ENSAYOS CARACTERISTICOS DE UN GENERADOR EOLICO SINCRONO DE IMANES PERMANENTES.

Lucas Inchauspe Gonzalo L. Acosta Juan J. Maanes lucas.inchauspe@impsa.com gonzalo.acosta@impsa.com juan.mananes@impsa.com IMPSA Wind Mendoza, ARGENTINA Palabras clave: ensayo generador elico, aerogenerador, generador elico, generador.

Resumen:

Este informe describe el procedimiento seguido por IMPSA WIND para llevar a cabo ensayos

caractersticos de un generador elico, sncrono, de imanes permanentes a escala real.

Dichos ensayos consisten en un ensayo en vaco, un ensayo de corto circuito sostenido y un

ensayo de generacin. El objetivo principal es poder relevar las curvas caractersticas del

generador (tensin-rpm, corriente-rpm.), verificar aislaciones en el bobinado y parmetros

elctricos.

Este procedimiento forma parte del proceso de certificacin del generador para su posterior

utilizacin comercial. Para lograr reproducir las condiciones de trabajo reales del

generador, se diseo y fabric un banco de ensayos. Este banco esta motorizado por un

motor sncrono de imanes permanentes de 1MW, vinculado con un acople directo y flexible al

generador de 1.5 MW, sometido a los ensayos. simulando la energa real aportada del viento

al generador durante su funcionamiento . De esta manera el motor proporcion la potencia

mecnica al generador simulando la energa cintica del viento captada por las palas.

INTRODUCCIN

La tendencia al uso de fuentes de energa renovables en los ltimos tiempos se ha visto

acompaada de un desarrollo acelerado de la tecnologa de los aerogeneradores, entre las

cuales se destaca el crecimiento tanto en potencia como en tamao. Es por esto que los

estudios estructurales y elctricos han tomado cada vez mayor relevancia. El generador

elctrico ha sido uno de los temas ms estudiados en el departamento de ingeniera de IMPSA

Wind. En esta empresa, se ha desarrollado y fabricado un diseo propio, registrado con el

nombre de UNIPOWER que ha diferencia de los diseos tradicionales no utiliza caja

multiplicadora, lo que permite generar a velocidades y frecuencias variables.

La demanda actual de aerogeneradores de mayor potencia, mejores rendimientos y menores

costos, exige la optimizacin y mejora continua de los diseos. Es por esto que los ensayos de

prototipos son cada vez ms exigentes y rigurosos.

Los ensayos del generador se utilizan principalmente para verificar la aislacin del bobinado,

esta aislacin es testeada a temperatura de trabajo crtica con el sistema de ventilacin

funcionando normalmente, con este ensayo se garantiza que la aislacin de las bobinas

soportar las condiciones de trabajo a las que ser sometida durante su vida til de 20 aos.

Si bien los generadores son elementos constitutivos de los aerogeneradores, los mismos

pueden ser comercializados en forma separada, por lo que son ensayados en forma particular.

Pocas de las normas en vigencia presentan como requisito un ensayo a escala real para su

certificacin. Sin embargo, debido a la criticidad de los generadores, empresas como

Siemens1o Vensys han desarrollado sus propios bancos y conjuntos de ensayos, como as

tambin procedimientos y tecnologas para ensayar sus equipos.

IMPSA Wind, enfrentada al desarrollo de nuevos diseos, materiales y procesos de

fabricacin, plante la necesidad de realizar estos ensayos. Para ello, se propuso una

metodologa de ensayo propia donde se pudo testear el funcionamiento completo del

generador y sus sistemas auxiliares siguiendo la norma IEC1 STANDARD publicacin 34-4,

segunda edicin, parte 4.

Adems, se consideraron otros aspectos que brindaron informacin de inters para verificar el

diseo, controlar los clculos, confirmar las hiptesis e introducir posibles mejoras.

DETERMINACIN DE CARGAS PARA DISEO ESTRUCTURAL.

