Projecte Final de Carrera - URVdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1848pub.pdf · Projecte Final...

Anàlisis de grups de recerca de

màquines elèctriques per a generadors

elèctrics en molins de vent (I)

Director del PFC: Lluís Massagués Vidal

Alumne: Joan Montagut Vallespí

Projecte Final de Carrera - URV Joan Montagut Vallespí

2

Índex:

1. Introducció ............................................................................................................... 3

1.1 Les energies renovables .................................................................................................... 3

1.2 Objectius ........................................................................................................................... 5

1.3 Metodologia: La investigació documental ....................................................................... 6

2. Classificació documental per països ........................................................................... 8

2.1 Austràlia ........................................................................................................................... 9

2.2 Corea .............................................................................................................................. 20

2.3 Nova Zelanda.................................................................................................................. 34

2.4 Tailàndia ......................................................................................................................... 40

2.5 Turquia ........................................................................................................................... 47

2.6 Xina ................................................................................................................................. 51

3. Classificació dels autors ......................................................................................... 122

3.1 Autors classificats per universitat ................................................................................ 122

3.2 Autors amb fitxa tècnica pròpia ................................................................................... 131

3.3 Relacions entre autors (equips de treball) .................................................................... 139

4. Estudis estadístics ................................................................................................. 141

4.1 Relació país/nº d’articles .............................................................................................. 141

4.2 Relació nombre d’articles, any de publicació i universitats .......................................... 142

4.3 Autors amb més representació .................................................................................... 147

4.4 Topologia dels generadors estudiats ........................................................................... 148

4.5 Tipus de flux als generadors ......................................................................................... 152

4.6 Tipus d’accionament a l’eix rotatori ............................................................................. 155

4.7 Potències dels prototips ............................................................................................... 159

5. Conclusions .......................................................................................................... 160

6. Bibliografia ........................................................................................................... 162

6.1 Referències ................................................................................................................... 162


3

1. Introducció

1.1 Les energies renovables

Les energies renovables, que també s'anomenen energies alternatives, són aquelles que

provenen de l'aprofitament dels recursos energètics que proporcionen els cicles anuals del

planeta (el sol, el vent, el mar, els rius i la vegetació), l'activitat biològica dels éssers vius (les

deixalles orgàniques), o de la seva calor interior (geotèrmia). Totes les energies renovables

provenen en darrera instància del Sol, la font primària d'energia del nostre sistema.

L'impacte ambiental de les energies renovables, que no prové del seu ús, si no que sorgeix del

cicle de vida dels materials o compostos que fem servir per al seu aprofitament és

notablement inferior al de les energies d'origen fòssil (petroli, carbó o gas), de l'energia

nuclear i de les grans infraestructures hidràuliques, que són les fonts energètiques actuals.

En aquest treball em centraré més en concret amb l’estudi i l’evolució de l’energia eòlica en

alguns països d’Àsia i d’Oceania.

Pel que fa als països asiàtics, aquestes últimes dècades han evolucionat i desenvolupat en tots

els àmbits, tant en l’econòmic com en el social. Aquest continent posseeix la major quantitat

de població del món pel que els requeriments i demanda energètica és enorme. Països com la

Xina o Corea del Sud són els que més estan impulsant i desenvolupant les energies renovables

per poder sostenir el seu creixement econòmic. Aquests països, juntament amb el Japó, són els

més industrialitzats d'Àsia pel que són dependents del petroli, altres combustibles fòssils i

energia de l'estranger per poder abastir les seves grans necessitats d'energia i mantenir o

millorar la seva economia.

Per reforçar i augmentar la seva capacitat de generació d'energia estan invertint en energia

solar i eòlica principalment. No només utilitzen les energies renovables per al seu consum, sinó

que fabriquen components i tecnologia que després exporten a diferents països del món. Xina

és el màxim inversor a nivell mundial en energies netes, cada any augmenta més la seva

inversió i multiplica projectes en energies renovables. Corea del Sud també dissenya i

desenvolupa tecnologia solar i sobretot busca aprofitar l'energia eòlica offshore. Aquest país té

com a objectiu posicionar-se entre els 5 països més desenvolupats en matèria d'energia

renovable.

Àsia serà protagonista en generació d'energies netes a causa de l'intens treball que estan

realitzant per poder beneficiar-se del potencial energètic que posseeixen per poder deixar de


4

ser dependents del petroli que han de comprar i ser autònoms en matèria d'energia.

L'estratègia d'aquests països asiàtics és clara, poder aconseguir produir prou energia per

mantenir el seu model de creixement econòmic sòlid i seguir millorant la qualitat de vida de la

seva població.

D’altra banda, si passem a parlar d’Oceania, i més concretament d’Austràlia, podem dir que el

mercat eòlic australià és un dels de major creixement en el món. Segons CEC (Clean Energy

Council), la capacitat instal·lada el 2008 ha crescut més del 37% davant l'any anterior. Avui dia,

l'energia eòlica suposa el 0,5% de la producció d'electricitat nacional, però s'espera un

creixement continuat. Hi ha parcs eòlics planejats de fins a 16 GW. La zona més important per

al desenvolupament eòlic és al sud del país.

Parc d’aerogeneradors

Parc d’aerogeneradors “offshore”


5

1.2 Objectius

En aquest treball faré un estudi de l’energia eòlica, però no a nivell general, sinó que analitzaré

els tipus de màquines elèctriques per a generadors elèctrics en molins de vent a partir d’un

estudi detallat d’un seguit d’articles d’investigació realitzats per diferents doctors i universitats

dels continents nombrats, Àsia i Oceania. Aquests articles han estat cercats a partir d’una base

de dades determinada: Knowledge.

Per tal que l’anàlisi d’aquests articles sigui similar en quan a format i així facilitar el treball i la

comprensió, he creat una pauta genèrica amb diferents apartats on poder introduir totes les

dades dels articles.

D’altra banda, els objectius del meu treball seran els següents:

- Analitzar de manera general els tipus de generadors elèctrics emprats a l’Àsia i

l’Oceania.

- Veure l’evolució dels tipus de generadors al llarg del temps.

- Identificar els autors dels projectes estudiats, així com també veure la relació que hi ha

entre ells.

- Enumerar les diferents universitats que es centren en l’estudi dels aerogeneradors.

- Elaborar diferents estadístiques a partir de la informació aconseguida mitjançant

l’anàlisi dels articles.


6

1.3 Metodologia: La investigació documental

El tipus de metodologia que utilitzaré per poder desenvolupar de manera correcta el meu

Projecte Final de Carrera es basa, majoritàriament, amb la investigació documental.

Aquesta es pot definir com una tècnica que consisteix en l’elecció i recopilació d’informació

per mitjà de la lectura i l’anàlisi de documents i materials bibliogràfics, de bases de dades, de

biblioteques, hemeroteques, centres de documentació i informació, entre d’altres.

El procés que s’ha de dur a terme en la investigació documental és un procediment rigorós

formulat lògicament, per l’adquisició, organització i transmissió de coneixements, la qual es

constitueix de diferents etapes per arribar a la realització final de tot el projecte d’investigació.

Per poder elaborar aquest Projecte Final de Carrera es seguiran les següents etapes de la

investigació documental:

- Elecció del tema. En aquest cas, la temàtica de la investigació ja ens venia donada des

d’un principi, i vol donar resposta a quins tipus de generadors s’estan utilitzant

actualment en els aerogeneradors eòlics a Àsia i Oceania.

- Aplec de bibliografia bàsica sobre el tema. En aquest apartat es reuneix tot el

material publicat sobre la temàtica a investigar. En el cas d’aquest projecte, ens

centrarem en analitzar el material existent en la base de dades Knowledge.

- Lectura ràpida del material. La finalitat d’aquest apartat és ubicar les principals idees i

conèixer la qualitat del material recercat. Serà important que ens centrem en les parts

que ens poden aportar informació més útil i rellevant per la nostra recerca, com pot

ser l’índex, la introducció, el pròleg o les conclusions.

- Delimitació de la temàtica. Després de dur a terme la lectura ràpida dels documents,

ens serà molt més fàcil delimitar el tema d’investigació, ja que podrem mesurar la seva

dimensió i abast, el seu aspecte formal i la seva complexitat. A partir de la delimitació

del tema, podrem observar la viabilitat del seu desenvolupament, posarem límit a la

investigació i especificarem l’abast d’aquests límits.

- Lectura minuciosa de la bibliografia trobada. Implica la reflexió i interpretació,

donant resultat a les idees més importants plasmades en les fitxes de contingut.

- Elaboració de fitxes bibliogràfiques. L’elaboració de fitxes bibliogràfiques són

instruments en els quals es registren, de manera independent, les dades dels

documents o treballs consultats. Aquestes fitxes permeten identificar un document en

particular, localitzar-lo i classificar les fonts en funció de la conveniència del treball, és


7

a dir, ens permetrà localitzar ràpidament el material en el moment oportú.

S’utilitzaran les dades bàsiques del document (títol, autor, any de publicació, etc.) per

dur a terme el registre de les fitxes.

- Elaboració de fitxes de continguts. Aquestes contenen les idees més importants dels

documents bibliogràfics trobats. Es transcriu i s’innova la informació textual del

document. En elles es citarà tota la informació que sigui rellevant per la nostra

investigació. A través d’aquestes fitxes s’ordenarà la informació per tenir-la sempre a

l’abast.

- Redacció del treball final. Finalment, arribarem a la conclusió de la investigació,

comunicant per mitjà d’un text escrit els resultats obtinguts.


8

2. Classificació documental per països

Tal com ja hem indicat anteriorment, l’objectiu d’aquest treball es basa en analitzar els tipus

de màquines elèctriques per a generadors elèctrics en molins de vent a partir de l’estudi

detallat d’un seguit d’articles d’investigació realitzats per diferents doctors i universitats dels

continents nombrats, Àsia i Oceania, a partir de la metodologia de la investigació documental.

Per tal de fer la tasca més senzilla i entenedora, tots els articles han estat analitzats a partir de

la mateixa pauta de treball, la qual conté uns apartats determinats: títol de l’article, autor o

font, universitat, país editor, data de creació, paraules clau, continguts i conclusions. Així,

doncs, s’obtindrà el mateix tipus d’informació en tots els articles. En el cas que algun article no

tingui la informació demanada, s’indicarà correctament.

D’altra banda, també s’adjuntarà un mapa dels països estudiats, on es mostrarà la ubicació de

les universitats encarregades de dur a terme els estudis i les publicacions. D’aquesta manera,

serà molt més fàcil visualment situar tots els articles estudiats i les seves universitats

corresponents.


9

2.1 Austràlia

Llegenda:

(1) CSIRO Telecommunications & Industrial Physics, Lindfiled.

(2) Faculty of Engineering, UTS, Broadway.

(3) Westwind Turbines Pty Ltd, Kelmscott Western Australia.

(4) Centre for Renewable Energy Systems Technology, Curtin University of Technology, Perth.

(5) School of Mechatronic, Computer and Electrical Engineering, University of Western

Sydney, Nepean, Kingswood.

(6) School of Electrical and Electronic Engineering, University of Adelaide, Adelaide.

(1), (2), (5)

(3), (4)

(6)


10

[1] Títol de l’article: A Direct-coupled, Wind-driven Permanent Magnet Generator.

Autor o Font: J. Y. Chen i C. V. Nayar.

Universitat: Centre for Renewable Energy Systems Technology, Curtin University of

Technology, Perth.

País editor: Austràlia.

Data de creació: 1998.

Paraules clau: No s’especifica.

Continguts: Amb el desenvolupament dels materials per a alta energia en imants permanents,

és possible fer un generador d’imants permanents més fiable i compacte. La recent

investigació posa de manifest una creixent demanda de generadors eòlics amb una potència

de sortida més gran utilitzat en sistemes d'energia híbrids en zones remotes. Aquest treball

presenta el disseny d'un generador d'imants permanents de 20 kW de Neodimi amb Ferro i

Bor als imants per a l’acoblament directe, en aplicacions de turbines de vent de baixa velocitat.

A causa de rotor exterior, l’estructura multipolar pot ser fàcil d'implementar. Amb l'ajuda d'un

programa informàtic, els paràmetres concentrats del circuit magnètic equivalent per al

generador s'utilitzen en el càlcul electromagnètica. El té com a objectiu obtenir dades precises

de disseny i predicció de rendiment de la màquina mitjançant l'ús d'aquest enfocament. Les

proves s’han realitzat per investigar el rendiment del generador. Segons els resultats de càlcul i

experiment, hi ha un bon acord entre els càlculs i mesures.

Conclusions: El paper descriu el disseny d’ aplicació d'un acoblament directe, de rotor exterior,

en un generador d'imants permanents per aerogeneradors. Es va construir i provar amb una

màquina prototip. Observem que un generador d’imants permanents de 20 kW, fet en aquesta

construcció, es pot acoblar fàcilment amb la turbina de vent i funciona de forma fiable en un

motor dièsel independent del sistema de generació híbrid. La discussió dels paràmetres

essencials d'aquest model de màquina pot ser determinada utilitzant mètodes computacionals

i experimentals presentats en aquest treball. L'acord raonable entre els computats i els

resultats mesurats exhibeix la disponibilitat dels enfocaments.


11

Il·lustració del prototip:

Figura 1

Figura 2

Figura 1: Disseny del rotor exterior.

Figura 2: Generador d’imants permanents de 20 kW.


12

[2] Títol de l’article: Design and FE Analysis of an Outer-Rotor PM Generator for Directly –

Coupled Wind Turbine Applications.

Autor o Font: Jian Yi Chen i Chem Nayar.

Universitat: Centre for Renewable Energy Systems Technology. Curtin University of

Technology, Perth.




Continguts: Aquest article presenta el disseny i l'anàlisi amb el mètode d’elements finits d'un

generador d’imants permanents (PM) amb imants de neodimi-ferro-bor per a l’aplicació de

l'energia eòlica amb turbines d’acoblament directe. Per aconseguir l'objectiu de mida petita i

pes lleuger amb una velocitat molt baixa per l'acoblament directe, s'aplica l’estructura del

rotor exterior. El símil magnètic de circuit equivalent s'utilitza per a la iteració del disseny

inicial, i el mètode d'elements finits aplicat a l'anàlisi de la característiques detallades. Les

proves experimentals van dur-se a terme per verificar les prediccions teòriques. Va ser assolit

un bona acord entre el treball teòric i resultats de les proves.

Conclusions: El generador d'imants permanents de rotor exterior descrit en el document

s'utilitza en generadors de diversos nombres de pols i en vent de baixa velocitat de conversió

de potència per a una aplicació autònoma. S'han desenvolupat i utilitzat per al disseny i

construcció dels principis de disseny i importants equacions per al rotor exterior, el generador

multipolar d'imants permanents d'un prototip on s’utilitza per elevades potències imants de

neodimi-ferro-bor.

Està comprovat que un generador d'imants permanents fets de tal construcció simple pot

operar amb un bon rendiment i fiabilitat en una ampla gamma de velocitats. Utilitzant el

programa de disseny directe per a la primera iteració i mètode d'elements finits per l'anàlisi

detallada i ajustament final, s'han assolit resultats satisfactoris. La bona concordança entre la

previsió teòrica i els resultats experimentals es demostra en l'exactitud dels disseny i

l'efectivitat de la metodologia.


13


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Vista axial de la secció del generador.

Figura 2: Secció transversal del generador

d’imants permanents.

Figura 3: Rotor exterior i muntatge del

generador d’imants permanents.


14

[3] Títol de l’article: A Low-Speed, High-Torque, Direct-Drive Permanent Magnet Generator

For Wind Turbines.

Autor o Font: W. Wu, V.S. Ramsden, T. Crawford i G.Hill.

Universitat: Diferents autors/Diferents universitats.




Continguts: Hi ha un mercat per als petits, eficient i rendible per a aerogeneradors de petites

xarxes i sistemes remots d’energia. Els generadors d'imants permanents d'accionament directe

pretenen arribar a ser molt atractius per a aquesta aplicació. En aquest treball es descriu les

millores aconseguides en un generador d'imant permanent amb rotor exterior d'accionament

directe mitjançant l'ús d'anàlisi d'elements finits i tècniques d'optimització. S'estudia el parell

d'arrencada del generador. Es presenta una rutina d'optimització per al disseny, incloent

l'anàlisi magnètic d'elements finits i el model tèrmic de paràmetres concentrats. Es construeix

un prototip de 20 kW i 211 rpm del generador. Els resultats de l'assaig amb una carrega

resistiva confirmen el funcionament satisfactori del generador. En comparació amb el prototip

anterior, el nou disseny té menor pes, menor parell d'arrencada i major eficiència.

Conclusions: El parell al dentat, la força contraelectromotriu, la reactància síncrona i les

pèrdues al ferro del aerogenerador d’accionament directe d'imants permanents vent es

calculat mitjançant un anàlisi d'elements finits. Combinat amb un circuit equivalent i un model

tèrmic de paràmetres concentrats, l’anàlisi dels resultats sota una càrrega resistiva es

presentat i validat per l'examen del prototip no optimitzat de 20 kW.

La rutina del disseny d'optimització va ser utilitzada per estudiar una àmplia gamma de

dissenys amb diferents nombre de pols, la laminació i diferent els materials magnètics. Es va

finalitzar i construir el disseny d'una màquina de 36 pols, que té un diàmetre major i menor

longitud axial que el prototip anterior. Els resultats de l'assaig amb una càrrega resistiva van

confirmar el funcionament satisfactori del generador. La seva massa activa és més petita, té un

parell inicial més baix, i és més eficient, en comparació amb el prototip anterior.


15


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Disseny del generador d'imants

permanents d'accionament directe.

Figura 2: Transmissió directa generador

muntat sobre el bastidor principal.

Figura 3: De transmissió directa del generador

a la torre.


16

[4] Títol de l’article: Investigation of Switched-Mode Rectifier for Control of Small-Scale Wind

Turbines.

Autor o Font: D.M. Whaley, W.L. Soong i N. Ertugrul.

Universitat: School of Electrical and Electronic Engineering, University of Adelaide, Adelaide.



Paraules clau: Wind turbines, small-scale, permanent magnet, machines, switched-mode,

rectifier, variable-speed, maximum power, constant power, speed limitation.

Continguts: Aquest treball investiga la idoneïtat i la prova experimental d'un convertidor de

potència senzilla per a un generador d'imants permanents per funcionar amb una petita escala

de velocitat variable la turbina eòlica. El controlador utilitza un rectificador de manera

commutat en conjunció amb un generador d'alta inductància que permet el parell generador i

el poder per ser controlat mitjançant el commutador per cicle. El controlador maximitza la

potència de sortida de les velocitats del vent per sota de classificació, i limita la velocitat de la

turbina per a velocitats de vent més grans. En aquest treball es presenten el dinamòmetre i els

resultats límit de la prova de vent de turbina.

Conclusions: En aquest treball es va examinar l'aplicació d'un generador d'alta d'inducció PM

amb un rectificador del tipus commutat (SMR) d'una turbina de vent petita de 400W. El

generador d'alta inductància tenia un corrent de curtcircuit que era igual al seu corrent

nominal. L'objectiu va ser investigar si el generador de PM / SMR combinació que compleix

amb els requisits de turbines eòliques de maximitzar la potència de sortida a baixes velocitats

del vent, i la limitació de la velocitat de la turbina a una velocitat de vents forts.

El generador ha estat provat en dos bancs de proves, un dinamòmetre i una turbina de vent.

En les proves del dinamòmetre, el generador va ser provat fins a 1000 rpm. Es va demostrar

que la potència màxima de sortida s'incrementa linealment amb la velocitat, fins a 600 Watts

amb una eficiència màxima relativament baixa d'aproximadament 65%. La potència de sortida

es maximitza en cada velocitat mitjançant el control de la SMR per cicle i per tant, la tensió del

generador eficaç. Les proves també va mostrar que el parell d'entrada del generador pot ser

controlat a través del cicle de treball.


17

Les proves de turbines de vent es limita a baixes velocitats del vent, de 4 m/s de fins a 5 m/s, a

causa de la facilitat de prova disponible i per tant l'operació només en una potència de sortida

molt baixa podria ser demostrada. Malgrat això, es van obtenir resultats de les proves que

demostren el potencial de l'ús de la SMR per controlar el generador de PN d'una petita turbina

de vent tant per a maximitzar la potència de sortida i el límit de velocitat de la turbina.


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Acció de l’enrotllador amb velocitats de vent creixents (d'esquerra a dreta):

a) Velocitat normal del vent - no enrotllador.

b) A partir (poc enrotllador).

c) Enrotllada completament.

Longituds dels vectors indiquen les velocitats relatives de vent.

Figura 2: Turbina de vent, el túnel de vent i la turbina. Diàmetre de la fulla de 1,8 m, l'obertura

del túnel de vent és d'1 m de diàmetre.


18

[5] Títol de l’article: Design of permanent-magnet generators for wind turbines.

Autor o Font: J.Rizk i M. Nagrial.

Universitat: School of Mechatronic, Computer and Electrical Engineering, University of

Westem Sydney, Nepean, Kingswood.


Data de creació: No s’especifica.


Continguts: A causa de la creixent disponibilitat de materials d'imants permanents,

especialment Nd-Fe, hi ha hagut molt interès amb els estudis d'alta eficiència en generadors

de vent d'imants permanents. El present treball es proposa traçar el disseny i l’anàlisi del

generador d'imants permanents. El generador que s’utilitza és un generador de 8 pols

d'imants permanents de potència nominal 5 kW i ús de “NdFeB” per al camp excitació. També

es presenten els detalls dels imants permanents del generador.

Conclusions: En aquest treball es va analitzar un aerogenerador d'imants permanents

mitjançant el mètode d'elements finits. Els resultats de la simulació s'utilitzen en la fabricació

de la màquina. La configuració de la màquina fabricada és també el que es mostra. Els resultats

inicials preliminars mostren el comportament predit per l'anàlisi d'elements finits.


19


Figura 1

Figura 2

Figura 1: a) Secció transversal del aerogenerador.

b) Flux de distribució.

Figura 2: Especificacions del generador prototip.


20

2.2 Corea

Llegenda:

(1) Department of Electrical Engineering, Hanyang University, Seoul.

(2) Department of Motor Development, LG Innotek Co., LTD, GwangJu.

(3) Department of R&D, SPG Co., LTD, Inchon.

(4) Department of Electrical Engineering, Dongguk University, Seoul.

(5) School of Electrical Engineering and Computer Science, Seoul National University, Seoul.

(6) Department of Electrical Engineering, Dong-A University, Busan.

(1), (4), (5)

(2)

(3)

(6)

(7), (8), (9)

(10), (11)

(11)


21

(7) Electric Motor Research Center, Industry Applications Research Division, Korea

Electrotechnology Research Institute, Changwon.

(8) Department of Electrical Engineering, Kyungnam University, Changwon.

(9) Motor Laboratory, Energy Components Division, LG Electronics Inc., Changwon.

(10) Chungnam National University, Daejeon.

(11) Chungnam Provincial Cheongyang College, Chungcheongnam-do.

(12) Doosan Heavy Industries and Construction, Daejeon.


22

[1] Títol de l’article: 3 MW class offshore wind turbine development.

Autor o Font: Jiwoong Park, Jeongil Kim, Youngho Shin, Jeonghoon Lee i Jongpo Park.

Universitat: Doosan Heavy Industries and Construction, Daejeon, Republic of Korea.

País editor: Corea.

Data de creació: 11 Novembre 2009.

Paraules clau: Offshore wind turbine, RAMS,COE, WinDS3000, Innovative drive train.

Continguts: Aquest article presenta el disseny i desenvolupament d'un aerogenerador de

3MW de la classe d’alta mar (WinDS3000).

El disseny s'ha realitzat tenint en compte una alta fiabilitat, disponibilitat, mantenibilitat i

capacitat de servei (RAMS) per al vent de classe “TC Ia”. S'ha introduït un disseny del tren

d'impulsió integrat, que compta amb una innovadora caixa del canvi de tres etapes, per

minimitzar el pes gòndola de l'aerogenerador i per millorar una alta fiabilitat per a la

transmissió. S'ha introduït un generador d'imants permanents (PMG) amb el convertidor

completament nominal per la seva major eficiència en l'operació de càrrega parcial, pel que fa

a la xarxa d’ús, i es pot adaptar a qualsevol connexió a la xarxa de 50 Hz o 60 Hz. S’ha adoptat

un control regulat de camp variable en la velocitat d'alimentació, amb el sistema de camp

individual, per regular parell de rotor mentre que el parell generador de reacció es pot ajustar

gairebé instantàniament per l'electrònica de potència associada. S'espera que la càrrega de la

fulla i el sistema es pot reduir mitjançant l'ús del control individual del camp. La turbina de

vent també ha estat equipada amb condicions de monitoratge i sistemes de diagnòstic per tal

d'assolir els requisits de manteniment.

Conclusions: Aquest treball presenta els resultats del disseny conceptual de WinDS3000 en

l'etapa actual de desenvolupament. El disseny conceptual s'ha realitzat tenint en compte

l’elevat RAMS i el baix COE per a la condició de vent “TC Ia”. S’ha introduït un disseny de la

unitat del tren integrat per reduir al mínim el nivell de deformació i perquè sigui compacte en

la transmissió. S'ha introduït un generador d'imants permanents amb els convertidors de

potència total per la seva major eficiència en l'operació de càrrega parcial i facilitar l’eficiència

en la connexió de la xarxa. S’ha adoptat un pas regulat de control variable de velocitat

d'alimentació amb control del sistema de camp individual, i després s'espera que la càrrega de

la fulla i el sistema es puguin reduir.


23

Actualment, WinDS3000 arriba a l'etapa final de muntatge i a la fabricació d'alguns

components. Un cop muntats tot els components de la gòndola, es durà a terme la prova de

funcionament. S’ha escollit per al tipus de certificació del prototip de WinDS3000 l'illa de Jeju a

l'agost de 2009. Tenint en compte el concepte del disseny presentat, s’espera que WinDS3000

es desenvolupi amb èxit i jugui un paper important en el mercat de l'energia eòlica a Corea i a

tot el món.


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Fulla de forma i estructura laminada..

Figura 2: Disposició de la Góndola WinDS3000.


24

[2] Títol de l’article: Rotor-Design Strategy of IPMSM for 42 V Integrated Starter Generator.

Autor o Font: Jang-Ho Seo, Sung-Min Kim i Hyun-Kyo Jung.

Universitat: School of Electrical Engineering and Computer Science, Seoul National University,

Seoul.


Data de creació: 19 Maig 2010.

Paraules clau: AT-MGPSO, integrated starter generator (ISG), interior permanent magnet

synchronous machine (IPMSM), mechanical stress, optimal design.

Continguts: En aquest treball es proposa una estratègia de disseny òptim per la màquina

síncrona (IPMSM) amb imants permanents interiors tenint en compte les diverses limitacions

en el disseny de 42V del generador d'arrencada integrat (ISG). Des del procés òptim

convencional es necessita molt temps de càlcul per veure les limitacions, com ara l’alt parell

d'arrencada i la elevada generació d’energia a la màxima velocitat. Es per això que s’adopta un

algoritme d'optimització com a AT-MGPSO, amb l’avantatge especial que es pot buscar de

manera eficient els pics superiors en el problema multimodal a curt temps. A més, per tal de

fer front a la tensió mecànica al rotor, per la força centrífuga a la velocitat màxima, es van

combinant la mecànica d’anàlisi de tensió amb el procés de disseny òptim. La validesa dels

mètodes proposats es va verificar mitjançant la comparació de resultats de la simulació amb

les dades experimentals.

Conclusions: En aquest treball, es presenta un procés de disseny òptim de la IPMSM combinat

amb l'anàlisi de la tensió mecànica. A través del disseny òptim de l'estratègia proposada, és

possible integrar cada anàlisi en el programa d'optimització, en paral·lel com una subrutina i

així predir l'estabilitat mecànica en el disseny de la primera etapa. El mètode proposat s'aplica

al disseny òptim de IPMSM el 42 ISG V.

Mitjançant la comparació de la simulació i els resultats experimentals, és verifica la validesa de

procés de disseny.


25


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Variables de disseny per a la optimització de IPMSM.

Figura 2: Prototip de màquina manufacturada (rotor, estator, aparença).

Figura 3: Distribució de la tensió a la velocitat màxima.


26

[3] Títol de l’article: Electromagnetic Performance Analysis of Wind Power Generator With

Outer Permanent Magnet Rotor Based on Turbine Characteristics Variation Over Nominal

Wind Speed.

Autor o Font: Kyoung-Jin Ko, Seok-Myeong Jang, Ji-Hoon Park, Han-Wook Cho i Dae-Joon You.



Data de creació: 2011

Paraules clau: Magnetic losses, performance analysis, permanent magnet wind power

generation.

Continguts: En aquest treball, investiguem el comportament dels generadors electromagnètics

d'energia eòlica amb els rotors exteriors d'imants permanents sobre la base de la turbina

variant les característiques de la velocitat del vent nominal mitjançant l'ús de diverses

tècniques analítiques proposades. Hem utilitzat un mètode analític electromagnètic per al

càlcul dels paràmetres elèctrics, com ara força contraelectromotriu constant, la inductància

sincrònica, i resistència de la fase sobre la base de la distribució del camp magnètic calculat en

estudis anteriors. A més, la corba de mètodes d'elements finits de muntatge s'han utilitzat per

al nucli d'anàlisi de pèrdues, mentre que el model “d-q” emprant el teorema de transformació

de coordenades s'ha utilitzat per analitzar actuacions de generació. Per validar les tècniques,

es van comparar els resultats de rendiment obtinguts amb els mètodes d'anàlisi amb els

obtinguts per muntatges experimentals. A més, es proposa optimitzar les característiques dels

aerogeneradors per al nostre model a partir dels resultats d'anàlisi electromagnètics obtinguts

tenint en compte tres tipus de característiques de la turbina.

Conclusions: En aquest treball, hem investigat el comportament dels generadors

electromagnètics d'energia eòlica amb rotors exteriors PM sobre la base de les variacions en

les característiques de la turbina a més de la velocitat del vent nominal. S'han proposat

diverses tècniques analítiques, com ara un mètode analític electromagnètic, el mètode d'ajust

de corba, MEF, i el model “d-q” per a anàlisi de rendiment de generació. Els resultats de

rendiment obtinguts per la proposta tècnica analítica han estat validats mitjançant la

comparació dels resultats de muntatge experimental. De les solucions d'anàlisi obtingudes,

hem demostrat la importància i la necessitat de dur a terme anàlisis de rendiment sobre la

base de les característiques de la turbina, en especial, les variacions de les característiques de


27

la turbina, així com també la velocitat del vent nominal durant la fase de disseny inicial de la

PMG per als sistemes d'energia eòlica.


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Prototip per a l'avaluació de l'acompliment electromagnètic.

Figura 2: Arranjament experimental.


28

[4] Títol de l’article: Eddy-Current Calculation of Solid Components in Fractional Slot Axial Flux

Permanent Magnet Synchronous Machines.

Autor o Font: Jian Li, Da-Woon Choi , Chang-Hum Cho, Dae-HyunKoo, i Yun-Hyun Cho.



Data de creació: 23 Setembre 2011.

Paraules clau: Analytical analysis, axial flux permanent magnet machine (AFPM), eddy-current,

fractional-slot concentrated winding (FSCW), time-stepping 3D FEA.

Continguts: Aquest estudi consisteix en investigar els corrents de Foucault al flux axial de la

màquina d'imants permanents (AFPM), que consisteix en la segmentació de les dents de

l'estator i el debanament concentrat, amb un rotor intern i estators dobles. Els mètodes

d'anàlisi van ser desenvolupat per calcular les pèrdues dels corrents de Foucault en màquines

d’imants permanents i altres components sòlids, inclòs l'efecte dels harmònics de la bobina i la

variació de la permeabilitat a causa de l'obertura de la ranura. Les pèrdues pels corrents de

Foucault van ser analitzades pel temps pas a pas amb l’anàlisi tridimensional d'elements finits

(FEA 3D) amb els dos models de rotor, quan els imants estan aïllats.

Basat en els resultats de l'anàlisi, es crea un prototip de màquina, que es va assajar com un

generador. Es troba que el rotor d’acer inoxidable PM ha de ser utilitzat per tal de reduir les

corrents parasitaries. A més, l'aïllament redueix encara més les pèrdues per corrents paràsits.

Conclusions: En aquest document s'han investigat les pèrdues pels corrents de Foucault en

generadors FSCW AFPM dissenyats per les turbines eòliques. El mètode analític es va

desenvolupar per calcular de les pèrdues pels corrents de Foucault en generadors d’imants

permanents, enfront de la velocitat en la condició sense càrrega. S’investiguen els dos models

de rotor, un té imants permanents inserits en el suport d'acer inoxidable i l'altra té els imants

permanents muntats en la superfície, en el cas de que aquets estiguin aïllats o no.

Per les pèrdues dels corrents de Foucault es calculen amb el temps pas a pas en 3D FEA, en

components sòlids com el cas d’imants permanents, imants permanents d'acer inoxidable i

rotor de ferro. Les pèrdues dels dos rotors es van comparar, i es va concloure que amb el cas

dels imants permanents d’acer inoxidable que s'han d'utilitzar per tal de reduir corrents de


29

Foucault. L'aïllament dels imants permanents redueix encara més les pèrdues per corrents de

Foucault per aquest tipus de màquina.


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Estructura del interior del rotor del tipus AFPM.

Figura 2: Estructures de rotor de AFPM: (a) Rotor amb el d'acer inoxidable PM. (b) Rotor amb

canesú del darrere de ferro.

Figura 3: Fotos del prototip.


30

[5] Títol de l’article: Electromagnetic Structural Design Analysis and Performance

Improvement of AFPM Generator for Small Wind Turbine.

Autor o Font: Tae-Uk Jung i Jun-Seok Cho.



Data de creació: 20 Desembre 2011.

Paraules clau: Small wind turbine generator, AFPM generator, pole-arc ratio.

Continguts: Els generadors d'imants permanents (AFPM) de camp axial s'apliquen àmpliament

per a la petita turbina de vent a causa de la major densitat de potència per unitat de pes en

comparació amb la del generador de camp radial convencional. Aquesta, és causada pel rotor

en forma de disc i les estructures de l'estator. El generador utilitza generalment AFPM o

generador AFER-NS, que es compon de rotors exteriors als laterals i dos estators no ranurats

sense nucli. No obstant això, la tensió de sortida i la potència de sortida estan limitades per la

reticència en gran part per les trajectòries dels llargs fluxos a l’entreferro.

En aquest treball, es porta a terme l'estudi de disseny del generador AFIR-S que ha de tenir

dues cares del nucli ranurat de l'estator per millorar les característiques de generació a la

sortida. S'estudien l'anàlisi del disseny electromagnètic i la millora del disseny del generador

AFIR-S suggerit. En primer lloc, l'anàlisi de disseny electromagnètic es va fer per augmentar la

densitat de potència. En segon lloc, les optimitzacions de disseny del rotor es duen a terme per

augmentar la potència de sortida i per reduir el parell al dentat. Finalment, les actuacions de

sortida de AFER-NS i generador AFIR-S, es comparen entre si. Per a aquest estudi, s'aplica el 3D

FEA per a l'anàlisi de disseny, ja que s’observen les tres estructures dimensionals

electromagnètiques.

Conclusions: Aquest treball presenta els resultats de l'anàlisi de disseny amb el 3D elements

finits i els resultats de la comparació del rendiment dels dos tipus de generadors AFPM.

En aquest estudi de disseny, es suggereix una nova estructura de generador AFIR-S que pot ser

dissenyat per tenir una major densitat de potència de sortida per unitat de dimensió de volum

i una major eficiència en comparació amb el generador convencional AFER-NS.


31


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 1: Forma bàsica de a) AFER-NS i

b) AFIR-S.

Figura 2: Configuració dels debanats:

de a) AFER-NS i b) AFIR-S.

Figura 3: Trajectòria del flux de a) AFER-NS

i b) AFIR-S.

Figura 4: Models d’anàlisi de a) AFER-NS i

b) AFIR-S.

Figura 5: Els prototips de generadors AFER-

NS i AFIR-S que tenen el mateix volum

electromagnètic.


32

[6] Títol de l’article: Analysis on the Direct-Driven High Power Permanent Magnet Generator

for Wind Turbine.

Autor o Font: Ki-Chan Kim, Seung-Bin Lim, Ki-Bong Jang, Sung-Gu Lee, Ju Lee, Yeoung-Gyu Son,

Young-Kil Yeo, Soo-Hyun Baek.





Continguts: En aquest treball s’ha dissenyat el generador síncron d'imants permanents de

1,5MW de potència de sortida que és impulsat directament sense sistema d'engranatges pel

mètode convencional del circuit magnètic equivalent. S’ha analitzat pel mètode d'elements

finits per a la verificació del disseny.

S’han analitzat les característiques del generador sense càrrega, amb càrrega nominal, amb

condició de curt circuit i amb la desmagnetització dels imants permanents. Els últims, els

resultats de les anàlisis de dos classes de tipus de rotor es comparen entre si. Especialment

s'examina el THD (distorsió harmònica total) de la tensió de sortida per a la comparació.

Conclusions: En aquest treball, s’ha dissenyat el generador síncron d'imants permanents de

1,5 MW que és accionat directament sense sistema d'engranatges pel convencional del circuit

magnètic equivalent i s’ha corregit pel mètode d'elements finits per tal de verificar el disseny.

Es van analitzar les característiques de PMSG com sense càrrega, la càrrega nominal, condició

de curt circuit. Els últims, els resultats de les anàlisis de dos tipus de rotors (superfície imant

permanent i tipus de sabates de pols coberts) es comparen amb els altres. Per tant, es

selecciona el millor en el disseny de PMSG, impulsat pel vent turbina.


33


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Tipus convencional amb sistema d’engranatges (estructura del sistema de turbina de

vent).

Figura 2: Accionament directe basat amb el tipus de generador d’imants permanents

(estructura del sistema de turbina de vent).

Figura 3: Model de PMSG d’1,5 MW de turbines eòliques amb impulsió directa.


34

2.3 Nova Zelanda

Llegenda:

(1) Department of Mechanical Engineering, Private Bag, The University of Auckland, Auckland.

(2) Department of Electrical and Computer Engineering, Private Bag, The University of

Auckland.

(1), (2)


35

[1] Títol de l’article: Calculation of AC Loss in an HTS Wind Turbine Generator.

Autor o Font: Mike Fee, Michael P. Staines, Robert G. Buckley, Peter A. Watterson, and Jian

Guo Zhu.

Universitat: No s’especifica.

País editor: Nova Zelanda.

Data de creació: 2 Juny 2003.

Paraules clau: AC generators, high temperature superconductors, losses, modeling.

Continguts: Per tal d’aconseguir un menor cost de l’energia, s’ha fet una classificació de

l’alimentació típica dels grans aerogeneradors ja que han augmentat constantment en els

últims anys. No obstant això, els generadors de multi-megawatts amb el pes del pal superior a

més de 100 tones, tenen una instal·lació es fa cada vegada més costosa i difícil. Els dissenys de

turbines d’accionament directe han donat un pes significatiu i una reducció de costos. Hem

desenvolupat un disseny per un generador de pes lleuger amb flux transversal d'accionament

directe amb una qualificació de 2 MW. El disseny té un rotor multi-pols d'imants permanents

amb una sola bobina a l’estator d’HTS d'entre 4 i 6 m de diàmetre per a cada fase. Com a

conseqüència d'aquest enfocament de disseny, el conductor d’HTS està exposat a camp de

fuga dels imants i al l'auto-camp del corrent generat.

La magnitud de les pèrdues associades amb aquests camps variables de temps és crucial per a

la viabilitat del concepte de generador HTS. El disseny de l'estator busca minimitzar l'exposició

de la cinta HTS a camps magnètics alterns perpendiculars a la cara de la cinta per tal de reduir

la pèrdua de CA en les bobines de l'estator a un nivell acceptable. Per a un funcionament

bobinat a 50 Hz, la pèrdua total de CA es calcula com 15,1 W/m. Així, les pèrdues de CA dins de

cadascuna de les tres bobines 6 m de diàmetre HTS globals d'un generador de 2MW seria de

285W. La càrrega tèrmica per al sistema criogènic del generador de 2MW s'estima que un total

de 936W, amb la majoria (90% ) a causa de la pèrdua de CA. Suposant una potència específica

de 20, l'energia necessària per refredar el generador 2MW representa menys del 1% de la

producció total.

Conclusions: Hem estimat la pèrdua de CA en les bobines de l'estator d'un generador de 2MW

de flux transversal utilitzant una tècnica de modelatge basada en el càlcul auto-consistent de la

distribució del flux de corrent i magnètic en una matriu de 2-D dels conductors HTS descrit per

una empírica relació E-J-B. La precisió del mètode i de la parametrització dels conductors HTS


36

s’han confirmat per crítics mesuraments de les pèrdues del CA en un gir de la bobina de 16. A

menys d'1% de la sortida del generador, el cost de l'energia de la bobina d'estator té pèrdues

de CA però no és un seriós obstacle per a la realització d'un generador d'alta eficiència.

L'eficiència es podria esperar a ser major a nivells de potència per sota de l'índex 2MW, a

causa de l'absència de pèrdues d'excitació en el rotor d'imants permanents i la dependència de

la intensitat al cub típica de pèrdues de corrent altern en auto-camps. En condicions de poc

vent, el que pot prevaler la majoria del temps, és que les turbines eòliques poden operar molt

per sota de la seva potència nominal.

L'objectiu del baix pes també s'aconsegueix amb aquest disseny, amb un pes estimat del

generador actiu de poc més de 6 tones, enfront d'un pes típic de gòndola de 70 tones per a les

turbines eòliques convencionals de 2 MW. També es va avaluar un disseny similar utilitzant un

conductor de coure a l'estator, per tal d’aconseguir l'eficiència aproximadament equivalent i el

pes, de manera que l'ús de conductors HTS no proporciona un avantatge significatiu respecte

al coure en aquest tipus de generador. Essencialment, l'ús de ferro C-nuclis i els imants

permanents imposa un límit a la densitat de potència assolible de manera que la mida de la

màquina no es pot reduir significativament mitjançant l'ús de HTS. El disseny amb conductor

de coure està experimentant un major desenvolupament.


37


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Detall que mostra un sol pol de l'estator i rotor. El rotor consta d'un anell de suport

de ferro (A) a les quals s'adhereixen una sèrie de les “rare earth” com a imants permanents (B).

L’estator es compon d'un circuit de ferro estacionari compost de nuclis en forma de C (C) que

proporcionen un circuit de baixa reluctància magnètica que minimitza el flux en la bobina HTS

global (D).

Figura 2: Secció transversal esquemàtica a través de la bobina HTS global (no a escala). Les

piles de cintes HTS (A) estan muntats dins d'un embolcall de buit (B), en un tub de circulació

criogènic (C).


38

[2] Títol de l’article: The concept of a smart wind turbine system.

Autor o Font: R.N. Sharmaa i U.K. Madawalab.


País editor: Nova Zelanda.

Data de creació: 7 de setembre del 2011.

Paraules clau: Wind power, variable length blade, smart wind turbine.

Continguts: Es va analitzar el concepte d'aerogenerador intel·ligent amb fulles de longitud

variable i un innovador sistema de conversió d'energia híbrid mecànic-elèctric. El concepte de

longitud de la làmina variable utilitza la idea d'ampliar els àleps de la turbina quan la velocitat

del vent cau per sota del nivell nominal, per tant, augmentar l'àrea d'escombrat, i el

manteniment d'una potència relativament alta. En un emplaçament típic es mostra que la

producció anual d'energia d'una turbina de vent, que podria duplicar la seva longitud de la

fulla, podria ser el doble que la d'una turbina que correspon amb les fulles de longitud fixa. Des

d'un anàlisi de cost, es mostra que el concepte seria factible si el cost del rotor es pot mantenir

a menys de 4,3 vegades el cost d'un rotor estàndard amb fulles de longitud fixa. Atès que el

sistema de turbina de full de longitud variable exhibeix una més o menys corba lineal de

potència màxima, en oposició a una corba no lineal per a la turbina estàndard, va ser proposat

i assajat un innovador sistema de conversió d'energia híbrid mecànic-elèctric per demostrar la

viabilitat del concepte.

Conclusions: Ha estat analitzat el concepte d'una turbina de vent amb les fulles de longitud

variable mitjançant un model matemàtic basat en la teoria d'element de pala i impuls. Es

mostra que per a un lloc típic, la producció anual d'energia d'un aerogenerador és gairebé el

doble que la d'una turbina que correspon amb les fulles de longitud fixa, on el diàmetre

gairebé es podria duplicar. Des d'un anàlisi de cost simplificat, es conclou que el concepte seria

factible si el cost del rotor es pot mantenir a menys de 4,3 vegades el cost d'un rotor estàndard

amb fulles de longitud fixa. Atès que el sistema de turbina de full de longitud variable exhibeix

una més o menys corba lineal de potència màxima en comparació amb una corba no lineal per

a la turbina estàndard, s'ha proposat una innovador sistema de conversió de potència híbrid

mecànic-elèctric. La viabilitat tant del concepte “SmartBlade” com del innovador sistema de

conversió d'energia ha estat verificat experimentalment utilitzant un prototip de sistema de

generador accionat per un emulador de la turbina eòlica de 1,5 kW. L'evidència experimental


39

en diferents condicions d'operació amb el seguiment de màxima potència s'han presentat per

demostrar que el sistema de turbina “SmartBlade” és una proposta atractiva per a les petites

aplicacions a gran escala d'energies renovables.


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Anàlisi de la turbina de vent

utilitzant el mètode dels elements del full.

Figura 2: El XL1 Bergey.

Figura 3: El costum construït 1,5 kW

generador d'AM de la turbina eòlica

SmartBlade.


40

2.4 Tailàndia

Llegenda:

(1) Faculty of Engineering, King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok.

(2) Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Phra Nakhon, Bangkok.

(3) Dept. of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Siam University, Bangkok.

(1), (2), (3)


41

[1] Títol de l’article: Design and Construction of a Three Phase of Self-Exited Induction

Generator.

Autor o Font: B. Sawetsakulanond, P. Hothongkham i V. Kinnares.


País editor: Tailàndia.


Paraules clau: Induction generator, self-excited.

Continguts: En aquest treball es proposa el disseny i la construcció d'un generador d'inducció

autoexcitat (SEIG) trifàsic, 220/380 V, 3.4/2.0 A, connexió Δ/Y, 4 pols, 0,75 kW. L’anàlisi del

disseny del SEIG es realitza per mitjà del mètode d'elements finits. El disseny del SEIG ha estat

provat i comparat amb un SEIG estàndard sota diferents condicions d'operació com ara sense

càrrega i en càrrega, o bé, amb càrrega resistiva pura. Considerant la capacitància per al SEIG

basat en el model de circuit equivalent, es donen les condicions de càrrega en estat estable i el

diagrama de flux de potència. Els resultats de la recerca poden servir d'orientació per al

desenvolupament eficaç de generadors eòlics d'inducció per a la generació d'electricitat.

Conclusions: D'acord amb el disseny i construcció del SEIG, els resultats experimentals dels

assajos en buit i en càrrega mostren les condicions característiques d'idoneïtat per a l'energia

eòlica la següent manera:

· Alt rendiment: El disseny SEIG consisteix en tenir les pèrdues principals baixes als debanats i

també al nucli. El disseny SEIG té la capacitat d’augmentar la generació d'electricitat.

· Reglament de Baixa Tensió: El SEIG dissenyada té una baixa regulació de la tensió en càrrega.

Requereix valors menors de condensadors per a la regulació del terminal de tensió.

· La tensió en els borns del SEIG dissenyat ofereix gairebé la forma d'ona sinusoïdal. Això

significa que la qualitat de l'energia és bona.

· Regulació de baixa freqüència. El SEIG dissenyada té una variació baixa de la freqüència de la

tensió del terminal durant la càrrega.

· Els valors dels condensadors són baixos per a la SEIG dissenyat. Això significa una millora en la

mida del condensador requerit per a l'energia eòlica d'inducció. El cost és redueix per al cas de

l'energia eòlica aïllada d'inducció.


42


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Generador d'inducció autoexcitat impulsat per l'energia eòlica.

Figura 2: El funcionament de les màquines d'inducció.

Figura 3: Construcció del generador SEIG.


43

[2] Títol de l’article: Design, analysis, and construction of a small scale self-excited induction

generator for a wind energy application.

Autor o Font: B. Sawetsakulanond, V. Kinnares.

Universitat: Dept. of Electrical, Faculty of Engineering King Mongkut’s Institute of Technology

Ladkrabang, Bangkok.



Paraules clau: Self-excited induction generator, Generator design, Finite element analysis,

Wind energy.

Continguts: Aquest document proposa el disseny, anàlisi i construcció d'un generador trifàsic,

de 0,75 kW, 220/380 V, 3.4/2.0 A, connexió Δ/Y, 4 pols, SEIG (generador d'inducció

autoexcitat) basat amb les regles empíriques.

El disseny SEIG ofereix una major eficiència i qualitat d'energia. El disseny té en compte un

efecte de biaix i la qualitat d'energia. El 2D-FEA (2 dimensions d'elements finits anàlisi)

s'utilitza per considerar pèrdues en el nucli, la densitat de flux i els paràmetres del circuit del

disseny SEIG.

El SEIG dissenyat ha estat provat i comparat amb un SEIG estàndard sota diferents condicions

d'operació en termes d'eficiència i qualitat de l'energia.

La consideració de la capacitància per al SEIG, està basat en l'estat estacionari del model del

circuit equivalent i amb un diagrama de flux que també ens la dóna.

Els resultats de la recerca poden ser les directrius i recomanacions per al desenvolupament de

petits generadors eòlics d'inducció per a la generació elèctrica efectiva.

Conclusions: Aquest document s’ha ocupat del disseny, l’anàlisi i la construcció d’un petit SEIG,

emprant les regles empíriques juntament amb un anàlisi finit d’elements per tal de millorar la

qualitat i l’eficiència de l’energia.

Els paràmetres, les pèrdues al nucli i la distribució del flux magnètic, s’han determinat per

l’anàlisi d’elements finits amb 2D. Els càlcul de les pèrdues al nucli es comparen amb els

resultats experimentals. Aquests estan ben d’acord.


44

L’anàlisi proposat de la separació de condensadors per al subministrament de la potència

reactiva al SEIG, per a la regulació de la tensió en els terminals, s’inclou per a l’ús en la

protecció i el simple control dels Var.

El procediment de disseny i recomanacions proposades poden beneficiar als investigadors i

dissenyadors.

D’acord amb el càlcul i els resultats experimentals s’han han mostrat les característiques de la

idoneïtat del SEIG dissenyat per a un vent de petita escala sistema de conversió d’energia en

zones rurals. Les actuacions dels SEIG dissenyats han complert els objectius.


Figura 1 Figura 2

Figura 3

Figura 1: Estator.

Figura 2: Rotor.

Figura 3: Generador d’inducció auto-excitat impulsat per la energia eòlica.


45

[3] Títol de l’article: Design and Construction of Axial Flux Permanent Magnet Generator for

Wind Turbine Generated DC Voltage at Rated Power 1500 W.

Autor o Font: P. Wannakarn, T. Tanmaneeprasert, N. Rugthaicharoencheep (membres IEEE) i S.

Nedphograw.

Universitat: Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Phra Nakhon,

Bangkok.



Paraules clau: Permanent magnet, Axial flux, Wind turbine.

Continguts: Aquest treball presenta el disseny de màquines d’imants permanents (PM), com

ara el flux magnètic axial permanent al generador per a una turbina eòlica que genera voltatge

amb corrent continu en base als requisits de rendiment.

No obstant això, recentment s’ha desenvolupat els materials rars de posta a terra amb imants

permanents i els dispositius l’electrònica de potència han despertat interès amb els

generadors de topologies alternatives. Aquests es poden utilitzar per a produir tensió de

l’energia eòlica amb un circuit rectificador que converteix el corrent altern a corrent continu.

En les proves preliminars l’entrada d’energia mecànica s’ha conduit a un rotor com proposta

de generador. En aquest treball proposem un generador que pot canviar l’energia mecànica en

energia elèctrica. Aquest generador conté unes barres que mouen els imants permanents amb

relació al flux magnètic generat per les bobines de compensació amb els components de

l’estator bobinat.

Els resultats mostren que el corrent continu de sortida és més potent en funció de la velocitat

del rotor del generador en diferents aplicacions. Aquests beneficis es presenten degut al ús del

generador d’imants permanents de flux axial amb generació de corrent continu a una potència

nominal de 1500W.

Conclusions: Aquest document ha mostrat un generador de flux axial d’imants permanents de

la turbina de vent. En les proves preliminars es subministra l’entrada de l’energia mecànica per

conduir al rotor del generador a poder transformar l’energia mecànica en energia elèctrica.


46

Els resultats mostren que la tensió de sortida té una relació directa amb la velocitat del rotor, i

també la potència de sortida davant la velocitat del rotor del generador en varies aplicacions.

La velocitat del rotor a 1000 rpm produeix un corrent continu igual a 189.0 V, el corrent de

sortida és de 7.94 A i la potència és igual a 1500 W quan està connectat a una carga resistiva.


Figura 1 Figura 2

Figura 3

Figura 1: Generador d’imants permanents de flux axial amb dos rotors i un estator.

Figura 2: Bobines de l’estator del generador d’imants permanents de flux axial.

Figura 3: Muntatge del generador d’imants permanents de flux axial.


47

2.5 Turquia

Llegenda:

(1) Istanbul Technical University, Department of Electrical Engineering, Ayazaga Campus,

Maslak/Istanbul.

(1)


48

[1] Títol de l’article: Technological and economical analysis of salient pole and permanent

magnet

synchronous machines designed for wind turbines.

Autor o Font: Tayfun Gündogdu i Güven Kömürgöz.

Universitat: Istanbul Technical University ,Department of Electrical Engineering, Ayazaga

Campus, Maslak/Istanbul.

País editor: Turquia.


Paraules clau: Permanent magnet, synchronous machines design, rare-earth market, wind

energy, FEM.

Continguts:

Les restriccions xineses a l'exportació fa reduir la fiabilitat de planificació de les inversions en

turbines de vent d'imant permanent. Avui en dia la producció d'imants permanents consumeix

la major proporció d'elements “rare earth”, amb un 40% d’aquests imants utilitzats per als

generadors i altres aparells elèctrics. El cost i disponibilitat dels imants de NdFeB determina

probablement la taxa de producció de generadors d'imant permanent. L’alta volatilitat dels

metalls de “rare earth” fa que sigui molt difícil citar un preu. Els preus també varien segons el

proveïdor a una mesura de fins a 50% per la mateixa mida, forma i quantitat amb una petita

diferència en la qualitat.

El treball presenta l'anàlisi i la comparació dels pols sortints amb el debanament de camp i de

la liquidació de màquines elèctriques síncrones perifèriques, que presenten importants

avantatges. S'ha considerat un aliatge d'imant de neodimi a l’estructura del rotor i comparat

amb el cas del rotor sortint. El pol sortint síncrona de la màquina i la màquina sincrònica amb

imants permanents han estat dissenyades perquè els valors de la placa es mantinguin

constants. L'efecte de corrent paràsit en els debanats es té en compte durant el disseny, i es

van comparar l'eficiència, la potència de sortida i la densitat de flux en l'entreferro obtingut

després de la simulació. Els resultats de l'anàlisi indiquen clarament que el dissenys de les

màquines síncrones seria atractiu per a les empreses d'energia eòlica. A més, s'obtenen la

importància del disseny de màquines elèctriques i la determinació dels criteris. Aquest

document serà un recurs útil en termes d'avaluació i comparació de l'estructura bàsica i de les

característiques magnètiques de la màquina síncrona de pols sortints i la màquina síncrona


49

d'imant permanent. D'altra banda, es va dur a terme una anàlisi econòmica de les màquines

dissenyades.

Conclusions: En aquest estudi, es va fer un anàlisi general utilitzant SPSM i PMSM i els

resultats de l'anàlisi es van comparar en termes de topologia, la mida, el camp magnètic, flux

de entreferro, tensió, torsió, les pèrdues, el pes i l'eficiència. Després de l'anàlisi, s'entén que

l'eficiència de SPSM és menor la PMSM, mentre que SPSM és més econòmic en termes de

cost, i els circuits electrònics d'accionament utilitzats per controlar de màquines. Encara que

l'ús de PMSM pot ser avantatjós en aplicacions de potència més baixos, SPSM potser més

avantatjós que PMSM en aplicacions d'alta potència amb un factor de disseny millor. No

obstant això, si la tecnologia d'imant i semiconductors millora, la PMSM pot tenir avantatges

en els costos. Per tant, un millor disseny de les màquines elèctriques és molt important pel que

fa a l'eficiència de la màquina i l'ús eficient de l'energia.

Com a resultat, llevat que la demanda de PM disminueix a tot el món i Xina, que juga el paper

més important en la producció de PM i en el mercat, els canvis en les seves decisions sobre la

quota per l'exportació de PM, l'ús dels PM en el disseny està en desavantatge juntament amb

altres màquines PM. Per tant, aquest estudi mostra que per mitjà de generadors produïts amb

un disseny millor de la màquina i utilitzant PM en lloc de debanaments, l'energia neta es pot

generar de manera més barata i més eficientment. Si els superconductors amb preus

raonables es poden utilitzar en les màquines elèctriques, poden dissenyar generadors amb

pèrdues molt inferiors.


Figura 1


50

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Pols del rotor i les bobines.

Figura 2: Rotor de pols (PM) i bobinats de l’estator.

Figura 3: Vista general de les màquines dissenyades a) SPSM b) PMSM.


51

2.6 Xina

Llegenda:

(1) Department of Electrical and Electronic Engineering, University of Hong Kong, Hong

Kong.

(2) University of Shanghai Jiao Tong, Shanghai.

(3) School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing.

(4) School Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang.

(5) School of Mechanical and Electrical Engineering, Jiangxi University of Science and

Technology, Ganzhou.

(6) Department of Electrical Engineering, University Polytechnic of Hong Kong, Kowloon,

Hong Kong.

(7) University of Fudan, Shanghai.

(8) Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education, Tianjin

University, Tianjin.

(9)

(8)

(5)

(4)

(3), (17)

(2), (7), (10)

(1), (6)

(11), (13)

(12)

(14)

(15)

(16)


52

(9) Faculty Electrical Engineering, University of Zhejiang, Hangzhou.

(10) Department of Automation, Shanghai University, Shanghai.

(11) Dept. of Electric and information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan.

(12) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering, National Cheng Kung

University, Tainan.

(13) College of Electrical & Information Engineering, Hunan University, Changsha.

(14) College of Electrical Engineering, Chongqing University, Chongqing.

(15) Institute of Electric Power Engineering, Jilin City.

(16) College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumchi.

(17) Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing.


53

[1] Títol de l’article: A Novel Three-Phase Doubly Salient Permanent Magnet Machine for Wind

Power Generation.

Autor o Font: K. T. Chau, Ying Fan, Ming Cheng.


País editor: Xina.


Paraules clau: Doubly salient motors; permanent magnet machines; wind power generation.

Continguts: Aquest article presenta un nou model amb 3 fases, 12/8 pols dobles sortints

d’imants permanents (DCEP) en maquines per a l’aplicació de generació eòlica.

La clau està en dissenyar i analitzar la proposta del generador DCEP, per tal d’aconseguir una

densitat d’alta potència i robustesa, amb l’enginy de l’operació del sistema per a assolir una

alta eficiència.

Mitjançant l’ús de l’anàlisi d’elements finits, es donen propostes de generador amb les

característiques estàtiques. Per tant, l’avaluació del sistema d’actuacions es porten a terme

mitjançant simulació per ordinador. L’experimentació es dona també per a verificar la validesa

de les propostes del generador DCEP.

Conclusions: En aquest treball es presenta el disseny, l’analisi i la implementació d’un nou

generador de tres fases 12/8 pols DCEP.

Aquest generador DCEP té una estructura de màquina nova que pot oferir alta densitat de

potència, alta robustesa i baixa cost de manufactura. A més, els sistema de generació proposat

pot permetre un funcionament d’alta eficiència en amplis intervals de velocitat de càrrega del

corrent i el rotor. Tant la simulació per ordinador i resultats experimentals confirmen la

validesa de la màquina per a generació d’energia eòlica DCEP proposada.


Figura 1: Generador 3 fases 12/8 pols DSPM.


54

[2] Títol de l’article: A New Three-Phase Doubly Salient Permanent Magnet Machine for Wind

Power Generation.

Autor o Font: Ying Fan, K. T. Chau i Ming Cheng.

Universitat: The University of Hong Kong, Hong Kong.

País editor: Xina.


Paraules clau: Doubly salient motors, permanent-magnet (PM) machines, wind power

generation.

Continguts: Aquest article presenta una nova màquina trifàsica 12/8 pols dobles sortints

d'imants permanents (DCEP) per a l'aplicació de generació d'energia eòlica. La clau està en

dissenyar i analitzar el generador DCEP proposat, és a dir, el disseny d'una nova estructura de

màquina per aconseguir una densitat d'alta potència i alta robustesa, amb el dispositiu

d'operació del sistema per assolir una alta eficiència. Mitjançant l'ús de l’anàlisi d'elements

finits, es donen les característiques estàtiques de la proposta de generador. Per tant,

l'avaluació de les actuacions del sistema es porten a terme mitjançant simulació per ordinador.

L'experimentació és també donada per verificar la validesa del generador DCEP proposat.

Conclusions: En aquest s'han presentat el treball, el disseny, anàlisi i aplicació d’un nou

generador trifàsic DCEP 12/8 pols. Aquest generador DCEP proposat és una nova màquina que

té una estructura que pot oferir alta densitat de potència, robustesa, i baix cost de fabricació.

A més, el sistema generador proposat pot permetre una operació d'alta eficiència en amplis

intervals de velocitat de corrent de càrrega i el rotor. Tant la simulació per ordinador i els

resultats experimentals confirmen la validesa de la proposta de la màquina DCEP per a la

generació d'energia eòlica.


Figura 1


55

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Configuració del sistema.

Figura 2: Generador trifàsic 12/8 pols DCEP.

Figura 3: Distribució del camp magnètic utilitzant el mètode d’elements finits.

(a) Sense càrrega. (b) A plena càrrega.


56

[3] Títol de l’article: Design and Control of a PM Brushless Hybrid Generator for Wind Power

Application.

Autor o Font: K. T. Chau, Y. B. Li, J. Z. Jiang i Shuangxia Niu.


País editor: Xina.

Data de creació: 10 Octubre 2006.

Paraules clau: Finite element method (FEM), flux regulation, permanent magnet machine,

wind power generation.

Continguts: En aquest treball, es proposa i aplica una nova màquina híbrida sense escombretes

d’imants permanents per a la generació d'energia eòlica. L'originalitat és que un petit corrent

continu al debanat i un escurçament addicional estan incorporats a la màquina de manera que

el flux en l'entreferro pot ser efectivament reforçat o afeblit per mantenir en línia la tensió de

sortida constant al llarg del rang de velocitats de vent. Les característiques d'acoblament

inductiu i força electromotriu (FEM) sense càrrega es van analitzar mitjançant el mètode

d'elements finits (FEM), i aquests resultats concorden amb els d'anàlisi de circuits magnètics.

Els resultats experimentals també van verificar que la màquina proposta pot produir una

tensió constant de sortida en diferents rangs de velocitats del vent.

Conclusions: En aquest treball, es proposa, analitza i implementa un nou generador híbrid

sense escombretes d’imants permanents. La clau consisteix a incorporar un petit camp de

corrent continu d’atropellament en sèrie amb cada imant permanent i un pont d'aire en

derivació amb cada imant permanent de tal manera que el flux de l’entreferro pot ser

controlat eficaçment. Tant el circuit magnètic com l'anàlisi d'elements finits, així com els

resultats experimentals, han confirmat que el generador proposat pot mantenir voltatge

constant a la sortida sota diferents velocitats del vent. Encara que el generador s'ha

exemplificat només per a un cas independent de baix voltatge, es poden aplicar fàcilment a

sistemes d'energia eòlica a gran escala.


57


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Proposta de la estructura del generador d’imants permanents híbrid sense

escombretes.

Figura 2: Prototip de la màquina.


58

[4] Títol de l’article: Design and Control of a New Double-Stator Cup-Rotor Permanent-Magnet

Machine for Wind Power Generation.

Autor o Font: Shuangxia Niu, K. T. Chau, J. Z. Jiang i Chunhua Liu.


País editor: Xina.


Paraules clau: Cup rotor, double stator, finite element method, permanent-magnet machine,

wind power.

Continguts: En aquest treball, es proposa una nova màquina d’imants permanents de doble

estator i rotor de copa aplicat per a la generació d'energia eòlica. El disseny únic de la

configuració de doble estator pot millorar la densitat de potència amb una fàcil instal·lació,

mentre que el control de les connexions als debanats pot proporcionar un voltatge de sortida

constant en una àmplia gamma de velocitats del vent. Per analitzar la màquina proposada

s’utilitza el mètode pas a pas d’elements finits aplicat al circuit de camp del parell. Tant els

resultats de les anàlisis com els experimentals confirmen la validesa de la màquina proposta.

Conclusions: En aquest treball, es proposa i aplica un nou generador DSCR-PM d'energia

eòlica. Ofereix els avantatges amb la configuració única millorant la densitat de potència, amb

una fàcil instal·lació, i el control versàtil de les connexions dels bobinatge proporcionant un

voltatge de sortida constant en una àmplia gamma de velocitats del vent. Els resultats dels

anàlisis obtinguts a partir del CFT-TS-FEM s'han verificat experimentalment.


Figura 1


59

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Proposta de configuració de la màquina. (a) Vista frontal. (b) Vista lateral.

Figura 2: CFT-TS-anàlisi FEM. (a) De malla. (b) Distribució del camp magnètic.

Figura 3: Prototip de la màquina.


60

[5] Títol de l’article: Design and comparison of a novel stator interior permanent magnet

generator for direct-drive wind turbines.

Autor o Font: J. Zhang, Z. Chen i M. Cheng.

Universitat: No s’especifica.

País editor: Xina.

Data de creació: Gener 2007.


Continguts: Es presenta un nou estator interior d’un generador d’imant permanent (SIPMG).

Un disseny modular de l'estator s'utilitza per conveniència en la fabricació i manteniment. El

generador té els avantatges de tenir un rotor robust i disseny concentrat debanament, mentre

que el parell arrissat és menor que el produït per una màquina doblement sortint. Diversos

SIPMG de baixa velocitat de pols múltiples estan dissenyats per turbines eòliques

d'accionament directe amb qualificacions de 3 a 10 MW. Les comparacions entre la SIPMG i el

rotor de la superfície de muntatge d'imant permanent amb generador síncron (PMSG) és que

els SIPMG tenen aproximadament el 120% de densitat de parell i el 78% del cost per kilowatt

en comparació al PMSG.

Conclusions: El SIPMG és un nou tipus d’estator d’imant permanent, que té l'avantatge de

l'estructura del rotor senzill i es concentra debanament en l'estator. Basat en una anàlisi de

principi general, es proposa un disseny modular per a diverses turbines eòliques nivell MW.

SIPMG i PMSG s'han comparat, i es troba que SIPMG té una densitat de parell superior i menor

cost per kilowatt en comparació amb PMSG. SIPMG també mostra un bon potencial per a

aplicacions d'energia eòlica.


61


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Secció transversal de 12/10-pole SIPMG.

Figura 2: La configuració de l’estator modular.

Figura 3: Diagrama del debanament d'una fase


62

[6] Títol de l’article: An Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator for a Direct-

Coupled Wind-Turbine System.

Autor o Font: T. F. Chan i L. L. Lai.


País editor: Xina.

Data de creació: 1 Març 2007.

Paraules clau: Permanent-magnet generators, synchronous generators, wind power

generation.

Continguts: Aquest article presenta un únic flux axial al generador síncron d’imants

permanents (AFPMSG), que és adequat tant per l'eix vertical com l'eix horitzontal en els

sistemes de generació de turbines eòliques.

Un disseny de rotor exterior facilita l'acoblament directe del generador a la turbina de vent,

mentre que una armadura sense nucli elimina la atracció magnètica entre les parts fixes i

mòbils. El disseny i característiques de construcció de la AFPMSG es revisen. La densitat de flux

de distribució s'estudia amb l'ajuda d’un paquet de programari d’elements finits, per tal de

predir la forma d’ona de la FEM generada.

Les equacions de rendiment de la AFPMSG es deriven, i la condició per a la màxima eficiència

es dedueix, per tant la velocitat constant i variable de velocitat s’operen. Els resultats

experimentals, en general, confirmen la teoria desenvolupada.

Conclusions: En aquest treball s'ha presentat una forma de flux axial al generador síncron

d’imants permanents (AFPMSG) que és adequat per als sistemes amb turbines d’acoblament

directe. L'aplicació d'aquesta màquina com a generador de turbina eòlica d'eix horitzontal i eix

vertical es discuteix. Amb l’ajuda d’un programari comercial (dels elements finits) s’ha fet un

anàlisi de la densitat del flux magnètic distribuït en el AFPMSG. Els resultats calculats mostren

que el voltatge de la línia de sortida és pràcticament sinusoïdal per la proposta de configuració

de l'equip. Els experiments realitzats en una generador prototip han confirmat la viabilitat del

disseny i la validesa del model de circuit equivalent a AFPMSG.


63


Figura 1 Figura 2

Figura 3 Figura 4

Figura 1: Proposta d'una microturbina eòlica d'eix horitzontal (HAWT) utilitzant un sistema de

rotor exterior AFPMSG.

Figura 2: Aerogeneradors d'eix vertical (VAWT) amb la proposta de rotor exterior AFPMSG.

Figura 3: Esquema que mostra la disposició dels pols magnètics del rotor.

Figura 4: Diagrama esquemàtic que mostra la construcció del debanament de l'induït de disc.


64

[7] Títol de l’article: Overview of different wind generator Systems and their comparisons.

Autor o Font: H. Li i Z. Chen.


País editor: Xina.

Data de creació: 23 Agost 2007.

Paraules clau: No s’especifiquen.

Continguts: Amb el ràpid desenvolupament de les tecnologies d'energia eòlica i el creixement

significatiu de capacitat d'energia eòlica instal·lada a tot el món, s'han desenvolupat diversos

conceptes de turbines de vent. El sistema de conversió de l'energia eòlica s'exigeix per ser més

competitiu en costos, de manera que són necessàries les comparacions dels diferents sistemes

d'aerogeneradors.

Es presenten una visió general dels diferents sistemes d'aerogeneradors i les seves

comparacions. En primer lloc, els aerogeneradors actuals són classificats tant pel que fa a les

seves funcions de control i com els tipus de tren de comandament, i es descriuen els seus

punts forts i febles. Els prometedors tipus de generador d'imants permanents també són

investigats. Llavors, es presenten la comparació quantitativa i penetració en el mercat dels

diferents sistemes d'aerogeneradors. Finalment, es discuteixen les tendències en

desenvolupament de sistemes generadors de vent i els criteris de comparació adequats. Es

demostra que els conceptes de velocitat variable amb l'electrònica de potència seguiran

dominant les tecnologies i seran molt prometedors per als parcs eòlics de grans dimensions.

L'èxit futur dels diferents conceptes de turbines eòliques pot dependre de la seva capacitat de

complir amb les expectatives de mercat i les exigències de les empreses de serveis de xarxa.

Conclusions: El document proporciona una visió general dels diferents conceptes de turbines

eòliques i els possibles tipus de generadors. Les configuracions bàsiques i característiques dels

diferents sistemes d'aerogeneradors sobre la base dels conceptes contemporanis de turbines

eòliques es descriuen amb els seus avantatges i desavantatges. Les màquines prometedores de

PM d'accionament directe, com AFPM, RFPM i màquines TFPM, han estat objecte de

reconeixement. S’ha dut a terme un anàlisi detallat sobre la base de l'enquesta de la

comparació quantitativa dels diferents sistemes d'aerogeneradors, així com la seva penetració

en el mercat. S'han presentat les tendències en desenvolupament de sistemes generadors de

vent, i han estat discutits alguns criteris de comparació.


65

El concepte de múltiples etapes dirigides “DFIG” segueix sent dominant en el mercat actual. A

més, el mercat mostra interès per la transmissió directa o engranatges de tracció en els

conceptes amb un convertidor d'energia a gran escala electrònica. L'evolució actual dels

conceptes de turbines de vent són majoritàriament relacionats amb l'energia eòlica marina, i

els conceptes de velocitat variable amb l'electrònica de potència seguiran dominant les

tecnologies i seran molt prometedors per als parcs eòlics de grans dimensions.

Amb els creixents nivells de penetració eòlica en sistemes d'energia moderns, s'han plantejat

els problemes de connexió a xarxa amb diversos nous reptes per al disseny de turbines

eòliques. L'èxit futur dels diferents conceptes dels aerogeneradors dependrà en gran mesura

de la seva capacitat de complir amb les expectatives de mercat i les exigències de les empreses

de serveis de xarxa.


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4


66

Figura 5

Figura 6

Figura 7 Figura 8

Figura 9

Figura 10

Figura 11


67

Figura 12

Figura 13

Figura 1: Esquema d'un concepte de velocitat fixa amb sistema de SCIG.

Figura 2: Esquema d'un concepte de velocitat variable amb sistema de limitació WRIG

(OptiSlip).

Figura 3: Esquema d'un concepte de velocitat variable amb sistema de DFIG.

Figura 4: Esquema d'un sistema de transmissió directa EESG.

Figura 5: Esquema d'un sistema de transmissió directa PMSG.

Figura 6: Les configuracions bàsiques de les màquines RFPM.

a) Muntatge en superfície.

b) Flux concentrat.

Figura 7: Configuració de la màquina AFPM d’un sol estator i doble rotor.

Figura 8: Configuració de la màquina AFPM d’un sol estator i doble rotor.

Figura 9: Estructura de la superfície de muntatge dels imants permanents de flux transversal.

Figura 10: Esquema d'un sistema d'accionament d'una sola etapa PMSG amb un convertidor

d'escala completa.

Figura 11: Esquema d'un sistema de múltiples etapes PMSG orientada amb un convertidor

d'escala completa.

Figura 12: Esquema d'un sistema de múltiples etapes dirigides SCIG amb un convertidor de

gran escala.

Figura 13: Esquema d'un sistema BDFIG amb un convertidor d’escala parcial.


68

[8] Títol de l’article: Optimal design of stator interior permanent magnet machine with

minimized cogging torque for wind power application.

Autor o Font: Jianzhong Zhang, Ming Cheng i Zhe Chen.

Universitat: Engineering Research Center for Motion Control of MOE, School of Electrical

Engineering, Southeast University, Nanjing.

País editor: Xina.

Data de creació: 9 Abril 2008.

Paraules clau: Cogging torque, Flux switching, Optimal design, Permanent magnet machine,

Wind power.

Continguts: En aquest treball es proposa un nou enfocament per tal de minimitzar el parell de

dentat de l’interior del estator d’imants permanents (SIPM) de la màquina.

L’optimització es porta a terme a la bretxa de la ranura i a l’estator d’imants permanents,

mentre que el dentat arrissat del parell es porta a terme mitjançant el mètode d’anàlisi

d’elements finits.

Els experiments en un prototip de la màquina verifiquen l’anàlisi teòric. Aquests, porten a

terme una comparació entre el generador SIPM millorat i un flux permanent radial en el

generador síncron d’imants permanents per a un aerogenerador de 3 MW.

Així es demostra que la proposta de generador SIPM té avantatges amb una major densitat de

potència i un cost menor.

Conclusions: En aquest treball es proposa un nou disseny de màquina SIPM per tal de reduir al

mínim el parell arrissat del dentat. Es mostra que la commutació de flux encara es conserva i

que els components harmònics de la FEM no s’incrementen com l’adopció de la sabata de la

dent.

Aquesta millora no només manté la ranura d’estator amb suficients separacions per allotjar

l’armadura d’enrotllaments, sinó que també augmenta l’amplada del segment de les dents del

l’estator. Des de la introducció de la sabata segmentada del dent de l’estator es complica el

disseny de la màquina, i per tant s’ha de portar a terme un disseny òptim.


69

Sota la condició del mateix poder de la capacitat, es demostra que el parell de dent arrissat es

disminueix en gran mesura en comparació amb el disseny original i hi ha un punt mínim de

parell de dentat quan disminueix l’amplada de la bretxa de la ranura.

El rendiment òptim de la màquina SIPM s’ha analitzat pel mètode d’elements finits i es verifica

experimentant amb la màquina prototip.

La comparació del generador SIPM amb el PMSG es porta a terme basant-nos amb un

aerogenerador de 3 MW. Es mostra que el generador SIPM té una major densitat de potència

en unitat de pes i un cost menor, mentre que les unitats dels segments del estator i els imants

rectangles s’utilitzen en els generadors SIPM, per tal de fer una fabricació més fàcil per a

l’aplicació a grans potències.

El rotor, que és senzill, robust i fàcil de produir, fa que el generador SIPM sigui més atractiu

que el PMSG.


Figura 1

Figura 2


70

Figura 3

Figura 1: Model de flux de commutació en coordenades rectangulars.

Figura 2: Prototip de màquina de 12/10 pols SIPM (Estator i Rotor).

Figura 3: Vista axial del generador SIPM.


71

[9] Títol de l’article: Design optimization and site matching of direct-drive permanent magnet

wind power generator Systems.

Autor o Font: H. Li i Z. Chen.


País editor: Xina.


Paraules clau: Wind turbines, Direct-drive, Permanent magnet generator, Design optimization,

Site matching.

Continguts: En aquest treball s'investiga la possible ubicació corresponent als conceptes de

turbines eòliques d'accionament directe sobre la base de l'optimització del disseny

electromagnètic d'imant permanent (PM) en els sistemes de generació d’energia. En primer

lloc, es presenten els models analítics d'un generador d’imants permanents de tres fases i de

flux radial amb un convertidor de potència “back-to-back”. Els models de disseny òptim

d'accionament directe en sistemes de generació eòlica es desenvolupen amb un algorisme

genètic millorat, i es compara amb un generador de PM d'accionament directe de 500kW per

demostrar el cost del material del generador en l'optimització del disseny. S’han dissenyat de

forma òptima quaranta-cinc sistemes de generadors d’imants permanents, amb les

combinacions de cinc velocitats nominals del rotor en el rang de 10 a 30 rpm, i tenint

potències de 100 kW a 10 MW, respectivament. Els resultats òptims es comparen gràficament

en termes dels índexs del generador dissenyat.

A continuació, es determinen d'acord amb el principi de disseny de la captura de l'energia

eòlica màxima, el diàmetre del rotor i la velocitat del vent nominal d'una turbina eòlica de

transmissió directa amb el generador d’PM òptim. La producció d'energia anual (OEA) també

es presenta amb la funció de densitat de “Weibull”. Finalment, la AEO màxim per cost (AEOPC)

dels sistemes generadors de vent optimitzats s'avalua en vuit llocs potencials amb velocitats de

vent anuals mitjanes en l'interval de 3-10 m/s, respectivament. Aquests resultats han mostrat

els dissenys adequats per als llocs amb una adaptació òptima dels sistemes generadors

d'imants permanents investigats.

Conclusions: Per tal d'investigar les actuacions de grans aerogeneradors d'accionament directe

amb les empreses generadores de PM i el lloc de joc en alguns llocs potencials en termes de la

AEOPC, s'han desenvolupat els models de disseny òptim del generador de flux radial d’imants


72

permanents amb un algorisme genètic millorat, i s'ha demostrat amb un aerogenerador PM

d'accionament directe de 500 kW. Han estat dissenyats quaranta-cinc sistemes de generació

de PM amb combinacions de rangs de potència nominal de 100 kW a rangs de velocitat de

rotació nominal de 10MW, i de 10-30 rpm pel cost del generador mínim del sistema. Els

resultats òptims s'han presentat i s’han comparar utilitzant els índexs de disseny del generador

incloent el cost del sistema generador, el diàmetre exterior de l'estator, la densitat de parell i

el parell pel cost.

Els resultats han mostrat les màquines PM amb la menor velocitat nominal de rotació i el nivell

de major potència nominal tenen un rendiment molt millor de la densitat de parell i el parell

pel cost, però, aquests generador també es tornen més cars i amb diàmetres exteriors més

grans. A més, amb base del principi de disseny de la captura d'energia eòlica màxima de les

turbines eòliques i els generadors PM optimitzats, el lloc de joc dels aerogeneradors

d'accionament directe han estat investigats per vuit llocs potencials de vent. D'acord amb

l'exercici de AEOPC, els sistemes d'accionament directe del generador amb la potència nominal

de 500 kW, 1MW i 1.5MW van ser més adequats per a que coincideixi amb alguns llocs de

baixa potencia, mitjana i alta velocitat anual mitjana del vent. Des del punt de vista cost-

efectivitat, el sistema de generador eòlic que té la major AEOPC i pot ser la millor de la turbina

correspon tenint en compte la informació dels llocs potencials, les característiques dels

aerogeneradors i el disseny del generador, tot i la decisió de triar el millor sistema de

generador de vent depèn de diversos factors, incloent les càrregues de serveis públics, costos

d'instal·lació i els requisits de la xarxa.

D'altra banda, el procediment desenvolupat pot ser utilitzat per escollir la relació cost-

efectivitat de transmissió directa del sistema generador d'PM als desenvolupadors d'energia

eòlica o a les companyies elèctriques que duen a terme la planificació de la instal·lació de les

estacions d'energia eòlica.


73


Figura 1

Figura 2

Figura 1: La configuració d'un sistema aerogenerador d'accionament directe i PM. Un esbós

dels aerogeneradors “Zephyros”.

Figura 2: Dimensió fonamental d'un pol PMSG de flux radial.


74

[10] Títol de l’article: Design of Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Generators with

Soft Magnetic Compound(SMC) stator Core.

Autor o Font: Qiu-ling Deng, Xiao Peng, Weicai Xie.

Universitat: Institute of Electric and information engineering, Hunan University, Changsha.

País editor: Xina.


Paraules clau: Axial Flux, permanent magnet, synchronous generator.

Continguts: En aquest document es descriu el disseny d’un generador síncron d’imants

permanents de flux axial de 5 kVA per operar en aplicacions d’energia eòlica a petita escala.

L’estator del màquina es realitza mitjançant l'ús de SMC per formar dents en combinació amb

un muntatge a la base perforada laminada i els bobinatges concentrats. La nova estructura del

generador és simple de construir i el seu rendiment és bo. Aquest disseny ofereix una forma

d’ona sinusoïdal arrissada en parell baix. Els resultats del disseny, així com els resultats de la

simulació, verifiquen la validació del mètode proposat.

Conclusions: El generador proposat amb dents de SMC i debanats concentrats fan que la

fabricació del generador sigui fàcil i ofereixi un bon rendiment. El voltatge de fase i el corrent

obtingut es pràcticament amb forma d’ona sinusoïdal pura. La estructura de la màquina

proposat és més senzilla i més barata de construir que una configuració axial de la màquina de

flux amb nuclis laminats de l'estator.


Figura 1 Figura 2

Figura 1: Les dents combinades amb una tira de nou nucli laminat perforat

Figura 2: Solucions amb màquines de tres discs.


75

[11] Títol de l’article: Magnetic Field Analysis of a Novel Flux Switching Transverse Flux

Permanent Magnet Wind Generator with 3-D FEM.

Autor o Font: Jianhu Yan, Heyun Lin, Yunkai Huang, Hengchuan Liu, Z.Q. Zhu.


País editor: Xina.


Paraules clau: 3D finite element analysis, flux switching, transverse flux, wind power

generator.

Continguts: El flux transversal de la màquina d'imants permanents, ofereix una densitat de

potència superior a la convencional (radials i axials). Basat en el principi de TFPMM, en aquest

document es presenta una nova commutació de flux transversal en generadors d’imants

permanents amb una estructura única per a velocitats de vent baixes. La utilització d'espai de

l'estator pot millorar mitjançant l'organització de més nuclis d’aquest i la densitat de flux en

entreferro es pot recollir mitjançant l'adopció d'una nova topologia. La estructura i el principi

de la proposta de FS-TFPMG són descrites en detall. El camp magnètic d'un FS-TFPMG amb sis

parells de pols és calculat numèricament pel 3D mètode d'elements finits (FEM). Les

característiques principals del generador, incloent CEM sense càrrega i formes d'ona de flux i

inductància del debanat estan analitzades numèricament.

Conclusions: En aquest document es presenta un nou model FS-TFPMG sobre la base de

l'TFPMM i els principals fluxos de commutació. La proposta de generador és prometedora per

a l'aplicació a gran escala de generadors eòlics que treballen a velocitats baixes del vent a

causa de la utilització d’un major espai en comparació amb els TFPMMs convencionals. El

camp magnètic sense càrrega del generador s’analitza amb el 3D FEM, i el flux, la FEM i la

inductància als debanats de l'estator es calculen. S'indica que el FS-TFPMG té major densitat

de flux a l’entreferro i més fluxos als bobinatges de l'estator causa de la seva estructura

especial.


76


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Secció transversal d'una sola fase del mòdul de FS-TFPMG.

Figura 2: Estructura de la FS-TFPMG (un parell de pols).


77

[12] Títol de l’article: Cogging Torque Reduction in Axial Flux Machines for Small Wind

Turbines.

Autor o Font: Min-Fu Hsieh, D.G. Dorrell, Yu-Han Yeh, Samsul Ekram.


País editor: Xina.


Paraules clau: No correspon.

Continguts: Aquest treball presenta una tècnica per reduir el parell al dentat d’un generador

de flux axial d'imants permanents (PM) adequat per al ús en una petita turbina de vent.

Aquestes màquines poden ser compactes i tenen alta densitat de potència, essent axialment

curtes amb un diàmetre major que fa que siguin adequades per un turbina de vent. El parell al

dentat inherent pot causar problemes durant la posada en marxa de la turbina i s’ha d’evitar.

En aquest document, la turbina és caracteritzat a través del mesurament en un túnel de vent.

Les característiques s'utilitzen llavors, per determinar l'especificació per el generador. Un

mètode anomenat "híbrid skew" es proposa per la reducció del dentat del parell motor. El

mètode d'anàlisi 3D d'elements finits s'aplica per avaluar el mètode, obtenint una reducció del

88% del pic del parell al dentat, que s’obté quan es combina amb un altra tècnica coneguda.

Això millora significativament el rendiment de la turbina a baixa velocitat de posada en marxa

mentre es manté la densitat de potència alta. La tècnica pot reduir la confusió de fabricació en

la col·locació del N/S dels pols i permet una forma simple d’imant per reduir el cost fabricació.

Conclusions: S’ha desenvolupat una tècnica anomenada "inclinació híbrida" per a la reducció

del parell al dentant en generadors d’imants permanents de flux axial. Aquesta màquina està

destinada al seu ús en petites turbines de vent. S’ha investigat el flux axial d’una màquina de

12 pols de 18 ranures. Mitjançant 3D anàlisi d'elements finits es va dur a terme la simulació.

S’ha descobert que el mètode proposat, amb una inclinació hibrida de θ = 2,5 grau, treballarà

amb una altra tècnica coneguda (factor de desplaçament de ranura = 0,1875), aconseguint un

una excel·lent reducció al pic de fins al 88%. En conseqüència, serà possible la posada en

marxa de la turbina de vent. Sense la millora de parell en el dentat serà difícil arrancar per la

màquina. A més, el rendiment global no es veurà afectat pel desenvolupat tècnic i hi haurà una

reducció en complexitat i el cost de fabricació.


78


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Secció amb els imants de la màquina de flux axial.

Figura 2: La turbina i la instal·lació experimental (túnel de vent i dinamòmetre).

Figura 3: Definició del desplaçament de l'estator.


79

[13] Títol de l’article: A Novel Wind Energy System.

Autor o Font: T.F. Chan i L.L. Lai.


País editor: Xina.


Paraules clau: Axial-flux machine, permanent-magnet synchronous generator, wind energy

system, field computation.

Continguts: En aquest document es proposa i s’estudia un nou sistema d’energia eòlica. El flux

axial del generador síncron d'imants permanents (AFPMSG) està directament acoblat a l'eix

vertical de la turbina de vent (VAWT), que pot ser un “H-Darrieus”, “Savonius”, “Hunt Turbine”,

o altres. L’AFPMSG té una construcció de rotor extern per al convenient muntatge de

l'estructura del rotor de la turbina. L’enrotllament a l’induït sense nucli esta dissenyat per

eliminar el parell al dentat i els desequilibris en l’atracció magnètica, donant el bon

funcionament amb pèrdues baixes. El rendiment el generador prototipus s'estudia. La

distribució del camp magnètic del AFPMSG s’estudia utilitzant el mètode d’elements finits

(FEM) de dues dimensions i altres mètodes analítics. En utilitzar el concepte d'imatges de

cargues magnètiques, ens mostren que la component normal de flux de densitat es redueix

apreciablement a l’interior i l’exterior de les regions circumferencials.

Conclusions: En aquest treball s'ha presentat una nova forma de sistema d'energia eòlica

adequat per a l'entorn urbà. S’aconsegueix una alta eficiència mitjançant l'ús d'un flux axial al

generador síncron d'imants permanents. Les proves en un generador petit prototip han

demostrat la viabilitat del sistema. Amb l’anàlisi avançat del camp magnètic utilitzant el 2D

FEM i altres mètodes analítics que ens proporcionen informació útil sobre la distribució del

camp, podem proporcionar directrius sobre disseny de la màquina en el futur.


80


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Vista transversal de la proposta de rotor exterior AFPMSG.

Figura 2: AFPMSG amb acoblament directe a turbina “H-Darrieus”.

Figura 3: Prototip AFPMSG i la prova de l'anell.


81

[14] Títol de l’article: Field Computation for an Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous

Generator.

Autor o Font: T. F. Chan, L. L. Lai, Shuming Xie.


País editor: Xina.

Data de creació: 19 Febrer 2009.

Paraules clau: Axial flux machines, magnetic fields, permanent magnet (PM) generators,

synchronous generators.

Continguts: Aquest article presenta un mètode d’anàlisi per determinar el buit i els camps

magnètics de reacció de flux axial en l’armadura al generador síncron d’imants permanents

sense nucli en l’armadura.

L’equació de Laplace es resol amb el sistema de coordenada rectangular per donar el potencial

magnètic escalar, utilitzant el mètode de sèries de Fourier. Per calcular el camp de la reacció

d’induït, s’empra un model de fulles multi-corrent per tal d’explicar la naturalesa del distribuït

dels conductors en l’armadura en la direcció axial.

L’anàlisi d’elements finits i els resultats experimentals del prototip de màquina pretenen

verificar l’exactitud del mètode proposat.

Conclusions: En aquest article es presenta un mètode analític la distribució magnètica del flux

axial a una sola cara en un generador síncron PM sense nucli en l’armadura.

L’equació de Laplace va formular el potencial magnètic escalar, i es resol mitjançant les sèries

de Fourier. El model és computacionalment eficient, i pot determinar els components de camp

en l’espai de l’aire i als imants.

La precisió de mètode analític està validat per comparació amb el FEA com també els resultats

experimentals. També s’han identificat i discutit les característiques interessants del camp de

distribució en diferents regions del generador.

El mètode analític proposat pot ser utilitzat convenientment com part d’un procediment de

disseny òptim per a determinats tipus de AFPMSG.


82


Figura 1

Figura 1: Secció de la meitat superior d'una màquina de 16 pols (AFPMSG).


83

[15] Títol de l’article: Optimization of Multibrid Permanent-Magnet Wind Generator Systems.

Autor o Font: Hui Li, Zhe Chen i Henk Polinder.


País editor: Xina.

Data de creació: Març 2009.

Paraules clau: Design optimization, direct-drive, multibrid concepts, permanent-magnet (PM)

generator, single-stage, wind turbines.

Continguts: Aquest treball investiga els rangs de cost/efectivitat de les relacions de la caixa de

canvis i potències del sistema “Multibrid” d’imants permanents (PM) i els sistemes de

generadors eòlics mitjançant l'ús d'un disseny que utilitza un mètode d’optimització. En primer

lloc, es presenta el model analític d'un concepte de turbina eòlica “Multibrid” que consta d'una

caixa de canvis d'una sola etapa i un generador PM síncron trifàsic de flux radial amb un

convertidor de potència “back-to-back”. L'optimització del disseny s'adopta amb un algoritme

genètic per minimitzar el cost del sistema generador.

Per demostrar l'efectivitat del model de disseny electromagnètic desenvolupat, s’analitzen els

resultats de l'optimització d'un generador de PM de 500 kW d'accionament directe i un

generador 1.5MW “Multibrid” PM amb relacions de transmissió diferents, respectivament, en

comparació amb els d'altres mètodes. Llavors, l'enfocament de disseny òptim s'empra més per

a un rang de 750 kW fins a 10 MW. S'obtenen tant els resultats de l'optimització dels sistemes

generadors de PM com de transmissió directa i la configuració d’aerogeneradors “Multibrid”,

investigant els rangs adequats de relacions de transmissió de diferents potències.

Finalment, es presenten i discuteixen les comparacions detallades del sistema de generació

“Multibrid” PM, i es veu que són més rendibles. També es va presentar i discutir l’optimització

del sistema de tracció directa del generador de PM. Els resultats comparatius han demostrat

que el vent en els generadors “Multibrid” sembla més rendible que en els d’accionament

directe.

Conclusions: Aquest treball té com objectiu dissenyar la millor relació cost/efectivitat del

sistema generador “Multibrid” PM pel que fa a l'optimització i la comparació. S'han presentat

els models de disseny d'anàlisi del concepte “Multibrid”, que consisteix en una caixa

d'engranatges d'una sola etapa i un generador de flux radial d'PM sincronitzat amb un


84

convertidor d'energia de tornada a l'esquena. L'enfocament de l'optimització del disseny ha

estat desenvolupat amb una millora de GA pel cost mínim del sistema generador incloent la

consideració dels costos estructurals i els possibles canvis de la caixa del generador.

Els resultats del disseny d'un generador d'PM de 500 kW d'accionament directe i un

aerogenerador “Multibrid” PM 1.5MW amb relacions de transmissió s'han adoptat per

demostrar l'eficàcia de la electromagnètica desenvolupada en els dissenys i els models

d'optimització. Els resultats de l'optimització dels dissenys de 750 kW i 1.5, 3.0, 5.0 i 10MW

dels sistemes de generadors eòlics “Multibrid” PM amb relacions de transmissió diferents

s'han obtingut també per als conceptes d'accionament directe. A més, s'ha presentat la relació

de transmissió òptima per a cada disseny.

S'han fet algunes comparacions i discussion per als sistemes optimitzats d'aerogeneradors de

PM, no només per les configuracions “Multibrid” amb relacions de transmissió diferents, sinó

també entre els sistemes de “Multibrid” i els sistemes generadors d'accionament directe. Els

resultats comparatius han demostrat que el concepte de turbines eòliques “Multibrid” sembla

més rendible que el sistema de transmissió directa. Per exemple, el sistema de turbines

eòliques “Multibrid” té un menor cost que el sistema generador, major cost per AEP, i el

menor diàmetre de l'estator exterior. A mesura que augmenta la grandària de turbines

eòliques, es poden adoptar una gamma molt més àmplia de relacions de transmissió i la

relació d'engranatge òptim podria estar en un rang de 4:1 fins 10:1.

Per les mateixes potències de sortida, la major millora del sistema de generador de “Multibrid”

de PM en termes de l'AEP pel cost podria aparèixer al voltant dels 5 MW en el sistema

generador d'accionament directe.


85


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Esquema d'un sistema generador “Multibrid” de PM.

a) Esquema d'un generador PM connectat a la xarxa amb una caixa de canvis d'una sola etapa.

b) La configuració d'un disseny de generador de “Multibrid”.

Figura 2: Dimensions bàsiques dels pols d’un generador de PM de flux radial.


86

[16] Títol de l’article: A Magnetic-Geared Outer-Rotor Permanent-Magnet Brushless Machine

for Wind Power Generation.

Autor o Font: Linni Jian, K. T. Chau (membres IEEE) i J. Z. Jiang.

Universitat: Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong

and Department of Automation, Shanghai University.

País editor: Xina


Paraules clau: Finite-element method (FEM), magnetic gear, outer rotor, permanent-magnet

(PM) machine, wind power generation.

Continguts: Aquest treball presenta una nova màquina sense escombretes d’imants

permanents per a la generació d’energia eòlica. Aquesta màquina adopta una topologia de

rotor exterior, per tal de capturar tota la energia eòlica directa.

Per tal d’aconseguir una densitat d’alta potència, el generador d’alta velocitat sense

escombretes d’imants permanents està enginyat amb un engranatge magnètic coaxial. Els

detalls de disseny, tenen especial èmfasi amb les restriccions especials de generació d’energia

eòlica mentre són elaborats.

Mitjançant l’ús de “time-stepping” mètode d’elements finits, les característiques estàtiques i

les operacions en buit i en càrrega són simulades. El prototip està construït per a la

experimentació. Tant la simulació com l’experimentació donen resultats per tal de verificar la

validesa de la màquina proposada.

Finalment, es fa una comparació quantitativa per tal de justificar la validesa de la màquina

proposada essent de menor grandària, menor pes i menor cost que els seus contraparts.

Conclusions: En aquest treball, un nou engranatge magnètic de la màquina d’imants

permanents sense escombretes, que és particularment atractiu per a la generació d’energia

eòlica, ha estat dissenyat, analitzat i implementat.

En comparació amb els generadors tradicionals d’energia eòlica, la màquina proposada ofereix

alguns avantatges. En primer lloc, la baixa velocitat del rotor de tipologia externa pot permetre

l’acoblament directe amb les aspes de vent per a la captura d’energia eòlica amb una alta

eficiència. En segon lloc, la integració d’un equip magnètic coaxial pot permetre que el

generador d’imants permanents sense escombretes sigui dissenyat per a operacions d’alta


87

velocitat, i per tant l’assoliment d’elevats valors de potència. En tercer lloc, l’ús dels equips

magnètics poden proporcionar l’aïllament físic entre el rotor intern i el del rotor extern,

minimitzant així el cost de manteniment i el soroll acústic.

Finalment, una comparació quantitativa ha posat de manifest que la proposta d’aquest tipus

de màquina és de dimensions més petites i lleugeres que la màquina de transmissió directa

d’imants permanents sense escombretes. També baixant el cost del material necessari per

construir-les.


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Configuració de la màquina proposada.

Figura 2: Experimentació de la màquina proposada:

a) Engranatges del rotor exterior.

b) Anells estacionaris.

c) Equip de rotor intern.

d) Muntatge de la màquina.

e) Prova final.


88

[17] Títol de l’article: A novel Dual-Stator Hybrid Exited Synchronous Wind Generator.

Autor o Font: Xiping Liu, Heyun Lin, Z. Q. Zhu, Chengfeng Yang, Shuhua Fang, Jian Guo.


País editor: Xina.


Paraules clau: Air-gap flux, dual stator, Finite-element method (FEM), hybrid excited.

Continguts: Aquest article presenta una nova excitació per al estator híbrid doble en

aerogeneradors síncrons i descriu la seva estructura característica i el seu principi de

funcionament.

Els camps magnètics sense càrrega amb diferents corrents de camp es calculen amb el mètode

de 3D d’elements finits. S’analitzen les característiques estàtiques, incloent el flux de

vinculació i els FEM de les formes d’ona dels bobinats del estator, i les formes d’ona de la

inductància en l’armadura bobinada i liquidació del camp.

Els resultats de la simulació mostren que, a causa de la estructura de doble estator, el flux

magnètic a l’entreferro es pot controlar fàcilment, mentre que la tensió de sortida pot ser

augmentada eficaçment. Les proves es realitzen a una màquina prototip per a validar els

resultats previstos obtenint així un acord excel·lent.

Conclusions: Aquest document descriu al detall l’estructura i el principi de funcionament d’un

nou DSHESG. Les distribucions de camp magnètic, enllaços de flux, inductàncies als debanats i

formes d’ona en els diferents corrents de camp es calculen amb el 3D FEM.

Es fabrica un prototip DSHESG on es realitzen els experiments duts a terme amb anterioritat.

Els resultats FEM i experiments mostren que el desenvolupament del DSHESG té una bona

capacitat de control del camp, de la densitat de potència i que la tensió de sortida del

generador pot ser més efectiva mitjançant l’adopció d’una estructura de doble estator.


89


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 1: Estructura de DSHESG.

Figura 2: Circuit magnètic de DSHESG.

Figura 3: Model tridimensional FEA.

Figura 4: Prototip d DSHESG.


90

[18] Títol de l’article: Optimal Design of Double-Layer Permanent Magnet Dual Mechanical

Port Machine for Wind Power Application.

Autor o Font: Xikai Sun, Ming Cheng, Wei Hua, Longya Xu.


País editor: Xina.


Paraules clau: Dual mechanical port (DMP) machine, finite element analysis (FEA), optimal

design, wind power.

Continguts: Per a una transmissió variable continua elèctrica, la màquina de doble port

mecànic (DMP) és una alternativa molt competitiva per als grups vulnerables de velocitat

constant en funció de la relació de transmissió mecànica.

En aquest treball es proposa un mètode de disseny òptim d’una doble capa d’imants

permanents a la màquina DPM, per a l’aplicació de l’energia amb entrades aleatòries de baixa

velocitat de turbines eòliques.

Amb l’eficiència de l’estator i l’efecte de refredament del rotor intern com a referència, es

construeix un model analític per al disseny inicial de la màquina i l’anàlisi d’elements finits per

tal d’investigar la optimització.

Llavors els resultats obtinguts avaluen la capacitat de sobrecarrega de la màquina. Finalment,

es crea un prototip de màquina DMP de 10 kW amb el sistema de refrigeració dissenyat.

Conclusions: En aquest treball, es dissenya un prototip de màquina DPM amb una capa doble

d’imants permanents i se l’hi aplica el mètode analític d’elements finits per tal d’optimitzar-la

al màxim.

El prototip de màquina DMP dissenyat es fabricat, i la construcció del conjunt dl sistema de

generació d’energia eòlica està en curs.

El sistema de generació d’energia eòlica està basat amb la màquina DMP, i combina els

avantatges dels dos sistemes d’impulsió directa.

Tota aquesta investigació està orientada a parc eòlics marins a gran escala, cosa que farà que

sigui molt prometedor en un futur.


91


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Bloc del sistema de la màquina de vent DMP, basat en la generació d'energia.

Figura 2: Màquina DMP de doble capa d’imants permanents.


92

[19] Títol de l’article: Design and Analysis of an Air-Cored Axial Flux Permanent Magnet

Generator for Small Wind Power Application.

Autor o Font: B. Xia, M.J. Jin, J.X. Shen i A.G. Zhang.

Universitat: College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou.

País editor: Xina.


Paraules clau: No correspon.

Continguts: En aquest treball s’estudia el flux axial de la màquina l'imants permanents (AFPM)

amb doble rotor de l'estator i nucli d'aire. La màquina s'aplica per al cas d'eix vertical de petita

potència amb sistema de generació eòlica fora de la xarxa. Per resoldre de manera aproximada

es proposa el mètode d’anàlisi d'elements finits (FEA) de 2 dimensions (2D). El de tres

dimensions (3D) concreta el camp magnètic dins de la màquina AFPM.

A més, es presenta un mètode analític 2D per calcular la densitat de flux en la bretxa d’aire del

doble rotor d'un sol nucli i el flux axial de l'estator per a muntatge d’imants permanents en la

superfície de l’estructura de la màquina. A continuació, s’ha estat desenvolupat un model

d'elements finits en 3D per validar l'exactitud d’aquests dos mètodes 2D proposats. Finalment,

s’ha fabricat una màquina prototip, duent a terme els experiments necessaris per provar el seu

comportament i les característiques electromagnètiques. Experimentalment i amb una precisió

suficient els resultats confirmen la validesa amb els mètodes 2D FEA i anàlisi d’elements finits.

Conclusions: Les màquines AFPM es troben entre les candidates més idònies per a la

transmissió directa en generadors de vent de petita i mitjana potència. En aquest treball,

s’analitza un generador de baixa velocitat amb estator d’un sol nucli d’aire i doble rotor, que és

una aplicació de l'energia eòlica, utilitzant els mètodes proposats en 2D i anàlisi FEA. El model

d'elements finits 3D també es desenvolupa, validant els dos enfocaments en 2D. La FEM de la

part posterior de la màquina també es calcula basat en els mètodes FEA 2D.

S’assaja un prototip de màquina. Els resultats experimentals es comparen amb els resultats

FEA, confirmant que els enfocaments 2D són simples, eficients i prou precisos. El mètode

proposat de 2D també es pot aplicar a unes altres estructures de màquines AFPM amb estators

ranurats i imants de diferents formes.


93


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Estructura de la màquina.

Figura 2: Model d’elements finits 2D.

Figura 3: Configuració del mesurament de prototip de màquina.


94

[20] Títol de l’article: An Efficient Wind–Photovoltaic Hybrid Generation System Using Doubly

Excited Permanent-Magnet Brushless Machine.

Autor o Font: Chunhua Liu, K.T. Chau, Xiaodong Zhang.


País editor: Xina.

Data de creació: 10 Febrer 2010.

Paraules clau: Maximum-power-point tracking (MPPT), permanent-magnet (PM) brushless

Machine, photovoltaic (PV), wind power.

Continguts: Amb la creixent preocupació sobre temes d'energia, els desenvolupament de fonts

d'energia renovables és cada vegada més atractiu. Aquest document examina tant la primera

energia eòlica i fotovoltaiques, així com les tècniques de generació d'energia i els seus

mètodes seguiment per a assolir el punt de màxima potència possible. Llavors, es proposa una

nova energia independent de vent amb sistema de generació híbrid per a l’aplicació a zones

remotes i aïllades. Per a la branca de generació d'energia eòlica, s’utilitza una màquina amb

una nova excitació doble d'imants permanents sense escombretes per capturar l'energia eòlica

màxima amb control de flux en línia. Per a la divisió de generació d'energia fotovoltaica,

s’adopta un sol terminal convertidor de inductància primària per aprofitar la màxima potència

solar per l'ajust del cicle de treball. El dispositiu experimental resultant confirma que el sistema

proposat per a la generació d'híbrids pot proporcionar una alta eficiència amb l'ús de MPPT.

Conclusions: En aquest treball, s´ha proposat i implementat un nou sistema híbrid de vent per

la generació d’energia. Aquest sistema híbrid independent de generació pot utilitzar

completament les característiques proposades pel generador de vent i els panells fotovoltaics

per tal d’extreure el màxim energia del vent i de les fonts d'energia solar. És a dir, el MPPT del

generador sense escombretes d’imants permanents doblement excitat aconsegueix sintonitzar

en línia del seu camp de corrent continu, mentre que el MPPT dels panells fotovoltaics

s'aconsegueix mitjançant la regulació del cicle de treball en línia de la SEPIC. A més, aquest

sistema de generació híbrid porta un mèrit diferent, ja que el poder de l'energia eòlica i

fotovoltaica inherentment es complementen entre si en certa mesura, per tant, faciliten

potència de sortida contínua tant durant el dia com durant la nit.


95


Figura 1

Figura 1: Proposta de generador d’energia eòlica.


96

[21] Títol de l’article: A New Efficient Permanent-Magnet Vernier Machine for Wind Power

Generation.

Autor o Font: Jiangui Li, K. T. Chau, J. Z. Jiang, Chunhua Liu, Wenlong Li.


País editor: Xina.


Paraules clau: Generator, permanent-magnet (PM) machine, renewable energy, vernier

machine, wind power.

Continguts: En aquest treball es proposa un nou rotor exterior de la màquina, d’imants

permanents (PM), amb el que la transmissió de l’energia elèctrica generada es directa. Per a

això, s’ofereix una baixa velocitat per tal de capturar de manera directa l’energia eòlica, i a

alta velocitat es permet la rotació del camp per tal de maximitzar la densitat de potència.

Comparant amb contrapart l’engranatge mecànic, la màquina proposada pot eliminar el

desgast mecànic, així com art de les pèrdues de transmissió. Per tant, estem millorant la

fiabilitat i eficiència de generació.

La clau consisteix en introduir de nou els pols de modulació de flux que poden modular el

camp d’alta velocitat de rotació dels debanats de l’induït i del camp de baixa velocitat de

rotació del rotor exterior d’imants permanents.

En utilitzar el temps de pas a pas amb el mètode d’elements finits, la màquina proposada pot

ser analitzada amb precisió. Per tant, la verificació dels resultats en dona validesa.

Conclusions: En aquest treball es desenvolupa una nova màquina per a la transmissió directa

de la generació d’energia eòlica, que pot oferir operar a baixa velocitat per a capturar

directament la energia eòlica, o bé, permetre a alta velocitat del disseny giratori de camp per

tal de maximitzar la densitat de potència.

Comparant, els models de màquina PMV, la nova màquina ofereix una major densitat de

potència i alt voltatge de sortida, mentre que es redueix el volum de matèria primera i per tant

el cost global.

A més, la nova màquina facilita la capacitat de manipulació del parell, cosa que és molt

prometedora per al futur de la generació d’energia eòlica.


97


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Màquines existents PMV.

Figura 2: Proposta de màquina PMV amb rotor exterior.


98

[22] Títol de l’article: Magnet Synchronous Generator From 3-D Finite-Element Analysis.

Autor o Font: T. F. Chan, Weimin Wang, L. L. Lai.


País editor: Xina.

Data de creació: 20 Agost 2010.

Paraules clau: Axial-flux machines, finite-element analysis (FEA), permanent magnet

generators, synchronous generators.

Continguts: Per primera vegada, aquest treball presenta els resultats del càlcul de camp i la

seva realització per mitjà de l’anàlisi en 3-D d’elements finits, d’un imant permanent de flux

axial amb un generador síncron (AFPMSG) sobre la base d’un temps de pas a pas.

El generador prototip estudiat té un marc exterior del rotor ferromagnètic i un disseny

totalment tancat, mentre que per l’estator s’utilitza una configuració sense induït al nucli.

Basant-nos amb la geometria de la màquina, es va desenvolupar un nou model d’elements

finits 3-D per tal de determinar el comportament dels camps principals.

El flux a la placa posterior del rotor i el flux transversal a l’espaiador ferromagnètic pot ser

predit. Els resultats validats són calculats amb experiments sobre un generador prototip.

Conclusions: En aquest treball s’ha presentat la distribució del camp magnètic i el rendiment

d’una sola cara del flux axial al rotor exterior al generador síncron d’imants permanents

basant-nos en 3-D FEA.

L’avantatge de l’enfocament amb 3-D FEA és que els diferents components de densitat de flux

poden ser estudiats, i les zones més complicades com el nucli i les geometries sinuoses poden

ser manejades.

La contribució principal original de l’estudi és proporcionar informació sobre el camp magnètic

del tipus de configuració donada de la màquina, que no pot ser obtinguda mitjançant l’ús dels

mètodes amb 2-D.

Els resultats experimentals obtinguts en un petit prototip de AFPMSG confirmen l’exactitud

dels càlculs amb el 3-D FEA (Anàlisi d’Elements Finits).


99


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: Secció transversal del prototip AFPMSG.

Figura 2: Secció transversal de la regió de camp que resol el 3-D FEA.

Figura 3: Model geomètric per al prototip AFPMSG que mostra el mallat per a 3-D FEA.


100

[23] Títol de l’article: Analysis and control of a dual-stator hybrid excitation synchronous wind

generator.

Autor o Font: H. Lin, X. Liu, Z.Q. Zhu i S. Fang.


País editor: Xina.



Continguts: Aquest estudi presenta una excitació híbrida de doble estator del generador

síncron (DSHESG) i el seu sistema de control a la generació d'energia eòlica. Amb el mètode

d'elements finits 3D s’obtenen les característiques electromagnètiques, incloent flux de

vinculació, la força electromagnètica de fase (EMF), inductàncies de liquidació i el camp de

control de capacitat. S'estableix un sistema de control de bucle tancat per a la generació de

tensió constant per regular automàticament la corrent de camp. L'algoritme integrant

d'aïllament de control PI s'utilitza per millorar el rendiment dinàmic del sistema DSHESG. Tant

la simulació com els resultats experimentals del sistema de control mostren que la generació

de tensió constant pot ser fàcilment realitzades quan la velocitat o la càrrega de la DSHESG

varia de forma aleatòria.

Conclusions: Els principals èxits en aquest treball poden resumir de la següent manera:

1. S'ha proposat un DSHESG nou per la generació d'energia eòlica i es descriuen les seves

característiques estructurals.

2. Les característiques electromagnètiques dels DSHESG es calculen en 3D FEA i validen els

resultats experimentals del prototip de màquina.

3. La tensió de sortida pot ser augmentada de forma efectiva mitjançant l'adopció d’estructura

de doble estator.

4. El model de simulació del sistema de control en bucle tancat de DSHESG per a la generació

de tensió constant s'estableix a la base sobre la plataforma de MATLAB, i el sistema

experimental es realitza basant-se en el controlador DSP. Els resultats mesurats i simulats

mostren que la tensió constant de DSHESG pot es obtenir pel sistema de control proposat en

bucle tancat i el rendiment dinàmic millorant mitjançant l'adopció de la proposta integral

d'aïllament d’algoritme de control PI.


101


Figura 1 Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 1: Estructura.

Figura 2: Circuit magnètic d’imants permanents.

Figura 3: Circuit magnètic del camp bobinat en Corrent Continua.

Figura 4: Geometria del model d’elements finits.


102

[24] Títol de l’article: A novel magnetic levitated bearing system for Vertical Axis Wind

Turbines (VAWT).

Autor o Font: Jan Kumbernuss, Chen Jian, Junhua Wang, H.X. Yang i W.N. Fu.


País editor: Xina.

Data de creació: 2 Abril 2011.

Paraules clau: Magnetic levitation, magnetic bearing, permanent magnet, repulsion, VAWT.

Continguts: En aquest informe es presenta un nou sistema de levitació magnètica del coixinet

dels aerogeneradors d’eix vertical. El sistema de coixinets genera una força magnètica, que pot

suportar el pes del rotor de la turbina eòlica. Amb la simulació es mostra com baixa el parell

d'aquest rodament per mitja del mètode d'elements finits (FEM). Un prototip d'aquest nou

sistema de levitació magnètica va ser construït i provat amb èxit.

Conclusions: En aquest document, es proposa un nou tipus de coixinet magnètic axial. No

obstant això, camp magnètic esta distribuït uniformement segons la base d'un càlcul de la

rigidesa axial. Les dades de la força de levitació en direcció vertical (direcció Z) deriva dels

casos simulats, i porta a la conclusió que el camp magnètic serà gairebé unificada quan

s'afegeix una làmina d'acer al rotor del rodament.

L’experiment prototip, però, no podia produir les dades amb els mateixos detalls

proporcionats pels resultats dels coixinets simulats. Tanmateix, els resultats dels experiments

prototip va confirmar la gamma de parell baix del coixinet donant condicions similars.

Es pot concloure, per tant, que la idea d'integrar una placa d'acer axial de manera passiva als

coixinets magnètics és beneficiós per al seu rendiment. En general, el rendiment en termes de

força de levitació és baix, però això es pot superar si es milloren els materials que van ser

escollits i l'entreferro entre el rotor i l'estator. Aquest desenvolupament podria tenir una

aplicació interessant de baix cost en aerogeneradors d'eix vertical, o en les bateries de volant.


103


Figura 1

Figura 2


104

Figura 3

Figura 1: Esquema de l'estructura d'una turbina VAWT amb coixinets magnètics.

Figura 2: Esquema de condicionament dels rodaments vs. els imants del rotor.

Figura 3: Esquema de la imatge de la configuració de prova de la plataforma experimental.


105

[25] Títol de l’article: A Novel Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet Wind Power

Generator.

Autor o Font: Mingyao Lin, Li Hao, Xin Li, Xuming Zhao i Z. Q. Zhu.

Universitat: School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu.

País editor: Xina.


Paraules clau: Axial field, flux-switching, permanent magnet wind generator, 3-D finite

element analysis.

Continguts: Aquest document presenta un nou camp de flux axial commutat de la màquina

d’imants permanents amb una estructura doblement destacada per a generadors d’energia

eòlica.

Un rotor es troba intercalat entre dos estators on els imants permanents es troben situats en

tots dos debanats. Aquest generador és molt adequat per al sistema de generació d’energia

eòlica a causa de que la seva longitud axial és més curta i aconsegueix una major densitat de

potència. Aquest generador està dissenya per a 12/10 pols amb tres fases i amb una potència

de 0.6 kW.

L’equació que dona el valor de la potència de la màquina es dedueix, i la mida del generador

està determinada.

Basant-nos amb el mètode d’elements finits en 3D, s’investiguen les actuacions

electromagnètiques del generador. D’acord amb la teoria dels càlculs, es fabrica el prototip i

s’experimenta amb ell. El resultat de l’anàlisi són consistents amb un bon procés experimental.

Conclusions: En aquest document es proposa un nou camp de flux axial commutat de la

màquina d’imants permanents. Té els avantatges del camp axial tradicional de la màquina

d’imants permanents i també del flux de commutació.

La màquina (AFFSPM) té bones perspectives en el camp de la generació d’energia eòlica , a

causa de l’estructura de curta longitud axial i l’elevat valor de densitat de potència.

D’acord amb l’equació de la potència, el generador està dissenyat amb 12/10 pols i tres fases.


106

La distribució del camp magnètic, la densitat de l’aire, la relació del flux, la FEM i el parell a la

roda dentada s’analitzen sobre la base d’un model 3D FE. D’acord amb el càlcul teòric, els

prototips es fabriquen i es proven. Els acords teòrics d’anàlisi amb els resultats experimentals

verifiquen amb exactitud el mètode de disseny.


Figura 1

Figura 2 Figura 3

Figura 1: Topologia del generador AFFSPM.

Figura 2: Prototip.

Figura 3: 3D FE model de generador (AFFSPM).


107

[26] Títol de l’article: A Novel Flux-Controllable Vernier Permanent-Magnet Machine.

Autor o Font: Chunhua Liu, Jin Zhong i K.T.Chau.

Universitat: Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong.

País editor: Xina.


Paraules clau: Finite-element-method (FEM), flux control, permanent-magnet machine,

Vernier structure.

Continguts: L’article proposa un nou flux controlable per a la màquina d’imants permanents

enginyat per a la integració de l’estructura del “vernier” i el camp de DC de la bobina en

conjunt. Aquest fet pot oferir un alt parell de sortida a baixes velocitats i el debilitament del

control del flux a altes velocitats.

La clau és utilitzar els pols de modulació de flux per tal de modular l’alta velocitat de rotació

del camp del bobinatge de l’armadura i la baixa velocitat del camp de rotació del rotor

d’imants permanents, aconseguint així l’efecte d’un parell elevat de sortida. A més, els

debanats de camp de corrent continua estan especialment incorporats en les ranures de

l’estator integrat, el que pot debilitar la densitat de flux en l’espai d’aire, realitzant així el

control de flux de debilitament en el funcionament a alta velocitat.

En la utilització en un temps intensiu del mètode d’elements finits, les característiques

bàsiques, operacions a la màquina analitzada a baixa velocitat o alta velocitat, verifiquen la

validesa del disseny de la màquina.

Conclusions: Aquest article presenta una nova màquina amb aplicació d’accionament directe.

Com que la màquina adopta l’estructura de “vernier” i introdueix debanats de camp, es pot

assolir fàcilment un alt parell de sortida en el funcionament a baixa velocitat i també el

debilitament del control del flux en operacions d’alta velocitat.

Les característiques de la màquina i les actuacions donen validesa al disseny de la màquina i la

capaciten tant per a operacions d’alta com de baixa velocitat.


108


Figura 1: Proposta de

màquina (FCVPM).

Estructura i Tall

Transversal.


109

[27] Títol de l’article: Design Features of Low Speed Permanent Magnet Generator Direct

Driven by Wind Turbine.

Autor o Font: Wang Fengxiang, Bai Jianlong, Hou Qingming, Pan Jian.

Universitat: School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang.

País editor: Xina.


Paraules clau: Low speed, permanent magnet generator, design.

Continguts: Per tal d’aconseguir un sistema amb una construcció sense engranatges per a la

conversió de l’energia eòlica, es requereix una velocitat baixa en el generador multipolar, i

com a conseqüència, es necessita un gran nombre de ranures de l’estator per a la construcció

de les bobines polars múltiples.

Com que dissenyar l’estator debanat multipolar amb menys nombre de ranures ens limita la

mida del nucli d’aquest, es un gran qüestió el disseny de baixa velocitat del generador.

Una nova estructura de debanat amb més pols i menys ranures s’adopta per tal de resoldre el

problema de que el nombre de ranures és normalment més gran que el nombre de pols per al

disseny de la màquina convencional.

Aquest article presenta les característiques de disseny d’un accionament directe amb

generador d’imants permanents d’energia eòlica (DPMIWG) amb la potència nominal a la regió

de 10-50 kW, el que pot ser ja sigui connectat a la xarxa o de forma independent per

proporcionar alimentació de C.A. als usuaris.

Conclusions: De l’anàlisi i la comparació dels diferents dissenys de xarxes de 20 kW amb

accionament directe de vent baixa velocitat en generadors d’imants permanent, en podem

deduir els següents punts:

· Actualment existeix un gran interès en els generadors accionats de forma directa sense

engranatges ja que poden eliminar el soroll mantenint el cost de la caixa de canvis. També

augmenten la eficiència del sistema i la fiabilitat mitjançant l’ús del generador d’imants

permanents sense escombretes.

· El disseny del debanat de l’estator multipolar usant menys nombre de ranures i limitant la

mida del nucli del estator és un gran problema per al disseny del generador de baixa velocitat.


110

· Aquest article presenta un nou disseny del generador d’imants permanents amb accionament

directe impulsat pel vent amb un gran nombre de pols i un petit nombre de ranures. L’estudi

comparatiu basat amb elements finits per a diferents pols i franges horàries mostra que

l’esquema de disseny proposat ofereix un bon rendiment tant amb càrrega nominal com sense

càrrega. El disseny amb un menor nombre de ranures pot reduir la densitat de flux de les dents

de l’estator, proporcionant més espai per allotjar el debanat de l’estator i augmentant la

potència de sortida.


Figura 1

Figura 2

Figura 1: Estructura de la màquina d’imants permanents de flux axial.

Figura 2: Estructura de la màquina d’imants permanents de flux radial.


111

[28] Títol de l’article: Modular Stator Structure Permanent Magnet Synchronous Machine.

Autor o Font: Yiguang Chen, Zhiming Du, Weigang Zhong, Lingbin Kong.

Universitat: Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education,

Tianjin University, Tianjin.

País editor: Xina.



Continguts: Es proposa un nou tipus de màquina síncrona trifàsica d’imants permanents amb

estructura d’estator modular. L’amplada de les dents de la màquina és igual a la de pas polar,

el seu enrotllament a l’estator és de debanat concentrat, i cada enrotllament de fase s’enrotlla

contínuament i els extrems dels debanats són més curts que les màquines convencionals. Per

tant, l’eficiència de la màquina augmenta i la massa es redueix proporcionalment.

El prototip de màquina de 22 pols, de la qual els imants estan muntats sobre la superfície del

rotor (està equipat amb imants per a muntatge en superfície del rotor), es van analitzant pel

mètode d’elements finits. El resultat va demostrar que la força electromotriu per fase

inductiva dona una ona de tres fases de l’estator bobinat en forma de trapezi, i a la banda de la

part superior plana s’acosta a l’angle elèctric.

El prototip de la màquina, a terme de corrent directa sense escombretes del motor, s’analitza i

es discuteix el resultat correlatiu quan està a plena carga.

Aquest tipus de màquina amb imants permanents amb l’estructura del nou estator és

especialment adequada per al camp a baixa velocitat i l’accionament directe de turbines

eòliques amb PMSM.

Conclusions: El debanat concentrat en cada dent i cada fase del nou debanat PMSM amb la

nova estructura de l’estator modular estableix la circumferència de l’estator de manera

independent.

El motor amb aquesta estructura té alguns mèrits de la manera següent: Coeficient d’unitat de

blindatge d’alta eficiència i un bon rendiment. S’aconsegueix tallant el els extrems del debanat

i posant el coure al motor amb posició axial. Això provoca un estalvi i alleugereix el pes.


112

Els debanats de les dents s’enrotllen en cada sector de forma continua, el que provoca una

millora en l’eficiència productiva.

La diferència de potencial entre dues fases adjacents és molt petita, de manera que la

demanda per al debanat aïllat en una ranura es pot satisfer fàcilment, i la dificultat de

fabricació, manteniment i substitució disminueix.

El motor està dissenyat amb múltiples pols i pot operar a una baixa velocitat, pel que és molt

adequat per a l’aplicació de la impulsió del vent directe o semidirecte en generadors eòlics.


Vista en secció transversal de l'estructura modular de l’estator PMSM:

(a) Mostra la secció transversal del motor quan k1 = 1, k2 = 7, 2p = 22.

(b) Mostra la secció transversal del motor quan k1 = 2, k2 = 4, 2p = 26.


113

[29] Títol de l’article: A New Three-Phase Doubly Salient Electrical Magnet Generator for

Direct-Driven Wind Power Generation.

Autor o Font: Jia-dan WEI, Bo Zhou, Fang-shun Cheng, Zhuo-ran Zhang, Chaoyan Hu, Xiaojing

Wu.

Universitat: Aero-power Sci-tech Center, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics

No.29 YuDao Street, Nanjing, Jiangsu Province.

País editor: Xina.



Continguts: Aquest document presenta els principis operatius, el disseny i l’anàlisi de

transitoris d'un nou generador trifàsic 12/14 pols doblement sortints d’imants elèctric (DSEM)

per a la seva aplicació en impulsió directa per la generació d'energia eòlica. Es descriuen les

equacions del disseny, elements finits i anàlisis dinàmic del nou generador. El generador DSEM

12/14 pols amb constant d'autoinducció té menor ondulació de la tensió en comparació amb

el generador DSEM convencional. L'avaluació del sistema actual es porta a terme mitjançant la

simulació per ordinador.

Conclusions: Mitjançant l'ús de l'estructura adequada de 12/14 pols, el generador DSEM

bipolar pot aconseguir flux enllaçat i invariant la auto-inductància. Aquestes característiques

de inductància redueix l'arrissat de la tensió del generador DSEM utilitzat en la generació

d'energia eòlica. El generador proposat és adequat per a les aplicacions de sistemes d'energia

eòlica.


Figura 1


114

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 1: El Generador convencional DSEM de 12/8 pols.

Figura 2: La proposta de Generador DSEM de 12/14 pols.

Figura 3: Configuració del sistema.

Figura 4: Distribució del camp magnètic en condicions sense càrrega.


115

[30] Títol de l’article: Design and Optimization of Proportional Resonant Controller for Rotor

Current of a Wind Turbine Driven DFIG.

Autor o Font: Hongsheng Wang , Wei Zhang , Jiabing Hu, Yikang He.

Universitat: College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou.

País editor: Xina.



Continguts: Aquest treball proposa un pla de millora del control de corrent per al convertidor

adjunt del rotor d'un generador d’inducció (DFIG) doblement alimentat en sistemes de

generació d'energia eòlica. El projecte de control consta d'un controlador proporcional i una

ressonància harmònica ajustada en la freqüència de la xarxa amb el regulador. Així, el

components de seqüència positiva i negativa de corrent del rotor són totalment regulats pel

controlador de “PR” sense la participació de la descomposició de seqüència positiva i negativa.

Es destaca i s’investiga el disseny i optimització de la proposta de controlador de PR.

Finalment, els estudis de simulació es duen a terme en una turbina eòlica de 1,5 MW del

sistema DFIG impulsada en condicions de desequilibri a la xarxa de tensió. La validesa i la

viabilitat de la proposta del regulador de corrent es confirmen amb els resultats simulats.

Conclusions: En aquest treball s'ha investigat la millora del sistema de control del corrent del

rotor amb el regulador “PR”. El treball s'ha centrat en el disseny i l'optimització del regulador

“PR” per al convertidor adjunt del rotor. Amb regulador “PR”, el sistema pot regular les

corrents del rotor per fer un seguiment de les seves referències sense cap tipus de retard de

temps.

Com a resultat, el controlador “PR” proposat supera l'inconvenient que ofereix el regulador

convencional de doble controlador “PI”. Així, la resposta transitòria del sistema es millora. Els

resultats de la simulació mostren que el controlador actual proposat per al convertidor adjunt

del rotor proporciona oscil·lacions de la potència reactiva de l’estator i elimina el parell

electromagnètic en virtut de les tensions de xarxa desequilibrades en sistemes basats amb

l’energia eòlica. No obstant això, val la pena assenyalar que la tensió del circuit intermedi

segueix oscil·lant, el qual serà l'objectiu de la recerca en el treball futur.

Il·lustració del prototip: No correspon.


116

[31] Títol de l’article: An Engineering Design of a 2MW Direct-drive Permanent-magnet Wind-

power Generation System.

Autor o Font: Shoudao Huang, Xin Long, Luoqiang Cai, Keyuan Huang i Jian Gao.


País editor: Xina.


Paraules clau: Direct-drive, PMSG, engineering design, back-to-back converter, parallel

connection.

Continguts: Amb el ràpid desenvolupament de la potència dels dispositius semiconductors

d'accionament directe, el generador síncron d'imants permanents (PMSG) ha posat de

manifest els importants avantatges de la seva alta eficiència, fiabilitat, i es converteix en una

opció atractiva per les velocitats variables en la generació d'energia eòlica. Actualment la

tendència és la classe MW de sistemes de PMSG amb més capacitat i major densitat de

potència.

Aquest treball descriu el disseny d'enginyeria del primer sistema de 2 MW nacional

d'accionament directe (PMSG), incloent el disseny òptim de la màquina, l'elecció de la

topologia del convertidor i el seu control. El generador injecta l'energia a la xarxa a través de

dos convertidors PWM “back-to-back” completament controlats que són paral·lels i estan

connectats com a estructura de “mestre-esclau”. Es presenta per a la connexió en paral·lel un

repartiment de càrrega de corrent estratègic de control. Es donen alguns dels resultats

experimentals per il·lustrar el funcionament real del sistema.

Conclusions: En aquest article s'ha introduït el disseny d'enginyeria i l'estratègia de control

d'un generador síncron d'imants permanents de 2MW d’impulsió directa, alimentat per

convertidors de potència PWM connectats en paral·lel “back-to-back”. El disseny òptim del

generador i l'anàlisi electromagnètic FEM es duen a terme per a l'aplicació de generació

d’energia eòlica. S'utilitzen dos convertidors “back-to-back” amb connexió en paral·lel per

ampliar la de capacitat. Les tècniques de control de vectors s'han aplicat a banda i banda de la

màquina i als convertidors laterals de malla. Es discuteix l'estructura, el control del esquema i

l’anàlisi de simulació d'un convertidor de 2 MW de potència total de connexió en paral·lel.

Finalment, es construeix un sistema experimental, i es duen a terme alguns experiments bàsics

d'acompliment. Alguns dels resultats experimentals han proporcionat característiques que


117

mostren el rendiment perfecte i prometedor de la proposta del sistema de generació síncron

d’impulsió directa d’imants permanents de 2 MW. Actualment el sistema ha estat muntat en

un molí de vent i està funcionant amb normalitat.


Figura 1

Figura 2

Figura 3

.

Figura 1: Esquema d'un sistema generador de PM connectada a la xarxa.

Figura 2: Estructura de l'estator i la ranura.

Figura 3: Escena experimental.


118

[32] Títol de l’article: Electromagnetic-Force Study of Permanent Magnet about Large

Permanent Magnet Generator in Wind-power.

Autor o Font: Shan He, Weiqing Wang, Xinyan Zhang, Xiang Zhao i Liang Guo.


País editor: Xina.



Continguts: El generador síncron d’imants permanents “Jinfeng 62” (1,2 MW) està constituït

d'acord amb el model bidimensional (2D) amb un parell d’imants per àrea de pols. Es presenta

la hipòtesi de base i condició de frontera. Es calcula corrent trifàsica de curtcircuit essent

aquest abrupte, incloent el camp electromagnètic diversificat i la força electromagnètica que

exerceixen sobre els PM quan el generador funciona amb normalitat. L'efecte de la força

electromagnètica es va trobar mitjançant el càlcul del corrent a l’entreferro i l’angle de fase

verificat. Indica en general que la força electromagnètica que s’exerceix sobre els PM

augmentarà si disminueixen espai d'aire.

La força electromagnètica es redueix si el corrent també disminueix. Es calcula la força

tangencial i la radial dels imants permanents que obtenen una força de repulsió llunyana, quan

el curtcircuit trifàsic ja ha passat. Comparant amb les dades de l'experiment nominal, es

demostra que la intensitat del programa de resina es pot complir amb el sol·licitat. El resultat

es pot oferir una prova per la intensitat de resina corregida i el disseny del generador.

Conclusions: El document calcular el camp electromagnètic i les múltiples forces

electromagnètiques segons el model creat per “ANSYS”. En general, obligar a exercir els PM

com a repulsius, desconcertant el gir del rotor. Si l’entreferro és constant i el corrent a

l’armadura incrementa, augmentar la força electromagnètica. Si el corrent d'armadura és

invariable i l’entreferro mínim, es produeix un augment de la força. Fins i tot si el curtcircuit

abrupte trifàsic ha passat, la força a ampliar és menor i es redueix la intensitat de la resina de

poliamida.


119


Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 1: PMSG que circulen al Parc Eòlic.

Figura 2: Tall transversal de PMSG.

Figura 3: La distribució de densitat de flux magnètic.


120

[33] Títol de l’article: A Novel Five Phase Fault Tolerant Doubly Salient Electromagnetic

Generator for Direct Driven Wind Turbine.

Autor o Font: Deming Zhu, Xin Qiu, Nan Zhou i Yangguang Yan.

Universitat: Department of Aero-Power Sci-tech Center, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing, China.

País editor: Xina.



Continguts: L'objectiu d'aquest treball és presentar un nou generador electromagnètic de cinc

fases doblement sortint (DSEG) per a motors d’impulsió directa per turbines de vent. El nou

generador té les característiques següents: primer, la configuració del generador és simple i

fiable. La tensió de sortida està controlada fàcilment per corrent continu i els sensors de

posició i els convertidors de potència activa no són necessaris. En segon lloc, si es produeix un

debanament de fase o dos errors de debanament de fase no adjacents, no hi ha errors de

curtcircuit o fallades de circuit obert, ja que el generador encara pot subministrar la potència.

En tercer lloc, els corrents de fase fallada no tenen efecte en la relació de flux de la fase normal

i la calor també es pot aïllar a partir de la fase d'error a les fases normals. També es

desenvolupa un model d'elements finits i els resultats de simulació de la validesa del

generador electromagnètic de cinc fases doblement sortints (DSEG).

Conclusions: Finalment, les característiques clau del nou generador electromagnètic de cinc

fases doblement sortint (DSEG) per a motors d’impulsió directa per turbines de vent es poden

resumir de la següent manera:

(1) Els pols de l'estator de la DSEG es divideixen en pols per fase, i els pols de l'estator de fase

es va repartir per cinc pols de tolerància a faltes. Cada pol de fase està equipat amb una fase

que no es solapa amb el debanament concentrat mentre que els pols tolerants a faltes no

tenen enrotllaments.

(2) Per tal de mantenir l'auto-inductància del debanat de camp constant, la relació de l'ample

de pol de l'estator i el pas de l'estator pol és 1/2.


121

(3) El DSEG funciona en l'interval quan el pol del rotor llisca fora del pol de l'estator. Així, el

potencial de fase magnètica impedeix el flux de fase descendent, fent així que millori la

característica externa del generador.

(4) La forma d'ona de la FEM del DSEG és l'ona quadrada amb 144 graus més de la meitat del

cicle, i el desplaçament de fase entre fases adjacents és de 72 graus. Així que hi ha dos

enrotllaments de fase que ofereixen una potència a la càrrega en qualsevol moment. Quan un

debanament de fase o dos errors no adjacents de fase es produeixen, com ara un curtcircuit o

circuit obert, el generador encara pot subministrar la potència per a la càrrega i els corrents de

curtcircuit no tenen efecte en la relació de flux de la fase normal.


Figura 1

Figura 1: Estructura del generador DSEG tolerant a faltes de 10/8-pole.


122

3. Classificació dels autors

En aquest apartat es trobaran classificats els autors dels articles que formen part del contingut

del treball. Degut a les diferències estructurals dels articles, no tots aporten la mateixa

informació d’aquests, és a dir, alguns tenen petites bibliografies i d’altres únicament s’indica la

universitat a la que pertanyen.

Per tant, es poden diferenciar els autors classificats per universitat i els autors classificats amb

la seva fitxa tècnica pròpia. A més, he pogut observar grups que treballen en més d’un article

junts i també qui són els “directors” en la majoria dels casos, de la qual cosa també en deixaré

constància. La classificació s’estructura com en tot el treball (per països).

3.1 Autors classificats per universitat

Austràlia:

1. W. Wu:

CSIRO Telecommunications & Industrial Physics, Lindfiled.

2. V.S. Ramsden:

Faculty of Engineering, UTS, Broadway.

3. T. Crawford:

Westwind Turbines Pty Ltd, Kelmscott Western Australia.

4. G. Hill:

Westwind Turbines Pty Ltd, Kelmscott Western Australia.

5. J.Y. Chen:

Centre for Renewable Energy Systems Technology, Curtin University of Technology,

Perth.

6. C.V. Nayar:


Perth.

7. J. Rizk:

School of Mechatronic, Computer and Electrical Engineering, University of Westem


8. M. Nagrial:

School of Mechatronic, Computer and Electrical Engineering, University of Westem



123

9. Jian Yi Chen:


Perth.

10. Chem Nayar:


Perth.

11. D.M. Whaley:

School of Electrical and Electronic Engineering, University of Adelaide, Adelaide.

12. W.L. Soong:


13. N. Ertugrul:


14. D.G. Dorrell:

Faculty of Engineering and Information Technology, University of Technology, Sydney.

Corea:

15. Ki-Chan Kim:

Department of Electrical Engineering, Hanyang University, Seoul.

16. Seung-Bin Lim:


17. Ki-Bong Jang:


18. Sung-Gu Lee:


19. Ju Lee


20. Yeoung-Gyu Son:

Department of Motor Development, LG Innotek Co., LTD, GwangJu.

21. Young-Kil Yeo:

Department of R&D, SPG Co., LTD, Inchon.

22. Soo-Hyun Baek:

Department of Electrical Engineering, Dongguk University, Seoul.

23. Jang-Ho Seo:

School of Electrical Engineering and Computer Science, Seoul National University,

Seoul.


124

24. Sung-Min Kim:


Seoul.

25. Hyun-Kyo Jung:


Seoul.

26. Jian Li:

Department of Electrical Engineering, Dong-A University, Busan.

27. Da-Woon Choi:


28. Chang-Hum Cho:


29. Dae-Hyun Koo:

Electric Motor Research Center, Industry Applications Research Division, Korea

Electrotechnology Research Institute, Changwon.

30. Yun-Hyun Cho:


31. Tae-Uk Junng:

Department of Electrical Engineering, Kyungnam University, Changwon.

32. Jun-Seok Cho:

Motor Laboratory, Energy Components Division, LG Electronics Inc., Changwon.

33. Jiwoong Park:

Doosan Heavy Industries and Construction, Daejeon.

34. Jeongil Kim:


35. Youngho Shin:


36. Jeonghoon Lee:


37. Jongpo Park:


38. Kyoung-Jin Ko:

Chungnam National University, Daejeon.

39. Seok-Myeong Jang:



125

40. Ji-Hoon Park:


41. Han-Wook Cho:


42. Dae-Joon You:

Chungnam Provincial Cheongyang College, Chungcheongnam-do.

Nova Zelanda:

43. R.N. Sharma:

Department of Mechanical Engineering, Private Bag, The University of Auckland,

Auckland.

44. U.K. Madawala:

Department of Electrical and Computer Engineering, Private Bag, The University of

Auckland, Auckland.

Tailàndia:

45. P. Wannakarn:

Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Phra Nakhon, Bangkok.

46. T. Tanmaneeprasert:


47. N. Rugthaicharoencheep:


48. S. Nedphograw:


49. P. Hothongkham:

Dept. of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Siam University, Bangkok.

Turquia:

50. Tayfun Gündogdu:

Istanbul Technical University, Department of Electrical Engineering, Ayazaga Campus,

Maslak/Istanbul.

51. Güven Kömürgöz:

Istanbul Technical University, Department of Electrical Engineering, Ayazaga Campus,

Maslak/Istanbul.


126

Xina:

52. Mingyao Lin:

School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing, Jiangsu.

53. Li Hao:


54. Xin Li:


55. Xuming Zhao:


56. Jin Zhong:

Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong,

Hong Kong.

57. Jianzhong Zhang:

Engineering Research Center for Motion Control of MOE, School of Electrical

Engineering, Southeast University, Nanjing.

Institute of Energy Technology, Aalborg University, Aalborg, Denmark.

58. Wang Fengxiang:

School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang.

59. Bai Jianlong:


60. Hou Qingming:


61. Pan Jian:


62. Jiangui Li:


Hong Kong.

63. Wenlong Li:


Hong Kong.

64. Xikai Sun:

School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing.

Departament of Electrical & Computer Engineering, The Ohio State University,

Columbus, USA.


127

65. Yiguang Chen:

Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education,


66. Zhiming Du:



67. Weigang Zhong:



68. Lingbin Kong:



69. Wei Hua:


70. Longya Xu:

Departament of Electrical & Computer Engineering, The Ohio State University,

Columbus, USA.

71. Jianhu Yan:


72. Yunkai Huang:


73. Hengchuan Liu:


74. Min-Fu Hsieh:

Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering, National Cheng Kung

University, Tainan, Taiwan.

75. Yu-Han Yeh:



76. Samsul Ekram:



77. B. Xia:

College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou.


128

78. M.J. Jin:


79. J.X. Shen:


80. A.G. Zhang:


81. Shuangxia Niu:


Hong Kong.

82. Y.B. Li:

Department of Automation, Shanghai University, Shanghai.

83. Shoudao Huang:

College of Electrical &Information Engineering, Hunan University, Changsha.

84. Xin Long:

Xiangtan Electrical Machine Ltd. Co., Xiangtan.

85. Luoqiang Cai:

Xiangtan Electrical Machine Ltd. Co., Xiangtan.

86. Keyuan Huang:


87. Jian Gao:


88. Hongsheng Wang:


89. Wei Zhang:


90. Jiabing Hu:


91. Yikang He:


92. Jia-dan Wei:

Aero-power Sci-tech Center, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics YuDao

Street, Nanjing, Jiangsu Province.

93. Bo Zhou:




129

94. Fang-shun Cheng:



95. Zhuo-ran Zhang:



96. Chaoyan Hu:



97. Xiaojing Wu:



98. Shan He:

College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumchi.

99. Weiqing Wang:


100. Xinyan Zhang:


101. Xiang Zhao:

Gold Wind Science ＆Technology Co., Ltd., Urumchi.

102. Liang Guo:

Xinjiang Institute of Product Quality Supervision and Inspection, Urumchi.

103. Deming Zhu:

Department of Aero-Power Sci-tech Center, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing.

104. Xin Qiu:



105. Nan Zhou:



106. Yangguang Yan:




130

107. Jan Kumbernuss:

Renewable Energy Research Group (RERG), Department of Building Services

Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong.

108. Chen Jian:

Department of Electrical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong

Kong.

109. Junhua Wang:


Kong.

110. H.X. Yang:

Renewable Energy Research Group (RERG), Department of Building Services

Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong.

111. W.N. Fu:


Kong.


131

3.2 Autors amb fitxa tècnica pròpia

Tailàndia:

1. B. Sawetsakulanond:

Va néixer el 27 d’octubre d 1973 a Bangkok.

Va rebre l’Ing B. i M. Eng. Graus de Rei Mongkut de l’Institut de

Tecnologia Ladkrabang, Bangkok, Tailàndia, entre 1996 i 2000.

Actualment és investigador a l’Institut King Mongkut’s de

Tecnologia Ladkrabang, Bangkok, Tailàndia.

El seu camp d’interès inclou electrònica de potència, màquines

elèctriques i unitats.

2. V. Kinnares:

Va rebre l’Ing. B. i M. Eng. (Enginyeria Elèctrica) Graus d Rei

Mongkut de l’Institut de Tecnologia Ladkrabag, Bangkok,

Tailàndia. El Doctorat a la Universitat de Nottingham (Regne

Unit). Actualment és professor associat de l’Institut King

Mongkut’s de Tecnologia Ladkrabang.

Els seus interessos de recerca inclouen electrònica de potència,

màquines elèctriques i unitats.

Xina:

3. Linni Jian:

Va rebre el B. Eng. Grau de la Universitat Huazhong de Ciència i

Tecnologia, Wuhan, Xina, el 2003. També l’Ing. M. Grau a

l’Institut d’Enginyeria, Acadèmia de Ciències, Beijing, Xina, el

2006.

Actualment, està treballant amb el Doctorat d’aparells elèctrics i

Enginyeria Electrònica a la Universitat de Hong Kong.

Les seves investigacions es centren en les àrees de l’electricitat,

els vehicles elèctrics i la electrònica de potència. Es centra en el disseny d’engranatges

magnètics i la integració d’imants permanents a les màquines, així com també amb

màquines d’alta eficiència i estratègies de control.


132

4. K. T. Chau:

Va rebre la primera classe d’honors B. Sc. (Esp), M. Phil., i un

Doctorat en Enginyeria Elèctrica i Electronica de la Universitat de

Hong Kong, el 1988, 1991 i 1993, respectivament.

Actualment és professor al departament d’Enginyeria Elèctrica i

Electrònica i Director del Centre Internacional d’Investigadors

per a vehicles elèctrics, de la universitat de Hong Kong.

El seu ensenyament i la seva investigació es centren en tres

àrees principals: vehicles elèctrics, motors elèctrics i poder de la electrònica.

5. J. Z. Jiang:

Va rebre els graus B.E.E i M.E.E a la Universitat de Xangai Jiao

Tong, Xangai, Xina, el 1962 i 1965, respectivament.

Doctorat en grau d’Ing. a la Universitat Tècnica de

Braunschweig, Alemanya el 1988.

Actualment es professor al departament d’automatització, a la

Universitat de Xangai.

Els seus interessos de recerca es troben en l’alt rendiment dels

accionaments de velocitat variable, el disseny de la màquina elèctrica, vehicles

elèctrics i la generació d’energia eòlica.

6. Chunhua Liu:

Va rebre el B.Eng. i M. Eng. graus de l'Institut de Tecnologia de

Beijing, Beijing, Xina, el 2002 i 2005, respectivament, i el grau

doctorat de la Universitat de Hong Kong, Pokfulam, Hong Kong,

el 2009. Actualment s'exerceix com Investigador en el

Departament d'Enginyeria Elèctrica i Electrònica, a la Universitat

de Hong Kong. Els seus interessos de recerca inclouen motors

elèctrics, vehicles elèctrics, desenvolupament de l'energia

renovable (desenvolupament de la de l'energia eòlica), i sistemes de xarxes

intel·ligents.

7. Xiaodong Zhang:

Va rebre el B.Eng. i M. Eng. graus del Departament d'Automatització, La Universitat de

Tianjin, Tianjin, Xina, el 2002 i 2005, respectivament. En l'actualitat està treballant per


133

el doctorat grau al Departament d'Enginyeria Elèctrica i

Enginyeria Electrònica de la Universitat de Hong Kong, Hong

Kong. Els seus interessos de recerca inclouen les aplicacions de

fonts d'energia renovables.

8. Ming Cheng:

Va rebre el B.Sc. (Eng.) i M.Sc. (Eng.) graus en Enginyeria

elèctrica del Departament d'Enginyeria Elèctrica, Universitat del

Sud-est, Nanjing, Xina, el 1982 i 1987, respectivament, i un

doctorat en enginyeria elèctrica i electrònica del Departament

d'Enginyeria Elèctrica i Electrònica, Universitat de Hong Kong,

Hong Kong, el 2001.

Des de 1987, ha estat amb la Universitat del Sud-est, on

actualment és el cap i professor al Departament d'Enginyeria Elèctrica. Els seus els

interessos docents i de recerca inclouen les màquines elèctriques, unitats de motor, i

electrònica de potència. Ell ha estat autor o coautor de més de 50 documents tècnics i

és el titular de cinc patents en aquestes àrees.

9. Zhe Chen:

Va rebre el B.Eng. i M.Sc. graus a l’Institut d'Elèctrica Enginyeria

Elèctrica del nord-est de Xina, la ciutat de Jilin, Xina, el 1982 i

1986, respectivament, i un doctorat de la Universitat de

Durham, Durham, Regne Unit, el 1997, tots en enginyeria

elèctrica.

Va ser professor a la Universitat De Montfort, a Leicester, Regne

Unit, on també va ser professor titular. Des de 2002, ha estat

professor de Recerca en el Institut de Tecnologia d'Energia, la Universitat d'Aalborg,

Aalborg, Dinamarca, on actualment és professor, i el Coordinador del Programa

d'Energia Eòlica del Sistema d'Investigació. Les seves àrees de fons són els sistemes de

potència, electrònica de potència i màquines elèctriques. Els seus interessos de

recerca inclouen l'energia eòlica i els sistemes moderns d'energia. És autor o coautor

de més de 180 publicacions en el camp tècnic.


134

10. Xiping Liu:

Va rebre el B. S. Grau a la universitat de Hohai, Nanjing, el 1999,

el M. S. Grau a la universitat de Ciència i Tecnologia de Jiangxi,

Ganzhou, el 2004, i un doctorat del grau d’enginyeria elèctrica a

la universitat del sud-est, Nanjing el 2009.

Del 1999 al 2009 va ser professor a la Escola d‘Enginyeria

Mecànica i Elèctrica de Jiangxi de la Universitat de Ciència i

Tecnologia.

Està involucrat en l’anàlisi i disseny de les màquines síncrones d’imants permanents i la

tecnologia de la energia eòlica.

11. Heyun Lin:

Va rebre el B. S. Grau, M. S. Grau i en doctorat en enginyeria

elèctrica de la universitat de Nanjing, el 1985, 1989 i 1992,

respectivament.

Del 1992 al 1994, va ser becari post-doctoral al Sud-est de la

universitat de Nanjing. L’any 1994, es va incorporar a l’Escola

d’Enginyeria Elèctrica, a la universitat del Sud-est, com a

professor associat.

Es va convertir en Catedràtic l’any 2000. La seva investigació principal està relacionada

amb el disseny, l’anàlisi i el control dels motors d’imants permanents. També, els

aparells elèctrics intel·ligents i l’anàlisi del camp numèric electromagnètic.

És autor de més de 60 documents tècnics i titular de 10 patents.

12. Z. Q. Zhu:

(M'90-SM'00-F'09) va rebre el B. Eng. I M.Sc. graus de la

Universitat de Zhejiang, Hangzhou, Xina, el 1982 i 1984,

respectivament. També, el grau de doctorat de la Universitat de

Sheffield, Sheffield, Regne Unit, el 1991, tot en electricitat i

enginyeria electrònica. Del 1984 al 1988, va ser professor del

Departament d'Enginyeria Elèctrica, a la Universitat de Zhejiang.

Des de 1988, ha estat amb la Universitat de Sheffield, on va ser

inicialment un Investigador Associat i va ser nomenat posteriorment de forma pública

com a Oficial Sènior de Recerca/Sènior Research Scientist el 1992. Des del 2000, ha

estat professor de Màquines Elèctriques i Sistemes de Control amb el Departament


135

d'Enginyeria Elèctrica i Electrònica de la Universitat de Sheffield, i és el director del

grup de recerca de les Màquines Elèctriques i Accionaments. Els seus interessos de

recerca inclouen les principals aplicacions, control i disseny de màquines d'imants

permanents i unitats.

13. Chengfeng Yang:

Va rebre el B.S. i M.S. graus a la Universitat de Hohai, Nanjing,

Xina, el 1997 i 2002, respectivament, i un grau de doctorat de la

Universitat del Sud-est, Nanjing, Xina, el 2008, tot això en

enginyeria elèctrica.

Les seves principals àrees d'interès són l’anàlisi electromecànic i

disseny de la màquina elèctrica de corrent altern amb aplicació

de velocitat ajustable, i l’anàlisi del camp magnètic.

14. Shuhua Fang:

Va rebre el M.S. Grau de la Universitat de Ciència i Tecnologia de

Shandong, Jinan, Xina, el 2004. També rep el grau de Doctorat de

la Universitat del Sud-est, Nanjing, Xina, el 2008, amb enginyeria

elèctrica.

De 1998 a 2001, va ser un enginyer associat amb “the Xuzhou

Coal and Mine Machinery Factory” on les seves activitats de

recerca van ser principalment amb l’àrea del disseny, l’anàlisi i el

control d’aparells d’enginyeria elèctrica per al carbó i les mines.

Es va incorporar a l’escola d’enginyeria elèctrica, Universitat del Sud-est, com a

Professor l’any 2008. Els seus interessos de recerca inclouen el disseny d’un aparell

intel·ligent, simulació i control.

15. Jian Guo:

Va rebre el M.S. grau a la Universitat de Tecnologia de Shenyang,

Xina, el 2005, i un doctorat de la grau de la Universitat del Sud-

est, Nanjing, Xina, el 2008, ambdós d’enginyeria elèctrica.

Es va incorporar a la Facultat d'Enginyeria d'Automatització, a la

Universitat de Nanjing d'Aeronàutica i Astronàutica, Nanjing,

Xina, com a professor el 2008. La seva investigació principal està


136

relacionada amb el disseny dels transformadors i l'anàlisi del camp numèric

electromagnètic.

16. Ying Fan:

Va rebre la Llicenciatura (Eng.) i M.Sc. (Eng.) graus en enginyeria

elèctrica del Departament d'Enginyeria Elèctrica, a la Universitat

de Astronàutica i Aeronàutica, Nanjing, Xina, el 1991 i 1996,

respectivament. Ella esta actualment treballant per al doctorat

Llicenciat en enginyeria elèctrica i electrònica a la Universitat de

Hong Kong, Hong Kong. Els seus interessos de recerca es centren

en el disseny de màquines elèctriques, motor d'accionament de

control, electrònica de potència, modelatge i simulació.

17. T. F. Chan:

Va rebre la llicenciatura (Esp) i M. Phil. Graus en enginyeria

elèctrica de la Universitat de Hong Kong, Hong Kong, el 1974 i

1980, respectivament. Un doctorat de Llicenciat en Enginyeria

Elèctrica de la Universitat de la Ciutat, Londres, Regne Unit, l'any

2005.

Des de 1978, ell ha estat a la Universitat Politècnica de de Hong

Kong, Kowloon, Hong Kong, on actualment és professor associat

al Departament d'Enginyeria Elèctrica.

El 2007, coautor d'un llibre titulat Generació Distribuïda - La inducció i generadors

d'imants permanents. Els seus interessos de recerca actuals inclouen generadors

autoexcitats de corrent altern, generadors de corrent altern sense escombretes i

màquines d'imants permanents.

El Dr. Chan va ser guardonat amb un document atorgat pel IEEE Power Engineering

Society Power Generation i el Comitè de Desenvolupament de l'Energia al juny de

2006.

18. L. L. Lai:

Va rebre el B. Sc. (First Class honors) i un grau doctoral de la Universitat d’Aston,

Birmingham, Regne Unit, el 1980 i 1984, respectivament. També, el D. Sc. Grau per la

Universitat de la ciutat de Londres, Regene Unit, l’any 2005.


137

En l’actualitat és el cap de “Energy Systems Group”, de la ciutat

universitària. Ell és un professor visitant a la Universitat del Sud-

est de Nanjing, Xina. També professor Convidat a la Universitat

de Fudan, a Xangai, Xina.

És autor o coautor de més de 200 articles tècnics, i ha estat

premiat diversos cops. Actualment, els seus interessos de recerca

inclouen l’energia elèctrica i la computació evolutiva.

19. Shuming Xie:

Va rebre el Grau B. Eng. en el sector industrial de l’automatització

a l’Institut de “Hebei Mineral and Metallurgical”, Beijing, Xina, el

1983. El 1987 va llicenciar-se amb M. Eng. En màquines

elèctriques a la universitat de Shenyang, Xina. També va

doctorar-se amb Enginyeria la Universitat de Jilin, Xina, l’any

2000.

Actualment és professor associat a la Universitat de Tecnologia

de Shenyang.

Els seus interessos d’investigació actuals inclouen les màquines elèctriques i el control

de la enginyeria.

20. Weimin Wang:

Neix a la Xina. Va rebre els graus B. Eng. i M. Eng. A la universitat

de Sichuan, Chengdu, el 1994 i el 1997, respectivament. També el

D. Eng. Llicenciat en enginyeria mecànica de la Universitat de

Tecnologia del Sud, Guangzhou, l’any 2000.

Actualment, és investigador associat al Departament d’Enginyeria

Elèctrica a la Universitat Politècnica de Hong Kong.

Els interessos de la seva investigació actual inclouen el control de

la màquina elèctrica, els motors d’imants permanents i l’anàlisi de les màquines

elèctriques rotatives.

21. Hui Li:

Va rebre el M.Eng. i doctorat graus en enginyeria elèctrica de la Universitat de

Chongqing, Chongqing, Xina, el 2000 i 2004, respectivament. Va ser professor a la

Universitat de Chongqing, on ha estat professor associat de maquinària i aparells


138

elèctrics des de l'any 2002 i també un investigador amb el

Laboratori Clau Estatal d'Equips de Transmissió de Potència i el

Sistema de Seguretat i Noves Tecnologies. Actualment és

investigador postdoctoral a l'Institut de Tecnologia d'Energia, a la

Universitat d'Aalborg, Aalborg, Dinamarca. El seus interessos

actuals de recerca inclouen les màquines elèctriques i sistemes

d'energia eòlica.


139

3.3 Relacions entre autors (equips de treball)

En aquest apartat es veuran relacionats els diferents autors, ja que després de la observació

detallada dels creadors dels articles, es poden diferenciar grups que acostumen a fer les

investigacions conjuntes o bé comparteixen els mateixos interessos i inquietuds.

Grup 1:

J. Y. Chen - Centre for Renewable Energy Systems Technology, Perth, Austràlia.

C. V. Nayar - Centre for Renewable Energy Systems Technology, Perth, Austràlia.

*Treballen a 2 articles de manera conjunta.

Grup 2:

B. Sawetsakulanond – King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Tailàndia.

V. Kinnares - King Mongkut’s Institute of Technology Ladkrabang, Bangkok, Tailàndia.


Grup 3:

K. T. Chau - The University of Hong Kong, Hong Kong, Xina.

Y. Fan - The University of Hong Kong, Hong Kong, Xina.

M. Cheng - Southeast University, Nanjing, Xina.


Grup 4:

Z. Chen - Southeast University, Nanjing, Xina.

J. Zhang - Southeast University, Nanjing, Xina.

M. Cheng - Southeast University, Nanjing, Xina.


Grup 5:


S. Niu - The University of Hong Kong, Hong Kong, Xina.


Grup 6:

Z. Chen - Chongqing University, Chongqing, Xina.

H. Li - Chongqing University, Chongqing, Xina.



140

Grup 7:

Z. Q. Zhu - University of Sheffield, Sheffield, U.K.

H. Lin - Southeast University, Nanjing, Xina.


Grup 8:


C. Liu - The University of Hong Kong, Hong Kong, Xina.


Grup 9:


J. Z. Jiang - Shanghai University, Shanghai, Xina.


Grup 10:

T. F. Chan - The Hong Kong Polytechnic University, Kowloon, Hong Kong, Xina.

L. L. Lai - Southeast University, Nanjing, Xina.


Per concloure cal destacar la importància d’alguns dels autors dels articles, ja que com es pot

veure als grups, hi ha algun nom que apareix més d’una vegada i possiblement sigui la persona

encarregada de portar la direcció de la investigació.

També remarcar que els grups de recerca no sempre són amb membres de la mateixa

universitat. Això pot suposar un intercanvi de coneixements més ampli ja que tot i que la base

teòrica sigui la mateixa, sempre existeixen diferents processos a l’hora de realitzar el treball.


141

4. Estudis estadístics

4.1 Relació país/nº d’articles

PAÍS Nº D’ARTICLES

Austràlia 5

Corea 6

Nova Zelanda 2

Tailàndia 3

Turquia 1

Xina 33

Com indica el títol, en aquesta gràfica podem observar la relació que hi ha entre els països i el

nombre d’articles elaborats per aquests. Com es pot veure clarament, la Xina sobresurt per

sobre de tots els altres països estudiats, aportant més de la meitat dels articles. Seguint la Xina

trobem, Corea i Austràlia.

El fet de tenir la majoria total amb aquest aspecte és degut al gran interès de recerca que té el

país enfront als aerogeneradors. Cal destacar però que és un país amb un alt nombre

d’habitants i això també afecta me manera directa a les dades que reflecteix el gràfic.

RELACIÓ PAÍS/Nº ARTICLES

Austràlia

Corea

Nova Zelanda

Tailàndia

Turquia

Xina


142

4.2 Relació nombre d’articles, any de publicació i universitats

ANY DE PUBLICACIÓ Nº D’ARTICLES

1998 2

2000 1

2003 1

2004 1

2005 2

2006 2

2007 3

2008 3

2009 10

2010 6

2011 9

2012 1

En aquesta gràfica es veu clarament com en aquesta última dècada els articles d’investigació

sobre les màquines elèctriques per a generadors elèctrics en molins de vent han augmentat

notablement, sobretot a partir de l’any 2009 fins l’actualitat. Així, podem dir, que aquest fet

correspon amb la realitat, ja que durant aquest període s’han dut a terme la instal·lació de

molts parcs d’aerogeneradors.

A més, amb la línia vermella podem observar amb més claredat la tendència a l’augment de la

investigació en aquest camp. Queda així evidenciada la progressió referent al món de la

energia eòlica.

0

2

4

6

8

10

12

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014

RELACIÓ ANY PUBLICACIÓ/Nº ARTICLES


143

Cal destacar d’aquest gràfic que del 2012 només s’ha trobat un article ja que encara no s’ha

finalitzat. També dir que del total dels articles amb els que estem treballant, aproximadament

en el 20% no s’indica la data de publicació i per tant no apareixen quantificats en aquest gràfic.

D’altra banda, també es pot relacionar el número d’articles publicats per cada universitat. Així

doncs, per cada país s’elabora un gràfic on s’observa a l’eix vertical el numero de publicacions i

a l’horitzontal les universitats.

Austràlia:


144

Corea:

Nova Zelanda:


145

Tailàndia:

Turquia:


146

Xina:


147

4.3 Autors amb més representació

L’objectiu d’aquest apartat és deixar constància dels autors que apareixen més als articles

estudiats. Per realitzar això, a la taula que apareix a continuació es podrà observar el nom del

autor i el numero de vegades que s’ha pogut identificar als articles.

Cal recordar que l’estudi està referenciat a un total de cinquanta articles. També destacar que

únicament es citen en aquest apartat els autors que com a mínim tenen dues aparicions, ja

que els que aporten la seva presencia un sol cop són la majoria i per tant no són

representatius.

NOM AUTOR Nº APARICIONS NOM AUTOR Nº APARICIONS

K. T. Chau 8 Heyun Lin 3

Chunhua Liu 5 Ying Fan 2

Z. Chen 5 Shuangxia Niu 2

J. Z. Jiang 4 M. Cheng 2

T. F. Chau 4 Shuhua Fang 2

L. L. Lai 4 J. Y. Chen 2

Z. Q. Zhu 4 C. V. Nayar 2

Ming Cheng 3 V. Kinnares 2

J. Zhang 3 B. Sawetsakulanond 2

H. Li 3

Cal dir que en els articles estudiats els autors no es presenten de manera individual, sinó que

en tots els casos les investigacions són dutes a terme de manera grupal.

A la taula trobem en primera posició a K. T. Chau, representant de la Xina, que és el que aporta

més articles. Cal destacar-lo ja que treballa amb diferents grups de recerca. De la mateixa

manera també destacar a Chunhua Liu i Z. Chen per ser els següents en aportar el major

nombre d’articles.

Per últim, també dir que tots els autors, a excepció dels últims quatre de la taula, són

corresponents als estudis de les universitats xineses. Els quatre restants són corresponents a

Austràlia i Tailàndia, respectivament (dos i dos).


148

4.4 Topologia dels generadors estudiats

A la taula següent es veuen exposats els diferents tipus d’aerogeneradors que es poden

diferenciar als articles, com també el numero d’aparicions de cadascun d’ells.

TIPUS DE GENERADOR Nº APARICIONS

Generador Síncron d’Imants Permanents 41

Generador Síncron d’Inducció Autoexcitat 2

Generador Síncron d’Excitació Hibrida 1

Generador Síncron d’Eix Vertical 1

Generador Síncron Electromagnètic de 5 Fases 1

No s’especifica 4

Veient la taula queda clar amb quina topologia s’està treballant majoritàriament. Cal destacar

però, que aquestes quaranta-i-una aparicions tot i estar englobades dintre de la categoria de

Generador Síncron d’Imants Permanents, tenen variacions destacables entre els models que

apareixen en cadascun dels articles. Per tant, queda clara la tendència actual sobre la

investigació de la topologia emprada en els aerogeneradors.

Dit això, seguidament considero oportú explicar el principi de funcionament d’aquest tipus de

generador, ja que és el més investigat i amb el que es treballa més avui en dia.

Un generador síncron és una màquina elèctrica que arrossegada per un motor primari, en el

nostre cas el vent, que és capaç de generar energia elèctrica. Com qualsevol màquina elèctrica

giratòria, consta d'un estator i d'un rotor. Els imants permanents, van allotjats a l'interior del

rotor distribuïts uniformement al llarg del seu perímetre interior i són els pols magnètics els

encarregats de crear el camp magnètic bàsic a la màquina.

L’estator de la màquina està format per xapes d'acer magnètic d'alta qualitat i allotja en les

seves ranures els debanats de l'induït, formats per un nombre d'espires de coure. És en

aquestes espires on s'induirà una tensió de freqüència proporcional a la velocitat de gir del

rotor.

Com a resultat d'aquesta interacció entre rotor i estator, obtindrem una tensió trifàsica

equilibrada. El sistema elèctric de l'aerogenerador inclou tots els components necessaris per

convertir l'energia mecànica en energia elèctrica, així com tots els elements auxiliars i sistemes


149

de control. No obstant això, l'element principal, i per tant a partir del qual es dissenyen tots, és

el seu convertidor electromecànic: el generador.

En principi, en una turbina eòlica per a generació d'energia elèctrica, es pot utilitzar qualsevol

tipus de generador. La demanda d'energia compatible amb la xarxa s'aconsegueix mitjançant

convertidors de freqüència, sigui quin sigui el tipus de corrent que subministri el generador,

contínua o alterna. En l'actualitat, el més habitual és la generació d'energia alterna trifàsica.

Les màquines d'imants permanents tenen una sèrie d'avantatges tècnics i econòmics sobre les

màquines excitades elèctricament. Alguns dels avantatges es poden resumir així:

- No necessiten potència extra per alimentar el camp d'excitació magnètic del debanament.

- Milloren l'eficiència i de les característiques tèrmiques de la màquina a causa de l'absència de

pèrdues de camp.

- Més fiabilitat a causa de l'absència de components mecànics.

- Major relació potència/pes. Una màquina AC de rotor debanat té una relació P/W de 75 W/kg

mentre que una d'imants permanents de la mateixa potència té un relació de 160 W/kg.

- Millores en la resposta dinàmica de l’accionament a causa del reemplaçament del bobinatge

del ferro per imants permanents d'alta energia.

El terme imant permanent fa referència a la capacitat d'un material de retenir un valor de

magnetisme romanent després de ser imantat per algun mitjà. A més de ser resistent a la

desmagnetització, un imant permanent té la propietat de conservar el seu magnetisme amb el

temps.

Des de fa temps se sap que un corrent elèctric genera un camp magnètic al seu voltant. A

l'interior de la matèria existeixen petits corrents tancats deguts al moviment dels electrons

que contenen els àtoms. Cadascuna d'aquestes corrents origina un microscòpic dipol

magnètic. Quan aquests dipols estan orientats en direccions aleatòries, els seus efectes

s'anul·len mútuament i el material no presenta propietats magnètiques, en canvi si tots els

dipols s'alineen actuen com un únic imant i en aquest cas diem que la substància s'ha

magnetitzat.


150

Mitjançant la corba d'histèresi podem observar la manera com es produeix la magnetització

d'un material. Aquesta corba representa la intensitat del camp magnètic enfrontada a la

densitat de flux. A l'hora de comprovar les capacitats magnètiques d'un material, el més

important és el valor màxim del producte B-H.

A continuació s'exposa la corba de magnetització d'un material ferromagnètic:

- Al principi, la magnetització no és permanent fins que s'assoleix un valor límit. Aquest

interval és l'anomenada zona reversible.

- En un determinat punt, la magnetització es produeix de forma proporcional. En aquest punt

s'inicia l'anomenada zona lineal.

- Finalment, s'arriba un instant a partir del qual, per molta força magnètica que s’introdueixi

al material, ja no es magnetitza més. Aquest és l'anomenat punt de inducció de saturació, que

determina l'inici de l'anomenada zona o colze de saturació. El punt a qual es reflecteix el

producte B-H màxim.

Figura 1: Corba d’histèresis per un material ferromagnètic.

Material dels Imants Permanents

Un altre punt a destacar és el material del que estan fets els imants permanents, ja que per tal

de millorar el rendiment existeix una investigació constant. Actualment, el material del que

estem parlant és el Neodimi.


151

Un imant de neodimi (també conegut com imant NdFeB, NIB, o Neo) és el tipus d'imant de

terres rares més extensament utilitzat. Es tracta d’un imant permanent fet d'aliatge de

neodimi, ferro i bor, combinats per formar un compost que cristal·litza en el sistema cristal·lí

tetragonal amb la fórmula empírica Nd2Fe14B. Aquest material va ser desenvolupat el 1982 per

General Motors i la divisió de metalls especials de la Sumitomo Metal Industries. Els imants de

neodimi són el tipus més poderós fet per l'home. Han reemplaçat a altres tipus d’imants en

moltíssimes aplicacions de la indústria moderna que requereix imants permanents de gran

poder, aplicacions tal com la fabricació de màquines elèctriques.

Figura 2: Corbes de magnetització de diferents materials.


152

4.5 Tipus de flux als generadors

Segons la topologia de cada generador el flux varia en relació al seu principi de funcionament.

És per això que s’ha fet la següent classificació dels articles amb els quals s’està treballant.

Principi de funcionament del generador de flux axial:

En un generador de flux axial, el flux magnètic passa per les bobines en direcció paral·lela a

l'eix de la màquina. Es compon d'un rotor frontal, un estator i un rotor posterior. Tots dos

rotors estan units per un eix longitudinal. La disposició d'aquestes parts en el generador es pot

apreciar a la figura 1 (estructura d’un generador de flux axial).

Figura 1

0

2

4

6

8

10

12

Axial Radial Transversal

TIPUS DE FLUX/Nº ARTICLES


153

L'estator conté bobines de coure, en les quals s'indueix el voltatge producte del flux variable

que produeix el camp magnètic dels imants permanents situats en els rotors frontal i posterior.

L'estator està muntat en una base fixa, immòbil.

Els imants permanents es situen de manera que el flux magnètic passa d'un rotor a un altre,

creuant a través de les bobines de l'estator, mentre l'eix del rotor gira, s'indueix així el voltatge

sinusoïdal en els terminals de les bobines. Cal indicar que aquesta configuració permet el

creixement de la màquina de forma modular, en agregar un altre estator de bobines

juntament amb un altre rotor d'imants.

Principi de funcionament del generador de flux radial:

Bàsicament, hi ha dos tipus d’aerogeneradors de flux radial en l'aplicació real com es mostra

en la figura 2 (rotor interior i rotor exterior).

Figura 2

En els generadors de flux radial, els imants es col·loquen sobre la superfície lateral d'un cilindre

que gira al voltant del seu propi eix com s’aprecia a la figura 3 (estructura d’un generador de

flux radial). En aquest cas el camp magnètic dels imants és perpendicular a l'eix de gir, i per

tant va en direcció radial, i d'aquí la frase "flux radial" que realment significa camp magnètic en

direcció radial o perpendicular a l'eix de gir.


154

Figura 3


155

4.6 Tipus d’accionament de l’eix rotatori

Definicions bàsiques generals:

Gòndola: És el compartiment situat al cim de la torre, per darrere de la aspes o pales, en la

majoria dels eòlics, i que alberga en el seu interior al generador elèctric i altres parts

necessàries per al funcionament de l'aerogenerador.

Aspes o pales i torre: Les pales són els elements més delicats pel que fa al disseny; es troben

sotmeses a intenses càrregues aerodinàmiques, degudes a les velocitats tangencials dels seus

extrems i que poden portar al límit la resistència del material, ja que els aerogeneradors estan

preparats per resistir huracans. Normalment es fabriquen de materials lleugers, com la fibra de

vidre o el carboni. En funció del nombre de pales poden ser monopala, bipala, tripala o

multipala. Tot i que al mercat es pot trobar aerogeneradors d'una a sis pales, els tripala són els

més habituals, ja que solen combinar millors rendiments amb millors característiques de

funcionament. Permeten aconseguir rendiments propers al 40% i són els més emprats per a

aplicacions eòliques d'elevada potència.

La torre situa el generador a una major alçada, on els vents són de major intensitat i permeten

el gir de les pales i transmeten les càrregues de l'equip a terra.

Dit això podem definir dos tipus diferents d’accionament de l’eix rotatori.

Tipus 1: Aerogenerador amb multiplicadora.

Angle de pas de les aspes igual per a les tres (cas tripala).

Parts del aerogenerador:

Ca: Coberta aerodinàmica. Cobreix el rotor proporcionant un perfil aerodinàmic.

As: Aspes o pales. Son les que sota la acció del vent i degut a la forma del perfil que oposen,

exerceixen una força sobre l’eix que fa rotar el conjunt.

Ro: Rotor. Fixa les pales al eix, segons la simetria.

Er: Eix del rotor. Vincula les aspes i el rotor amb la gòndola, permet el gir del conjunt recolzant-

se amb el cavallet i connecta les aspes amb el generador a través del multiplicador.

Ca: Cavallet. Sosté el conjunt del rotor i les aspes subjectes a la gòndola, permetent girar al eix

del rotor.

Cu: Conta voltes. Conta la quantitat de voltes que dona la gòndola i en quin sentit les dona, per

a protegir els cables del aerogenerador que baixen fins la base de la torre del possible dany de


156

retorçar-se. Quan la quantitat de voltes arriba al límit establert, el sentit de gir s’inverteix i el

conte es torna a iniciar.

Mu: Multiplicadora. Multiplica la quantitat de girs del eix del rotor respecte al eix del

generador d’electricitat. Una relació típica és de 1 a 50 (un gir de Er equival a 50girs de Eg).

Eg: Eix del generador d’electricitat. Rep una força del vent a través de la multiplicadora

acoblada al generador.

Ge: Generador d’electricitat. Transforma la energia del vent en energia elèctrica.

Ve: Ventilador. Refrigera la gòndola.

Mo: Motor de gir de la gòndola. Mou la gòndola en forma circular sobre la torre, orientant

l’aerogenerador per a arribar a totes les possibles direccions del vent.

T: Torre. Situa i sosté a l’aerogenerador a la altura en la que aprofita millor la força del vent,

segons els estudis preliminars a la zona d’implantació i del disseny del aerogenerador.

Tipus 2: Aerogenerador amb acoblament directe al rotor.

Angle de pas de les aspes diferent. Velocitat del rotor variable.

Parts del aerogenerador:

Sp: Suport principal. Subjecta l’eix del aerogenerador a la plataforma de la gòndola.

Ep: Eix principal. Suporta el gir de les aspes i del rotor del generador d’anell. Aquest eix roman

fixe.

http://www.lawebdelasenergiasrenovables.com/wp-content/uploads/2011/08/PartesAerogeneradorE.jpg


157

Ga: Generador d’anell. És el generador elèctric del aerogenerador, al dibuix es veu que és la

part fixa, que és l’estator. La part mòbil del generador d’anell es denomina rotor del generador

i es mou encaixada a dintre del estator.

Br: El “bije” del rotor està acoblat al rotor del generador elèctric i al conjunt de les aspes, i

permeten el gir sobre l’eix que roman fixe.

P: Pales o aspes. Les pales estan acoblades al rotor del generador elèctric i al conjunt de les

aspes, i permeten el gir sobre l’eix que roman fixe.

Mo: Motor d’orientació. El motor d’orientació està acoblat al rotor del generador elèctric i al

conjunt de les aspes, i permet el gir sobre l’eix que roman fixe.

En aquests generadors l’acoblament és directe, ja que estan els components principals sobre el

mateix eix i no existeixen ni brides ni juntes de cap classe. A més tenen menys parts mòbils, ja

siguin eixos o engranatges.

La seva velocitat de rotació és menor si la comparem amb l’altre tipus. Són coneguts com a

generadors de baixa velocitat.

http://www.lawebdelasenergiasrenovables.com/wp-content/uploads/2011/08/AerogeneradorAnilloE.jpg


158

Un cop feta aquesta introducció als dos tipus diferents d’accionament de l’eix rotatori, cal

comentar què podem trobar als articles amb referència a aquesta classificació. Com que no és

útil fer un gràfic il·lustrador del numero de cadascun d’ells, a continuació apareix la relació.

En primer lloc, pel que fa al tipus d’accionament directe, tenim disset articles els quals

apliquen aquesta tipologia. Cal destacar que aquesta té moltes observacions que la tracten

d’avantatjosa, ja que amb menys material i menys complexitat pot arribar a treballar a la

velocitat requerida.

Per contra, tenim catorze articles que utilitzen la multiplicadora o caixa de canvi per tal

d’adaptar la velocitat d’arribada al generador. Aquesta implica major espai i més material,

però pot ajustar la velocitat a intervals molt més concrets.


159

4.7 Potències dels prototips

Un cop observats tots els articles, en la major part un cop està estudiat el disseny es realitza

una màquina prototip per tal de fer els assajos corresponents i veure si s’arriba als resultats

obtinguts durant la investigació teòrica. Es per això que considero oportú fet una classificació

de les potències en les que s’acostuma a treballar, tot i que no predomina una majoria en cap

valor determinat.

VALOR DE LA POTÈNCIA Nº APARICIONS VALOR DE LA POTÈNCIA Nº APARICIONS

400 W 1 10 KW 4

0.6 KW 2 15 KW 1

0.75 KW 2 20 KW 4

1.5 KW 4 1.5 MW 4

2 KW 3 2 MW 2

3 KW 2 3 MW 2

5 KW 2 10 MW 1

Es pot observar a la taula un ampli ventall de possibles potencies, les quals no aporten una

informació extra al no haver cap valor predominant. Tot i això, tenim uns valors més repetits

que són 1.5 KW, 10 KW, 20 KW i 1.5 MW.

Cal dir però que les potencies en les que es fan les màquines prototip, no sempre són les que

s’apliquen al fabricar els aerogeneradors. Normalment són valors més petits amb els quals

s’estudia amb més facilitat el comportament i la posta en marxa. Un cop s’ha donat el vist i

plau i es construeix el model definitiu, la potència s’augmenta al valor que s’ha projectat i pel

qual s’han realitzat les proves amb la màquina prototip.


160

5. Conclusions

Un cop finalitzats tots els apartats anteriors per dur a terme un anàlisi detallat dels articles

referents a l’energia eòlica, en podem extreure unes conclusions que estaran directament

relacionades amb els objectius marcats en un primer moment. A continuació en passarem a fer

esment:

- Despès de fer l’anàlisi de tots els articles i fer un estudi detallat podem veure que els

tipus de generadors elèctrics més utilitzats en la zona d’Àsia i Oceania són els

generadors síncron d’imants permanents. Aquest tipus de generador inclou moltes

variants del mateix model, com per exemple, la variable del flux (axial o radial).

- Al llarg del temps s’ha pogut observar que majoritàriament s’estudien els

aerogeneradors d’imants permanents, però tot i això, si que es veu una evolució clara

dins d’aquests. Un exemple molt clar el veiem en el material del qual estan formats els

imants, ja que actualment s’utilitza una mescla de metalls per a la seva formació que

tenen molta més potència que els utilitzats anys enrere.

- S’ha pogut veure com la majoria d’autors que participen en els projectes estudiats

corresponen a les universitats xineses. Aquest fet el podem relacionar amb el fet que

la Xina sigui el país que aporta més articles i que més està impulsant i desenvolupant

les energies renovables.

D’altra banda, també cal dir que tots els autors citats treballen en grups d’investigació,

tot i que cal remarcar que alguns d’ells participen en diversos articles, tal com es pot

veure detalladament en l’apartat 3.3. d’aquest treball.

- Pel que fa a les universitats, per tal de situar-les correctament en el seu context

geogràfic, s’han indicat en cada país estudiat sobre un mapa; d’aquesta manera,

visualment és molt més fàcil de situar cadascuna d’aquestes universitats que

participen en les diferents investigacions.

També dir, que moltes de les universitats citades, tenen un lligam força estret amb

d’altres universitats per mitjà dels autors dels articles de recerca, ja que aquests

comparteixen diferents investigacions.

- Un dels apartats més importants d’aquest treball ha estat l’elaboració de diferents

estadístiques a partir de la informació aconseguida mitjançant l’anàlisi dels articles

d’investigació. A continuació passaré a fer esment de cadascuna d’aquestes:

· Relació país/nº d’articles. Tal com es pot observar a la taula, el país que

aporta més articles és la Xina, seguit de Corea i Austràlia.


161

· Relació nombre d’articles/any de publicació. Es pot observar clarament en el

gràfic que en els últims anys la tendència a la investigació de la energia

renovable eòlica ha anat en augment.

· Autors amb més representació.Com ja hem nombrat anteriorment, hi ha

alguns autors que tenen més representació i suposadament són els directors

de les investigacions.

· Topologia dels generadors estudiats. Revistats tots els articles, queda clar que

la investigació actual es basa amb el generador síncron d’imants permanents

que pot tenir diferents variants.

· Tipus de flux als generadors. El tipus de flux que més es dóna als generadors

és l’axial, tot i que no està molt desmarcat del radial.

· Tipus d’accionament de l’eix rotatori. Podem diferenciar dos tipus

d’accionament de l’eix rotatori; el directe i l’aplicació de multiplicador. En

trobem dels dos tipus per igual, ja que això va en funció de l’adaptació a la

velocitat del vent.

· Potències dels prototips. No trobem cap valor normalitzat ja que en cada

investigació es treballa de manera diferent, però si que tenim alguns valors

que són més típics.

Un cop dutes a termes les conclusions anteriors, de manera personal puc dir que l’elaboració

d’aquest Projecte Final de Carrera ha estat una tasca costosa, ja que requereix una quantitat

elevada de temps, a més de la dificultat en la recerca d’articles vàlids per a la investigació. Tot i

això, un cop finalitzat, em sento força satisfet amb el treball final aconseguit, així com també

amb els objectius assolits.

Aquest treball no és del perfil que acostumen a fer els enginyers, però cal tenir en compte

totes les hores de dedicació per poder dur a terme una investigació real i detallada sobre la

temàtica estudiada. Pel que fa a experiència, no he assolit l’experiència que aporten els típics

treballs d’oficina, però si que he après a desenvolupar-me en el món de la recerca i la

investigació, que no deixa de ser menys important en tots els àmbits de la societat.


162

6. Bibliografia

6.1 Referències

Les referències bibliogràfiques són un conjunt mínim de dades que permeten la identificació

d'una publicació o d'una part d'aquesta (per exemple de monografies, publicacions en sèrie,

articles, patents) i tot tipus de contenidors d'informació.

En el meu cas, les referències a citar són d’articles normalment publicats dins d'una revista o

diari. Els camps per citar articles de revista o diaris són:

El títol de l'article, l’autor de l'article, el títol de la revista o diari, la edició, el número de la

revista i data i el numero de pàgines.

La cita bibliogràfica tindrà, en el meu cas, la següent estructura:

[numero*] Nom/s dels autors (separats amb comes i amb els noms abreviats); “Nom del article

en qüestió”; Any de publicació.

*La numeració anirà referenciada a cada país, és a dir, cada país començarà al 1 fins el numero

d’articles que tingui. Els articles sense data de publicació aniran al final de cada país (s’indica

amb S/D).

REFERÈNCIES:

Austràlia:

[1] J. Y. Chen, C. V. Nayar; “A Direct-coupled, Wind-driven Permanent Magnet Generator”;

1998.

[2] J. Y. Chen, C. Nayar; “Design and FE Analysis of an Outer-Rotor PM Generator for Directly –

Coupled Wind Turbine Applications”; 1998.

[3] W. Wu, V.S. Ramsden, T. Crawford, G.Hill; “A Low-Speed, High-Torque, Direct-Drive

Permanent Magnet Generator For Wind Turbines”; 2000.

[4] D. M. Whaley, W. L. Soong, N. Ertugrul; “Investigation of Switched-Mode Rectifier for

Control of Small-Scale Wind Turbines”; 2005.

[5] J. Rizk, M. Nagrial; “Design of permanent-magnet generators for wind turbines”; S/D.


163

Corea:

[1] J. Park, J. Kim, Y. Shin, J. Lee, J. Park; “3 MW class offshore wind turbine development”;

2009.

[2] J. H. Seo, S. M. Kim, H. K. Jung; “Rotor-Design Strategy of IPMSM for 42 V Integrated Starter

Generator”; 2010.

[3] K. J. Ko, S. M. Jang, J. H. Park, H. W. Cho, D. J. You; “Electromagnetic Performance Analysis

of Wind Power Generator With Outer Permanent Magnet Rotor Based on Turbine

Characteristics Variation Over Nominal Wind Speed”; 2011.

[4] J. Li, D. W. Choi, C. H. Cho, D. H. Koo, Y. H. Cho; “Eddy-Current Calculation of Solid

Components in Fractional Slot Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Machines”; 2011.

[5] T. U. Jung, J. S. Cho; “Electromagnetic Structural Design Analysis and Performance

Improvement of AFPM Generator for Small Wind Turbine”; 2011.

[6] K. C. Kim, S. B. Lim, K. B. Jang, S. G. Lee, J. Lee, Y. G. Son, Y.K. Yeo, S. H. Baek; “Analysis on

the Direct-Driven High Power Permanent Magnet Generator for Wind Turbine”; S/D.

Nova Zelanda:

[1] M. Fee, M. P. Staines, R. G. Buckley, P. A. Watterson, J. G. Zhu; “Calculation of AC Loss in an

HTS Wind Turbine Generator”; 2003.

[2] R.N. Sharmaa, U.K. Madawalab; “The concept of a smart wind turbine system”; 2011.

Tailàndia:

[1] B. Sawetsakulanond, P. Hothongkham, V. Kinnares; “Design and Construction of a Three

Phase of Self-Exited Induction Generator”; 2008.

[2] B. Sawetsakulanond, V. Kinnares; “Design, analysis, and construction of a small scale self-

excited induction generator for a wind energy application”; 2010.

[3] P. Wannakarn, T. Tanmaneeprasert, N. Rugthaicharoencheep, S. Nedphograw; “Design and

Construction of Axial Flux Permanent Magnet Generator for Wind Turbine Generated DC

Voltage at Rated Power 1500 W”; 2011.

Turquia:

[1] T. Gündogdu, G. Kömürgöz; “Technological and economical analysis of salient pole and

permanent magnet synchronous machines designed for wind turbines”; 2012.


164

Xina:

[1] K. T. Chau, Y. Fan, M. Cheng; “A Novel Three-Phase Doubly Salient Permanent Magnet

Machine for Wind Power Generation”; 2004.

[2] Y. Fan, K. T. Chau, M. Cheng; “A New Three-Phase Doubly Salient Permanent Magnet


[3] K. T. Chau, Y. B. Li, J. Z. Jiang, S. Niu; “Design and Control of a PM Brushless Hybrid

Generator for Wind Power Application”; 2006.

[4] S. Niu, K. T. Chau, J. Z. Jiang, C. Liu; “Design and Control of a New Double-Stator Cup-Rotor

Permanent-Magnet Machine for Wind Power Generation”; 2006.

[5] J. Zhang, Z. Chen, M. Cheng; “Design and comparison of a novel stator interior permanent

magnet generator for direct-drive wind turbines”; 2007.

[6] T. F. Chan, L. L. Lai; “An Axial-Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator for a Direct-

Coupled Wind-Turbine System”; 2007.

[7] H. Li, Z. Chen; “Overview of different wind generator Systems and their comparisons”; 2007.

[8] J. Zhang, M. Cheng, Z. Chen; “Optimal design of stator interior permanent magnet machine

with minimized cogging torque for wind power application”; 2008.

[9] H. Li, Z. Chen; “Design optimization and site matching of direct-drive permanent magnet

wind power generator Systems”; 2008.

[10] Q. Deng, X. Peng, W. Xie; “Design of Axial Flux Permanent Magnet Synchronous

Generators with Soft Magnetic Compound(SMC) stator Core”; 2009.

[11] J. Yan, H. Lin, Y. Huang, H. Liu, Z.Q. Zhu; “Magnetic Field Analysis of a Novel Flux Switching

Transverse Flux Permanent Magnet Wind Generator with 3-D FEM”; 2009.

[12] M. Hsieh, D. G. Dorrell, Y. Yeh, S. Ekram; “Cogging Torque Reduction in Axial Flux Machines

for Small Wind Turbines”; 2009.

[13] T. F. Chan, L. L. Lai; “A Novel Wind Energy System”; 2009.

[14] T. F. Chan, L. L. