CCOONNTTEENNIIDDOO 2 RESUMEN ............................................................................................................ 3

3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 3

4 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS GENERADORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES (PMSG) ........................................................................................... 5

5 CONFIGURACIÓN DEL GENERADOR PGMS PARA SIMULACIÓN ............. 8

5.1 Parámetros del aerogenerador ......................................................................... 9

5.2 Simulación de la Distribución del Campo Magnético en el Generador .......... 10

5.3 Conformación del modelo de simulación eléctrico ........................................ 14

5.4 Turbina del aerogenerador ............................................................................ 15

5.5 Máquina Síncrona de Imanes Permanentes (PMSG) ...................................... 16

5.6 Elementos de Electrónica de Potencia ........................................................... 17

5.7 Puente trifásico de Rectificación ................................................................... 17

5.8 Sistema Boost DC-DC .................................................................................. 18

5.9 Sistema Inversor DC-AC .............................................................................. 19

5.10 Conexión a la red trifásica ......................................................................... 22

6 CONCLUSIONES ............................................................................................... 24

7 ................................................................................................................................. 25

8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 25

LLIISSTTAADDOO DDEE IILLUUSSTTRRAACCIIOONNEESS Ilustración 1. Diagrama esquemático aerogeneradores de alta y baja velocidad ............. 5

Ilustración 2. Turbinas eólicas de eje vertical para PMSG ............................................. 6

Ilustración 3. Formas constructivas del rotor del PGMS ................................................ 8

Ilustración 4. Sistema propuesto para modelación ......................................................... 8

Ilustración 5. Relación entre λ y CP según el tipo de turbina eólica (Fuente: [1]) ........... 9

Ilustración 6. Onda de corriente a generar en el PGSM................................................ 10

Ilustración 7. Configuración de PGSM de flujo radial con polos exteriores ................. 11

Ilustración 8. Configuración del PGSM para simulación en el software FEMM 4.2. .... 12

Ilustración 9. Distribución del campo magnético en el PGSM ..................................... 12

Ilustración 10. Onda de Inducción en el entrehierro del PGSM.................................... 13

Ilustración 11. Propiedades en el circuito de cada fase del PGSM ............................... 14

Ilustración 12. Modelo de Simulación en PSIM .......................................................... 15

Ilustración 13. Representación de Turbina Eólica ........................................................ 16

Ilustración 14. Curva Cp-λ y Curva de Potencia del Aerogenerador ............................ 16

Ilustración 15. Representación del Módulo PMSG ...................................................... 17

Ilustración 16. Configuración de los parámetros del PMSG ......................................... 17

Ilustración 17. Módulos de rectificación e inversor PWM ........................................... 17

Ilustración 18. Relación de la conversión de voltaje en el rectificador ......................... 18

Ilustración 19. Esquema del Boost DC-DC ................................................................. 18

Ilustración 20. Relación de elevación de voltaje en el Boost DC-DC ........................... 19

Ilustración 21. Configuración del circuito de potencia del inversor con IGBT’s .......... 19

Ilustración 22. Generación de señales Id, Iq para control de la modulación PWM ....... 20

2

Ilustración 23. Modulación PWM, incluyendo modulación trifásica con conversión a ejes ABC de las referencias ......................................................................................... 21

Ilustración 24. Señales de modulación PWM .............................................................. 21

Ilustración 25. Cálculo de la potencia activa y reactiva intercambiadas con la red, desde la Transformación DQ ................................................................................................ 22

Ilustración 26. Inyección de potencia activa y reactiva a la red trifásica desde el PMSG ................................................................................................................................... 22

Ilustración 27. Perturbación donde se consume Pactiva y se inyecta Qreactiva ................... 23

Ilustración 28. Torque y velocidad en el sistema mecánico del aerogenerador ............. 23

3

SSIIMMUULLAACCIIÓÓNN YY CCOONNTTRROOLL DDEE UUNN AAEERROOGGEENNEERRAADDOORR SSIINNCCRRÓÓNNIICCOO DDEE

IIMMAANNEESS PPEERRMMAANNEENNTTEESS ((PPMMSSGG))

2 RESUMEN

Este trabajo profundiza en el análisis y simulación de un pequeño aerogenerador doméstico, de tipo síncrono de imanes permanentes (PMSG) de 4KW, de baja velocidad, y de voltaje para conexión a aplicaciones en el hogar (VL = 381V). La simulación se realiza para un sistema que consta de una turbina de viento, un generador de imanes permanentes, un rectificador trifásico de diodos, un convertidor tipo Boost DC y un convertidor inversor, con sus respectivos controles. Se prefiere utilizar un aerogenerador PMSG de baja velocidad, y de esta manera, se puede prescindir de la caja mecánica de cambios, y logrando de esta manera una mejor eficiencia en la conversión energética.

Para la simulación se presenta el diseño de un generador de flujo radial de imanes permanentes para aplicaciones eólicas. El diseño está orientado a que Ia máquina genere a partir de bajas velocidades de viento, y permite prescindir de la caja mecánica de cambio de velocidad, lo que mejora el rendimiento del sistema eólico. La plataforma de simulación se efectúa a través de los software FEMM, para las características electromagnéticas de la máquina y el PSIM para la conexión a la red trifásica de la máquina.

Este tipo de aerogeneradores se están convirtiendo en una alternativa muy importante en los sistemas de generación distribuida, toda vez que en las diversas configuraciones, el generador síncrono se puede ubicar a baja altura del suelo, facilitando su instalación y mantenimiento.

Palabras claves: Generador de imanes permanentes, punto de máxima potencia.

3 INTRODUCCIÓN

El desarrollo de las nuevas tecnologías de generación eléctrica, con generadores de velocidad variable, tradicionalmente se ha fundamentado en máquinas asíncronas de rotor bobinado y de Jaula de ardilla. Este tipo de aerogeneradores comparten cerca del 99% del mercado de generadores de velocidad variable [12]. Sin embargo, el desarrollo de los nuevos aerogeneradores síncronos de imanes permanentes, se proyectan como una alternativa efectiva y de fácil implementación en los nuevos parques eólicos.

Las máquinas de imán permanente ganan mayor popularidad, por su extensivo uso en servomotores, accionamientos eléctricos para posicionamiento, robótica, máquinas herramienta, ascensores, etc. Se han llegado a construir máquinas de una potencia por encima de 1 MW por ejemplo para el accionamiento de submarinos. En este trabajo, se pretende simular el impacto de una máquina cuya aplicación se realiza generación y bombeo a partir de energía eólica.

Las máquinas síncronas tradicionales, están formadas por dos bobinados; el devanado inductor, alimentado en CC y el devanado de inducido en CA, donde el funcionamiento de la máquina como motor y generador se produce por la interacción del campo magnético creado por ambos bobinados. [12].

Sin embargo, en el caso de las máquinas de imanes permanentes, se trata de utilizar materiales de alto campo magnético (Generalmente, que emiten un campo mayo a 1 Tesla). Estas máquinas también se conocen como brushless (Sin escobillas, ni anillos

4

rozantes). Existen dos tipos de máquinas, que se clasifican según donde estén montados los imanes [1]:

• PMSM con imanes montados en la superficie del rotor (Surface-mounted magnets): En el caso que los imanes van montados (pegados o zunchados) en la superficie del rotor, estos por el espacio que ocupan obligan a tener un entrehierro relativamente grande, además los imanes cerámicos tienen efectos de saliencia despreciables. En estos casos no existe devanado amortiguador. El gran entrehierro hace que el flujo de la reacción de armadura (RA) tenga efectos atenuados sobre el rotor, es decir la inductancia sincrónica Ld es pequeña pues tiene una componente de reacción de armadura Ld pequeña y por consiguiente los efectos de la RA son muy atenuados. Por otra parte se deduce que el gran entrehierro resulta en una constante de tiempo eléctrica del estator T = L/R pequeña.

• PMSM con imanes insertos en el rotor (Buried Magnets): Si los imanes están insertos en el rotor, quedan físicamente contenidos y protegidos, pero el espacio de hierro del rotor eliminado para insertar los imanes hace que no puede considerarse que en este caso se tenga un entrehierro uniforme, se tiene un efecto de saliencia, y aparece una componente de reluctancia del par.

Una de las ventajas de las máquinas con imanes permanentes, radica en que se reduce su volumen y peso en comparación a una máquina tradicional equivalente (con devanado de excitación en el rotor). Las máquinas con imanes permanentes logran mayores rendimientos con menor tamaño. De esta manera, se posibilita la aplicación de generadores con flujo axial e imanes permanentes para la producción de energía eléctrica mediante turbinas eólicas [13].

Es importante recordar que el viento como fuerza motriz es intermitente lo que implica una generación de tensiones a frecuencia variable lo que obliga a utilizar un rectificador a Ia salida del generador, para lograr una tensión continua [13].

La tecnología de PSGM está ganando popularidad en la medida que es la más adecuada para instalaciones pequeñas y aisladas, así como en aplicaciones de micorredes y generación distribuida, dada su versatilidad y mínimos requerimientos de mantenimiento. Este tipo de aerogeneradores son ideales para acoplarlos a las turbinas eólicas de eje vertical. Los precios de este tipo de aerogeneradores son cada día más asequibles, de los cuales podemos encontrar de 1 kW por unos 250 Euros, de 2.2kW por unos 500 Euros, y desde 1,9 kW por unos 650 Euros, incluso de 3,2 kW por unos 2200 Euros, aunque estos últimos están diseñados para trabajar a mayores revoluciones. [11]

Para la realización de los modelos de simulación, se elige la plataforma PSIM, por tratarse de una herramienta numéricamente estable, ampliamente documentada en la bibliografía y con módulos prediseñados para este tipo de aplicaciones.

En virtud de la realización de este trabajo, se exploraron adicionalmente plataformas como MATLAB/Simulink, y su toolbox SimPower, que para este tipo de aplicaciones demostró inconvenientes de estabilidad en la solución del modelo numérico.

5

4 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS GENERADORES SÍNCRONOS DE IMANES PERMANENTES (PMSG)

Los generadores síncronos tradicionales, se diseñan para girar a una velocidad de 1000 a 1700 rpm, con lo que se consigue un funcionamiento normal y con una eficiencia razonable.

En el entorno eólico es necesario generar electricidad mediante el uso de turbinas de bajas velocidades. Por esta razón es necesario utilizar una caja de cambios entre la turbina y un generador, cuya tecnología puede corresponder a una máquina de inducción o a una síncrona. La turbina de los aerogeneradores ante la caja de cambios es de 30-70 rpm. [1]

Con una reducida velocidad, en un generador PMSG el rotor gira a la misma velocidad que el rotor de la turbina. El PMSG se puede conectar directamente a la turbina de viento, lo que resulta en un sistema mecánico simple y de mínimo mantenimiento.

Los aerogeneradores tradicionales, que incluyen el mecanismo de acoplamiento mecánico y el respectivo generador de inducción, además de ser más pesados, generan más ruido, requieren mayor mantenimiento y adicionalmente presentan más pérdidas.

Ilustración 1. Diagrama esquemático aerogeneradores de alta y baja velocidad

De la Ilustración 1 se puede inferir la menor cantidad de partes y de materiales que se emplean en los aerogeneradores que usan PGSM.

Vale la pena hacer referencia que los aerogeneradores anteriormente indicados, tienen asociados en el grupo eléctrico, generadores de imanes permanentes de alta eficiencia, que no emplean escobillas, los cuales tienen la característica que no emplean escobillas en la conmutación para la transferencia de energía; en este caso, la conmutación se realiza electrónicamente. Esta propiedad elimina el gran problema

6

que poseen los generadores eléctricos convencionales con escobillas, los cuales producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor, son ruidosos y requieren una sustitución periódica y, por tanto, un mayor mantenimiento.

Como se indicó anteriormente, en la parte introductoria, este tipo de generadores, han disminuido notablemente su precio en el mercado, gracias al uso de materiales, que permite ahorrar costo en la construcción de los imanes permanentes, cuya tecnología constituye todo un campo de investigación. El material más común para la construcción de este tipo de imanes es el Neodimio-Boro-Hierro (NdFeB 32). [4]

Los generadores de alta eficiencia de imanes permanentes sin escobillas tienen muchas ventajas frente a los generadores DC con escobillas y frente a los generadores asincrónicos. Algunas de estas ventajas son: [4]

• Mejor relación velocidad-par motor

• Mayor respuesta dinámica

• Mayor eficiencia

• Mayor vida útil

• Menor ruido

• Mayor rango de velocidad.

Para este tipo de generadores, es indispensable contar con controladores electrónicos complejos, para mantener el generador en funcionamiento. El mismo puede usarse para variar el voltaje generado, que posteriormente será llevado al inversor DC-AC, con la finalidad que se pueda utilizar la energía eléctrica en las cargas a las que alimenta los aerogeneradores.

Finalmente, una aplicación de los PMSG en la generación distribuida y las microrredes es la posibilidad de acoplarlos directamente a las turbinas eólicas de eje vertical, como las que se presentan en la Ilustración 2 [11]

Ilustración 2. Turbinas eólicas de eje vertical para PMSG

Este tipo de aerogeneradores aprovecha incluso las más bajas velocidades del viento. Son productivas incluso a partir de 2.3 m/s, y en cuanto más grande sea la turbina, se requiere menor velocidad de viento para comenzar a generar energía. La dirección del viento no es un factor importante para estos conjuntos aerogeneradores de eje vertical.

Estas turbinas pueden ser instaladas en cualquier lugar, incluso en medio de zonas urbanas densamente pobladas: en parques, reservas naturales, en los puntos de descanso en carretera o en cualquier tipo de edificios.

Este tipo de turbinas de eje vertical, al estar conectados a generadores de imanes

7

permanentes, son ideales para sistemas de redes distribuidas, para la carga de baterías y para el suministro de energía para cargas intermitentes (Casas rurales, etc).

5 CONFIGURACIÓN DEL GENERADOR PGMS PARA SIMULACIÓN

La Ilustración 3 presenta las diferentes formas constructivas del rotor de un generador de imanes permanentesde la máquina que se pretende simular más adelConfiguración de flujo radial superficial con polos exteriores

Ilustración 3. Formas constructivas del

Básicamente se distingue la disposición de superficiales, y configuración de flujo concentrado. En todos los casos se busca maximizar la intensidad del campo magnético de manera que se induzca la fuerza electromotriz sobre las espiras del estator.

Se utilizan materiales de baja permeabilidad magnética en el eje del rotor del motor y de alta permeabilidad para el relleno en el rotor.

De esta manera, se garantiza baja reluctancia en el área del rotor donde circulación del flujo magnético (carcasa del estator y relleno del rotor), y alta reluctancia en las zonas que implican mayores pérdidas de flujo magnético (eje del rotor).

Recordar que la reluctancia se define como:

• R � reluctancia, medida en amperio vuelta por Weber (A v/Weber). Esta unidad es equivalente al inverso del Henrio (Hespiras.

• l � longitud del circuito, medida en metros.

• µ � permeabilidad magnética del material, medida en H/m

• A � Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros cuadrados.

Se pretende modelar un sistema generadorhace parte de un sistema eólico, impulsado por turbina de eje horizontal, como el que se especifica en la Ilustración

Ilustración

CONFIGURACIÓN DEL GENERADOR PGMS PARA SIMULACIÓN

presenta las diferentes formas constructivas del rotor de un generador de imanes permanentes. En dicha ilustración se señala la configuración de de la máquina que se pretende simular más adelante, y que se denomina Configuración de flujo radial superficial con polos exteriores. [12]

. Formas constructivas del rotor del PGMS

la disposición de rotores con imanes en puente, imanes superficiales, y configuración de flujo concentrado. En todos los casos se busca maximizar la intensidad del campo magnético de manera que se induzca la fuerza electromotriz sobre las espiras del estator.

Se utilizan materiales de baja permeabilidad magnética en el eje del rotor del motor y de alta permeabilidad para el relleno en el rotor.

De esta manera, se garantiza baja reluctancia en el área del rotor donde se requiere circulación del flujo magnético (carcasa del estator y relleno del rotor), y alta reluctancia en las zonas que implican mayores pérdidas de flujo magnético (eje del

Recordar que la reluctancia se define como: R � ���, donde:

reluctancia, medida en amperio vuelta por Weber (A v/Weber). Esta unidad es equivalente al inverso del Henrio (H-1) multiplicado por el número de

longitud del circuito, medida en metros.

permeabilidad magnética del material, medida en H/m (henrio/metro).

Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros

pretende modelar un sistema generador-convertidor que se conecta a la red, que hace parte de un sistema eólico, impulsado por turbina de eje horizontal, como el que

Ilustración 4.

Ilustración 4. Sistema propuesto para modelación

8

CONFIGURACIÓN DEL GENERADOR PGMS PARA SIMULACIÓN

presenta las diferentes formas constructivas del rotor de un . En dicha ilustración se señala la configuración de

ante, y que se denomina

imanes en puente, imanes superficiales, y configuración de flujo concentrado. En todos los casos se busca maximizar la intensidad del campo magnético de manera que se induzca la fuerza

Se utilizan materiales de baja permeabilidad magnética en el eje del rotor del motor y

se requiere circulación del flujo magnético (carcasa del estator y relleno del rotor), y alta reluctancia en las zonas que implican mayores pérdidas de flujo magnético (eje del

reluctancia, medida en amperio vuelta por Weber (A v/Weber). Esta 1) multiplicado por el número de

(henrio/metro).

Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros

convertidor que se conecta a la red, que hace parte de un sistema eólico, impulsado por turbina de eje horizontal, como el que

9

La velocidad angular del eje, ωm, debe ajustarse de manera que la velocidad de giro siempre corresponda a un valor óptimo de Cp. Esto significa que ωm y la velocidad del viento de alguna manera se deben combinar en una única variable para que la curva que muestra la relación entre Cp y ωm pueda ser especificada. La expresión que describe esta relación corresponde a la única razón entre velocidad punta de la turbina de Rωm y la velocidad del viento Vv. Esta relación de velocidad punta, λ se define como λ � �·�� [1]. (ωm es la velocidad angular del eje en rad/s).

La relación entre CP, CT y λ para distintos tipos de aerogeneradores se muestra en la Ilustración 1. Hay que tener en cuenta que la relación entre el coeficiente de potencia, CP y el coeficiente de torque, CT , corresponde a la función λ, dada por λ = CP/CT . [1].

Si se usa una turbina de eje horizontal de múltiples palas (Como son las más comunes en los parques de generación eólica), o una turbina de eje horizontal, como las de la Ilustración 2, entonces de la Ilustración 5 se evidencia que existe un punto donde el coeficiente de potencia es máximo. Así, en la simulación para diferentes valores de velocidad del viento, VV, la velocidad de rotación, ωm, debe mantenerse próxima a λ = 1,0 (Correspondiente a la curva B).

Ilustración 5. Relación entre λλλλ y CP según el tipo de turbina eólica (Fuente: [1])

5.1 Parámetros del aerogenerador

Se tienen los siguientes datos, para una turbina de mediano tamaño, tipo D

- R = 1.4m

- ρaire = 1,25

- Vn = 12.1 m/s

- Fg = 7 Hz

Se tiene la siguiente expresión para calcular la potencia eléctrica mínima del aerogenerador: [12]

10

Donde Cp máx en una turbina tipo B es 0.35, que corresponde a un λmáx = 1.

Luego, la potencia eléctrica es:

Pe = ½⋅(0.35)⋅(1.25)⋅(π)⋅(1.4)2⋅(12.1)3 = 2386,2 W

� ω = 8.64 rad/seg.

� n = 82.53 r.p.m

Ahora se obtiene el número de polos del generador: p = 60⋅f / n = 5.09. Es decir, se necesitan 5 pares de polos (10 polos).

De esta manera, el par mecánico que se obtiene es:

M = P/ ω, con ω = 2πn / 60. El par que se calcula es 276,18 N⋅⋅⋅⋅m.

5.2 Simulación de la Distribución del Campo Magnético en el Generador

Se propone el uso del software femm 4.2. [3], utilizando algunas configuraciones del generador síncrono de imanes permanentes, con los siguientes datos:

• Generador con estator de devanado trifásico (Fases U, V, W).

• Entrehierro = 2mm

• Diámetro de rotor = 174 mm

• Profundidad = 250 mm

• Número de polos = 10

• Volumen de cada imán = 67.500mm3

La corriente 3ϕ en el generador se puede apreciar a continuación (Recordar que la frecuencia es 7 Hz).

Ilustración 6. Onda de corriente a generar en el PGSM

Para efectos de la simulación en cada instante de tiempo, se tomarán los siguientes

11

valores de las corrientes que circulan por las fases, en secuencia ACB:

Ángulo (Grad) Tiempo (ms) IU (Amp) IV (Amp) IW (Amp)

0 0 22,5 -11,25+J⋅19.4856 -11,25 − J⋅19.4856

120 47,6 -11,25 +J⋅19.4856 -11,25 − J⋅19.4856 22,5

240 94,8 -11,25− J⋅19.4856 22,5 -11,25+J⋅19.4856

El caso desarrollado tiene la siguiente configuración, según se muestra a continuación:

Ilustración 7. Configuración de PGSM de flujo radial con polos exteriores

Al desarrollarla en el software femm 4.2, se tuvieron las siguientes consideraciones:

• Dimensiones de los imanes, de forma cóncava

- L1 = 72,95mm

- L2 = 67,85mm

- L3 = 6mm

- L4 = 6mm

- Profundidad = 250mm

- Área efectiva del imán = 278,3mm2

• Material de los imanes: NdFeB 32, magnetizado radialmente.

• Material del eje del rotor: Acero Inoxidable 316 de baja permeabilidad (µ = 1)

• Material de relleno del rotor: Acero Si M27 de alta permeabilidad (µ = 12138)

• Entrehierro = Aire

• Devanado del estator en cobre, con 12 ranuras por fase y 40 espiras cada uno.

Dado que la frecuencia de las corrientes estatóricas coincide con la velocidad de giro del generador, se indica una frecuencia de 0 Hz. Por esta misma razón, se indica que las corrientes también son estacionarias.

El software que se emplea en esta primera parte de la simulación corresponde al Finite Element Method Magnetics: FEMM 4.2, que soluciona problemas electromagnéticos mediante la técnica de Elementos Finitos. [3].

12

Ilustración 8. Configuración del PGSM para simulación en el software FEMM 4.2.

Para esta configuración, se obtiene el siguiente gráfico de líneas de flujo de campo magnético en el generador:

Ilustración 9. Distribución del campo magnético en el PGSM

Se puede verificar que las líneas de flujo están concentradas en el material de acero de alta permeabilidad y baja reluctancia. Obsérvese la concentración de las líneas de flujo alrededor de las espiras del estator.

1. Onda de inducción en el entrehierro.

Se puede observar el campo magnético radial en el entrehierro. Recuérdese que los polos Norte y Sur están intercalados. Por tal razón, el campo magnético cambia su polaridad a lo largo de toda la circunferencia. La forma constructiva permite obtener algún parecido con onda senoidal con alto contenido de armónicos.

Acero-Si M-27 Steel

430 Stainless Steel 430 Stainless Steel

430 Stainless Steel430 Stainless Steel

Cobre[+V:40]

Cobre[-U:40]

Cobre[+W:40]

Cobre[+W:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[+U:40]

Cobre[-W:40]Cobre

[+V:40]Cobre[-U:40]

Cobre[-U:40]

Cobre[+W:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[+U:40]

Cobre[-W:40]

Cobre[+V:40]

Cobre[+V:40]

Cobre[-U:40]

Cobre[+W:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[+U:40]

Cobre[-W:40]

Cobre[-W:40]

Cobre[+V:40]

Cobre[-U:40]

Cobre[+W:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[+U:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[-W:40]Cobre

[+V:40]Cobre[-U:40]

Cobre[+W:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[-V:40]

Cobre[+U:40]

Cobre[-W:40]

Aire

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOeNdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

NdFeB 32 MGOe

316 Stainless Steel

Acero-Si M-27 Steel

Density Plot: |B|, Tesla

2.180e+000 : >2.294e+000

2.065e+000 : 2.180e+0001.950e+000 : 2.065e+000

1.836e+000 : 1.950e+0001.721e+000 : 1.836e+000

1.606e+000 : 1.721e+000

1.491e+000 : 1.606e+0001.377e+000 : 1.491e+000

1.262e+000 : 1.377e+000

1.147e+000 : 1.262e+0001.033e+000 : 1.147e+000

9.178e-001 : 1.033e+0008.031e-001 : 9.178e-001

6.883e-001 : 8.031e-001

5.736e-001 : 6.883e-0014.589e-001 : 5.736e-001

3.442e-001 : 4.589e-0012.295e-001 : 3.442e-001

1.147e-001 : 2.295e-001

<1.974e-005 : 1.147e-001

13

Ilustración 10. Onda de Inducción en el entrehierro del PGSM

2. Flujo por polo obtenido

Recordando que en cada polo existe una medida del flujo propio del imán, como del flujo disperso de la máquina, se tiene la siguiente medida, la cual se realiza directamente en la superficie del estator:

IU (Amp) IV (Amp) IW (Amp) Flujo Normal

(Webers) Flujo Radial

(Teslas)

22,5 -11,25 +

J⋅19.4856

-11,25

− J⋅19.4856 -2.38524e-018 -1.74542e-017

-11,25

+J⋅19.4856

-11,25

− J⋅19.4856 22,5 3.29597e-017 2.41185e-016

-11,25

− J⋅19.4856 22,5

-11,25

+J⋅19.4856 -2.81893e-018 -2.06277e-017

Dicha medida abarca toda la circunferencia del estator, que se asocia con los 10 polos de la máquina.

3. Fuerza electromotriz por fase generada y potencia

La siguiente tabla resume la fuerza electromotriz y potencia obtenidas en el generador, en diferentes instantes de tiempo:

IU (Amp) IV (Amp) IW (Amp) PU (W) PV (W) PW (W) P Total (kVA) VU (V) VV (V) VW (V)

22,5 -11,25 +

J⋅19.4856

-11,25

− J⋅19.4856 2222,68 666,8 666,8 3556,28 98.78 -59,27 -59,27

-11,25

+J⋅19.4856

-11,25

− J⋅19.4856 22,5 555.67 666.8 2667.2 3889,67 -49.39 -59.27 118.54

-11,25

− J⋅19.4856 22,5

-11,25

+J⋅19.4856 555.67 2667.2 666.8 3889,67 -49.39 118.54 -59.27

Nótese que la máquina está en capaz de desarrollar producción de potencia en un rango entre los 3.5 y los 4 KVA, que en todo caso es mayor que la potencia eléctrica inicialmente calculada en 2,4 KVA.

Adicionalmente, en cada fase se genera el equivalente a la información entregada por FEMM, según se aprecia en la

B.n, Tesla

Length, mm

2

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

0 100 200 300 400 500

14

Ilustración 11. Propiedades en el circuito de cada fase del PGSM

Obsérvese el dato según el cual en cada fase el flujo de inducción magnética es de 1.13 Wb. Este dato se emplea más adelante en la configuración de la máquina.

4. Par interno

Téngase en cuenta que se emplean imanes pequeños de 67.500mm3 y que el generador sólo tiene 40 espiras por ranura. Este par se mide en el entrehierro.

La siguiente tabla resume el par de freno del generador, sometido a las corrientes de fase, en determinado instante de tiempo:

IU (Amp) IV (Amp) IW (Amp) Par (N⋅⋅⋅⋅m)

22,5 -11,25 + J⋅19.4856 -11,25

− J⋅19.4856

371.736

-11,25 +J⋅19.4856 -11,25

− J⋅19.4856 22,5

-332.276

-11,25

− J⋅19.4856 22,5 -11,25 +J⋅19.4856

-37.997

Según la información obtenida, para el diseño de la máquina, el par indicado en la simulación, es mayor que el par calculado teóricamente.

Como anotación final, el instante de tiempo y los grados eléctricos en el cual se realiza la medición influye en el resultado. El par es pulsante, de acuerdo a la posición relativa del rotor respecto a las espiras del estator.

5.3 Conformación del modelo de simulación eléctrico

Es importante anotar que en el modelo presentado en la Ilustración 4, si la velocidad del viento aumenta, entonces, para mantener CP en su valor óptimo, se deberá modificar la posición de las aspas de la turbina, para aumentar la velocidad mecánica proporcionalmente. [12]

El control eléctrico de potencia consistirá en obtener la máxima potencia posible.

Cuando se alcanza la potencia nominal del generador, se deberá controlar dicha potencia si la velocidad del viento aumenta. Es decir, el par de freno que presente el generador debe ser el equivalente al par de potencia nominal. [12]

Los métodos de control se pueden clasificar en: [12]

15

• Control escalar: se controla la cantidad de potencia activa y reactiva entregadas a la red

• Control vectorial: se controla la velocidad y el par de freno del generador, así como la calidad de la potencia entregada a red.

En la Ilustración 12 se aprecia el modelo que se implementa en la plataforma PSIM, equivalente al sistema que se indicó previamente en la Ilustración 1

Ilustración 12. Modelo de Simulación en PSIM

En este trabajo, el propósito será el enfoque en el tipo de control escalar. Para el efecto, el modelo de simulación considera un sistema de control con tensión y frecuencia en bornes del generador constante, que incluye un rectificador trifásico y un boost DC-DC, el cual se conecta a un rectificador PWM, que es gobernado a través de su sistema de control

5.4 Turbina del aerogenerador

Para simular el funcionamiento de la turbina, se parte de la curva Cp de la Ilustración 5. En Simulink la turbina se representa según el modelo establecido en la Ilustración 13. Obsérvese la curva de funcionamiento. Esta curva corresponde a una máquina con potencia nominal de 2.4 KW, con un rotor de 1.4 metros de radio y una velocidad nominal de 83 rpm.

1

Torque [N*m]

12.1

v_viento[m/s]

82.53

v_giro[rpm]

v v iento

wmec

Potencia

Par

lambda

Cp

Turbina eje vertical Generación de Par

276.09

Torque

2386.16

Pot

1.00

L-K-

Gain 0.35

Cp

16

Ilustración 13. Representación de Turbina Eólica

Con estos datos se procede a la construcción del bloque que, recibiendo como entradas la velocidad de giro de la turbina y la velocidad del viento, se calcula la potencia y el par entregado por la turbina eólica.

Utilizando el modelo de la turbina, se puede obtener fácilmente la curva de potencia de la máquina. Esto se logra introduciendo variaciones lineales del viento y representando la potencia obtenida en función de la velocidad, según los resultados obtenidos en la Ilustración 14.

Ilustración 14. Curva Cp-λλλλ y Curva de Potencia del Aerogenerador

Se puede inferir que el aerogenerador tendrá una generación máxima de potencia a 21.5m/s, (Equivalente a una potencia de 0.65KW).

5.5 Máquina Síncrona de Imanes Permanentes (PMSG)

Mediante la Toolbox de SimPowerSystems de Simulink/Matlab, es posible elegir el modelo de la máquina síncrona de imanes permanentes (PMSG). Su configuración se realiza teniendo en cuenta la inclusión de 10 polos en total, en un generador de 4 KW.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

Ann

otat

ions

den

ote

colu

mn

brea

kpoi

nts

←--

Tab

le d

ata

Row breakpoints

Table and breakpoints data for block:PMGS/Turbina - Generación de Par/Lambda-Cp

17

Ilustración 15. Representación del Módulo PMSG

Los siguientes datos recopilados, permiten configurar la información de la máquina PGSM de 4KW (5HP). [12]

Ilustración 16. Configuración de los parámetros del PMSG

5.6 Elementos de Electrónica de Potencia

En la Ilustración 17 se aprecia el módulo de rectificación, boost DC-DC e inversor PWM que se implementa en Simulink/Matlab.

Ilustración 17. Módulos de rectificación e inversor PWM

5.7 Puente trifásico de Rectificación

El rectificador de diodos es la topología electrónica más simple, barata y resistente para aplicaciones electrónicas. Sin embargo, la mayor desventaja de este rectificador de diodos radica en la imposibilidad de trabajar en el flujo bidireccional de potencia.

En los bornes de salida del rectificador se tiene el siguiente voltaje: �� � �√�� ��,

según se refleja en la Ilustración 18.

18

Ilustración 18. Relación de la conversión de voltaje en el rectificador

5.8 Sistema Boost DC-DC

El esquema del Boost DC-DC se presenta en la Ilustración 19, el cual incluye el respectivo control PI. Como su nombre lo indica, la tensión de salida es siempre mayor que la tensión de entrada. El principio básico del convertidor Boost consiste en dos estados distintos dependiendo del estado del interruptor S, representado en este caso por un IGBT.

• Cuando el interruptor está cerrado (On-state) la bobina L almacena energía de la fuente, a la vez la carga es alimentada por el condensador C.

• Cuando el interruptor está abierto (Off-state) el único camino para la corriente es a través del diodo D y circula por el condensador (hasta que se carga completamente) y la carga.

Existen dos situaciones de funcionamiento: Modo continuo (toda la energía se transfiere a la carga, sin llegar a que la corriente se anule), y Modo Discontinuo (la carga consume menos de lo que el circuito puede entregar en un ciclo).

La relación entre la entrada y salida de voltaje y corrientes del convertidor elevador

corresponde a: �,��� �,��,� � 1 �1 − !" ;

#�,��� #�,��,� � 1 − , donde D corresponde al

Duty Ratio del boost DC-DC.

Ilustración 19. Esquema del Boost DC-DC

19

Para la simulación, el convertidor tiene un factor D de 0.5, lo cual permite elevar el voltaje, como se ilustra en la Ilustración 20.

Ilustración 20. Relación de elevación de voltaje en el Boost DC-DC

5.9 Sistema Inversor DC-AC

La función de un inversor es cambiar un voltaje de entrada de corriente continua a un voltaje simétrico de salida de corriente alterna. Las formas de onda de salida del voltaje de un inversor ideal deberían ser sinusoidales. Una buena técnica para lograr esto es utilizar la técnica de PWM logrando que la componente principal senoidal sea mucho más grande que las armónicas superiores [5]. La configuración del inversor se realiza a partir de un puente de IGBT´s, como se presenta en la Ilustración 21.

Este circuito se conecta a la red trifásica de 381V, 50 Hz, directamente a través de unas inductancias de acople. Dicha configuración se puede apreciar en la Ilustración 12.

Ilustración 21. Configuración del circuito de potencia del inversor con IGBT’s

Las señales de modulación son ahora Vd_ref y Vq_ref, magnitudes en DQ representativas de las tensiones trifásicas que sintetizará el convertidor [5]. En la Ilustración 22 se aprecia la respuesta de la generación de señales en la referencia DQ para control vectorial.

20

Ilustración 22. Generación de señales Id, Iq para control de la modulación PWM

Para el cálculo del control del inversor PWM, se tiene una frecuencia de corte relacionada con la velocidad de respuesta del sistema de regulación. Para tener capacidad de sintetizar una referencia de 50 Hz será necesario que la frecuencia de corte del sistema de control sea mayor de 400 Hz. Para tener capacidad de seguir una frecuencia f se establece la frecuencia de corte: [1]

fc ≈ (8 − 10) ⋅f

Para la frecuencia de filtro y τf se puede seguir el criterio, a partir de la frecuencia de corte: [1]

ff ≈ (8 − 10) ⋅fc ⇒ $% � 1 2'()"

Si se escoge un valor muy bajo la lectura puede quedar muy atenuada y retrasada respecto a la medida original. Si se elige demasiado alta el filtrado puede ser insuficiente.

Se sitúa su frecuencia de corte lo más cerca posible a una década. Además, para evitar que la medida de corriente incluya armónicos de conmutación, que en un IGBT puede llegar a los 20KHz. Luego, será recomendable que:

ff << fconmutación

En resumen, se establece con todas las frecuencias del sistema un criterio enlazado: f < fc < ff << fconmutación

Para mantener el bus bajo control se deben realizar intercambios de potencia activa con la red.

Si la tensión tiende a bajar se debe absorber potencia de la red para restablecer el equilibrio (funcionamiento como rectificador). Si por el contrario la tensión tiende a subir, se deberá evacuar potencia hacia la red (funcionamiento como inversor).

La referencia de corriente en el eje Q está asociada a la potencia activa intercambiada con la red. Por esta razón, para mantener el bus bajo control, el lazo de control a implementar sería el siguiente, cuya salida es la corriente Iq de referencia. [1]

21

Ilustración 23. Modulación PWM, incluyendo modulación trifásica con conversión a ejes

ABC de las referencias

El control de las referencias de corrientes Id e Iq, permiten realizar el control de la generación trifásica y su posterior acople a la red.

Vale destacar que la referencia (Vd_ref y Vq_ref) calculada automáticamente por el control PI coincide con el voltaje Vd_red y Vq_red, por cuanto podemos asumir que el control está trabajando de manera efectiva. La Ilustración 24 permite apreciar las señales de modulación para el inversor 3ϕ.

Ilustración 24. Señales de modulación PWM

A partir de las medidas de corriente y tensiones de red en ejes DQ se puede calcular la potencia activa y reactiva intercambiada con ella. El diagrama de bloques de estos cálculos se muestran en la Figura 15. El coeficiente de 1.5 es resultado del tipo de magnitud en DQ que se está utilizando (valor máximo de la magnitud de fase). [1]

22

Ilustración 25. Cálculo de la potencia activa y reactiva intercambiadas con la red, desde

la Transformación DQ

Una interesante conclusión, es que este tipo de control vectorial, con la transformación DQ, hace muy fácil la manipulación y configuración de cualquier convertidor de potencia. De esta manera, se puede controlar el factor de potencia, la inyección o consumo de potencia activa y reactiva, y el comportamiento como rectificador o como inversor.

La referencia de corriente en el eje Q está asociada a la potencia activa intercambiada con la red y la referencia de corriente del eje D está asociada a la potencia reactiva. [13]

5.10 Conexión a la red trifásica

Tratándose de un pequeño aerogenerador de imanes permanentes, para aplicación en una red de distribución, se realiza una conexión directamente a la red de 381 V. De esta manera, los usuarios pueden conectarse al sistema y tomar directamente los 220V monofásicos.

Debido a las características mecánicas de la máquina, en las que hay que considerar la inercia mecánica y las estabilización del generador, entonces se debe dar un tiempo prudencial a la simulación para poder apreciar las características del mismo. El sistema de inyección de corriente a la red, presenta los siguientes resultados:

Ilustración 26. Inyección de potencia activa y reactiva a la red trifásica desde el PMSG

23

Se puede apreciar el contenido armónico de las ondas de corriente, que se estima en 5.9% para el THD de corriente. Adicionalmente, el factor de potencia es capacitivo, y se puede corregir mediante la manipulación de las referencias I_d, presentadas en sistema de modulación PWM (Página 20 de este trabajo).

También es posible tener el caso que desde el convertidor se inyecte potencia reactiva al sistema, aunque sea necesario consumir potencia activa desde la red para mantener la tensión del bus de DC, ante una perturbación.

Ilustración 27. Perturbación donde se consume Pactiva y se inyecta Qreactiva

También interesa conocer las condiciones mecánicas del aerogenerador. En la Ilustración 28 se aprecia la característica pulsante y la variabilidad en el giro de la turbina y del eje del aerogenerador.

Ilustración 28. Torque y velocidad en el sistema mecánico del aerogenerador

Obsérverse la estabilización en la velocidad de giro del eje del aerogenerador.

24

6 CONCLUSIONES

Este trabajo presenta un concepto importante, dado que mediante el uso de los PMSG se puede sustituir la caja de cambios en un aerogenerador que gira a baja velocidad.

El mantenimiento del sistema de caja de cambios puede ser difícil, ya que la góndola se encuentra en la parte superior de la torre. Por otra parte, también puede haber problemas con los materiales, lubricación y otros soportes.

Una baja velocidad de operación de la máquina permite desde el punto de vista constructivo poder ajustar menores entrehierros lo que ayuda a alcanzar niveles elevados de densidad de flujo magnético en el entrehierro.

El sistema propuesto no requiere sistemas de auto excitación o caja de cambios, como sí se requiere en los generadores de inducción. La ausencia de los condensadores de autoexcitación y de la caja de cambios se traduce en reducción de costos, aumento de la eficiencia y reducción del peso en la góndola de los aerogeneradores.

El sistema propuesto utiliza la máxima potencia disponible en el viento, permitiendo al aerogenerador alrededor del coeficiente máximo de rendimiento (Cp).

El controlador se usa para lograr el funcionamiento óptimo a un voltaje DC constante mediante el control del índice de modulación del inversor PWM. Con el uso de este tipo de sistema de conversión de potencia, el controlador propuesto tiene un funcionamiento estable de la energía eólica diferentes velocidades.

En este trabajo también se ha verificado la versatilidad de los convertidores doblemente alimentados y su inmensa utilidad para en aplicaciones tanto para el acople de los generadores de velocidad variable, y los módulos fotovoltaicos a la red de 50Hz. El control DQ es fácil de configurar y muy apropiado para este tipo de aplicaciones. El convertidor puede corregir fácilmente el factor de potencia y mantener la estabilidad del sistema.

Este tipo de aplicaciones son de gran utilidad para los sistemas de generación distribuida. Las tendencias tecnológicas demuestran que los usuarios de energía eléctrica podrán autoabastecerse, aprovechando la energía del viento, y transformándola en electricidad a través de aplicaciones tecnológicas como el que se estudió en este trabajo.

Esto demuestra el magnífico futuro de las máquinas síncronas de imanes permanentes: Son fáciles de instalar, requieren mantenimiento mínimo. Al utilizar sistemas de excitación de baja permeabilidad, es decir imanes permanentes, se tiene la ventaja de minimizar el efecto de reacción de armadura, lo cual tiene como consecuencia un aumento de la regulación de tensión. Además al no tener contacto óhmico el sistema de excitación con el exterior, se hace posible la construcción de unidades blindadas.

Al contar con máquinas que generen a partir de una baja velocidad de la fuente motriz, presenta la ventaja de poder prescindir o reducir en tamaño elementos de transmisión mecánica en base a engranajes para elevar la velocidad.

Como comentario final, es muy importante elegir una plataforma de simulación adecuada para este tipo de aplicaciones. En el caso del uso de PSIM y FEMM, herramientas especializadas en cada uno de sus áreas (Electrónica de Potencia y Campos Electromagnéticos respetivamente), han sido muy satisfactorio los resultados y los tiempos de simulación, que fueron anteriormente presentados.

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