El diseo estructural del banco de ensayos se bas en los datos obtenidos de la curva terica

de corto circuito del generador a ensayar, esta curva y otros datos a considerar, permitieron

obtener un valor terico del torque requerido para realizar los ensayos. A partir de estos datos,

se analizaron diferentes estructuras posibles con sus caractersticas individuales, de este

anlisis se seleccion la estructura ms apta; para esto se estudiaron factores tales como la

simplicidad para transmitir la energa mecnica al generador simulando de esta manera el

funcionamiento real del equipo, costos, disponibilidad de materiales, etc. Para el diseo

estructural se tuvieron en cuenta otros aspectos como el ambiente donde iba a ser montada la

estructura, ya que deba ir colocado sobre una loza resistente con concreto de calidad H21

como mnimo, se deba contar con capacidad de izaje mnima de 100tn, potencia instalada

mnima superior a 1MW, lugar cerrado y limpio. Fue importante tener en cuenta tambin los

diversos ensayos requeridos por los diferentes grupos de trabajo como por ejemplo control,

quin testeo movimientos de pitch2, comunicacin entre equipos electrnicos, cadena de

1-IEC: International Electrotechnical Commission. 2- Pitch: Sistema de control de potencia de aerogeneradores que consiste en la regulacin por cambio del ngulo de paso. Movimiento de rotacin de la pala sobre su eje longitudinal.

seguridad, etc. Estos aspectos pueden en ocasiones cambiar completamente el diseo

adoptado para recomenzar todo el anlisis. En la figura 1 se pueden observar distintas etapas

en el cambio de diseo de las crucetas de transmisin de torque hasta obtener el diseo final.

Figura 1. De izquierda a derecha se observan los distintos diseos estudiados, tubular, reticulado,

estructural de chapa soldada.

Durante la etapa de diseo estructural y para realizar los ensayos consideramos la energa

mecnica como la energa disponible en el viento que es aprovechada por la turbina.

Pv= rv3 p r2 Pm= T w Pe= 3 . U. I . cos f

Durante los ensayos consideramos Pv = Pm

Donde: Pv=Potencia del viento; Pm=Potencia mecnica; Pe=Potencia elctrica; T=torque mecnico;

w=w=w=w=velocidad de rotacin [rad/s]; r=r=r=r=Densidad del aire seco [1.225kg/m3 ].

DISEO FINAL ADOPTADO.

Luego de analizar los puntos anteriores, el diseo final adoptado en este caso consisti de dos

estructuras separadas, una para el motor de 1MW y otra para el generador de 1.5MW, esto

permiti alinear el conjunto en forma independiente. Ambas estructuras soportaban la carga

en voladizo y fueron unidas a travs de vigas para mantener el alineamiento.

Estas estructuras se posicionaron sobre una base de grout3 para lograr un asiento parejo en la

base y una buena distribucin de cargas. Este grout fue preparado y colocado luego de haber

obtenido la alineacin requerida. Durante el diseo de estas estructuras se tuvieron en cuenta

aspectos como facilitar las tareas de nivelacin y alineamiento, las tareas de montaje y

desmontaje de la electrnica de potencia, tableros y elementos elctricos menores, pasaje de

bandejas porta cables, pasaje de hombres, etc.

Para cubrir todos estos aspectos se realizo un lay-out en 3D (ver figura 2), que facilit la

visualizacin global de los equipos.

3- Grout: Material autonivelante que se utiliza para rellenar espacios estrechos en operaciones de nivelacin.

Los diferentes sectores involucrados consultando este lay-out pudieron conocer la distribucin

adoptada por otros sectores y as no interferir entre diferentes equipos de trabajo.

Este diseo present como principales ventajas su simplicidad mecnica comparado a

sistemas que con algn tipo de etapa intermedia de transmisin, su bajo consumo de energa,

ya que el nico consumo son las prdidas propias del generador y su bajo costo frente a otras

alternativas.

De esta manera se testearon dos mquinas en forma simultnea.

El diseo final adoptado fue seleccionado porque el mismo permiti realizar la mayor

cantidad de ensayos posibles y reproducir mediante ellos verdaderas condiciones de trabajo

del generador trabajando durante su

vida til. Fue muy importante

tambin para el diseo lograr cubrir

los requerimientos de los diferentes

sectores de IMPSA, ensayos de

software de control como sistema

de pitch o comunicacin entre

diferentes equipos.

ENSAYOS

El objetivo de este ensayo no fue slo obtener las curvas caractersticas del generador, sino

tambin, testear los sistemas auxiliares del aerogenerador (sistema de pitch, sistema de

refrigeracin, software de control, monitoreo de vibraciones, entre otros) adems de

realimentar al equipo de desarrollo de generadores con valores reales que caracterizan el

comportamiento del generador. La disponibilidad de esta informacin permiti optimizar el

proceso de diseo y validar los clculos e hiptesis realizadas.

DATOS ADQUIRIDOS (Ensayos de caracterizacin PASO A PASO)

Los diferentes datos y parmetros que se monitorearon durante los ensayos variaron en

funcin de las diferentes condiciones de trabajo que se quisieron simular para los siguientes

ensayos realizados. En todos los ensayos se cheque la comunicacin entre los distintos

equipos.

Figura 2: Lay-out del entorno donde se ubic el banco de ensayos.

Ensayo de Vaco, ver figura 3.

Tiempo de ensayo

Temperatura ambiente

Humedad relativa

Parmetros del motor: corriente RMS

(inyectada por el convertidor de

frecuencias al motor), velocidad de

rotacin (rpm), torque del motor,

temperaturas del motor

Parmetros del convertidor de frecuencia del motor

Parmetros del generador: tensin en bornes del generador, temperaturas (bobinado

estatrico, imanes permanentes, sistema de ventilacin, etc), monitoreo de

vibraciones.

Procedimiento de Ensayo.

Este ensayo se desarroll con los bornes

del generador abiertos.

Se increment la velocidad de rotacin

del conjunto, dando consignas al motor,

a velocidades previamente establecidas.

En cada incremento de velocidad se

tomaron registros de la tensin en bornes

del generador (ver figura 4.). Este

ensayo permiti conocer lo que

se conoce como la caracterstica

de la mquina a circuito abierto, relacin entre la velocidad de rotacin del

generador (rpm) y la tensin en bornes del mismo (V).

Ensayo de Cortocircuito Sostenido

Tiempo de ensayo

Temperatura ambiente

Humedad relativa

Parmetros del motor: corriente RMS (inyectada por el convertidor de frecuencias al

motor), velocidad de rotacin (rpm),torque del motor, temperaturas del motor

Parmetros del convertidor de frecuencia del motor

Tensin rms vs. RPM

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15 20 rpm

Vrms

Figura 4: Curva de ensayo de vaco Generador - 1.5MW.

Figura 3: Ensayo de vaco Generador 1.5MW.

Parmetros del generador: corriente RMS del generador, temperaturas (bobinado

estatrico, imanes permanentes, sistema de ventilacin, etc), monitoreo de

vibraciones.

Procedimiento de Ensayo

El ensayo se realiz con los bornes del

generador cortocircuitados.

Este ensayo se desarroll en dos etapas:

1- Ensayo de Cortocircuito Sostenido

En esta primera fase se relev la curva de

cortocircuito (ver figura 5), para ello, se

increment paulatinamente la velocidad de

rotacin en pasos de 0,1 rpm y se tomaron

registros de la corriente RMS del

generador a cada incremento de velocidad, hasta alcanzar la corriente de cortocircuito,

ICC. Donde: Icc =1.1 * In (In: Corriente Nominal del Generador)

2- Ensayo de Calentamiento en Cortocircuito Sostenido

Esta fase fue una continuacin de la primera, en ella una vez alcanzada Icc, se dej

el conjunto girando a esa velocidad. De esta manera el generador trabaj como si

estuviese a plena carga, y las temperaturas alcanzadas fueron similares a las del

funcionamiento normal, ver figura 6. De esta manera se chequearon las aislaciones

y el correcto funcionamiento del sistema de refrigeracin.

Corriente eff vs. RPM

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 rpm

Aeff

Figura 5: Curva de corto circuito Generador

Figura 6: Temperaturas bobinado estatrico, Generador 1.5MW durante ensayo de calentamiento.

Ensayo de Generacin en Carga Parcial

Tiempo de ensayo

Temperatura ambiente

Humedad relativa

Parmetros del motor: potencia entregada por el convertidor de frecuencia al

motor, corriente RMS (inyectada por el convertidor de frecuencias al motor),

velocidad de rotacin (rpm), torque del motor, temperaturas del motor

Parmetros del convertidor de frecuencia del motor

Parmetros del generador: velocidad de rotacin del generador (rpm),

temperaturas (bobinado estatrico, imanes permanentes, sistema de ventilacin,

etc), monitoreo de vibraciones.

Parmetros del convertidor de frecuencia del generador: potencia a la salida del

convertidor de frecuencia.

Procedimiento de Ensayo

Este ensayo se desarroll con el generador conectado al convertidor de frecuencia,

inyectando la potencia generada a la red.

Se increment la velocidad de rotacin del conjunto, dando consignas al motor, a

velocidades previamente establecidas. En cada incremento de velocidad se

tomaron registros de la potencia generada a la salida del convertidor. Mediante

este ensayo se determinaron las prdidas del generador, convertidor de frecuencia

y transformador principal, todos componentes esenciales del aerogenerador.

Figura 6: Temperaturas bobinado estatrico, Generador 1.5MW durante ensayo de calentamiento.

CONCLUSIONES

Los ensayos en banco del generador involucraron una gran cantidad de personas en forma

directa e indirecta. La empresa lo tom como un proyecto en si mismo, y los resultados fueron

considerados significativamente satisfactorios.

A partir del mismo se reprodujeron condiciones reales de funcionamiento del generador y sus

sistemas auxiliares. Finalizados los ensayos, se observ que las aislaciones adoptadas para el

bobinado fueron adecuadas y permitirn un correcto funcionamiento del equipo durante su

vida til. As mismo pudo comprobarse que el sistema de refrigeracin garantiza temperaturas

de trabajo por debajo de los lmites mximos de diseo, funcionando en condiciones

nominales.

Mediante los datos registrados se pudieron obtener las curvas caractersticas del equipo, con

lo cual se genera un feedback ms que importante para los sectores de diseo y desarrollo de

los equipos, posibilitando de esta manera optimizar los diseos enormemente.

Otro de los objetivos cumplidos fue el testeo del software de control, principalmente la

comunicacin entre los distintos equipos, subsistemas y el funcionamiento del sistema de

pitch, fundamental tanto para la operacin como para la seguridad del aerogenerador. Esto fue

posible gracias al diseo final que se adopt para el banco de ensayos, el cual permiti una

muy buena versatilidad de trabajos y ensayos.

Finalmente es importante mencionar que este estudio represent el primer ensayo del estilo

back-to-back4 a escala real de un generador elico de alta potencia en la Argentina.

REFERENCIAS

[1] International Electrotechnical Commission, International Standard IEC 60034: Rotating electrical machines Part 4: Methods for determining synchronus machine quantities from tests. Second edition 1985.

[2] Structural Welding Code-Steel. AWS D1.1/D1.1M:2004 An American National Standard. American Welding Society. 19th Edition.

[3] International Electrotechnical Commission, International Standard IEC 61400-21: Wind turbine generation systems Part 21: Measurement and assessment of power quality characteristics of gird connected wind turbines.

[4] Bernd Klckl: Measurement Based Parameter Determination of Permanent Magnet Synchronous Machines Diploma Thesis. August 2001.

4- Back-to-back: Modalidad de ensayo que consiste en utilizar dos generadores de igual potencia interconectados con el fin de ensayar ambos.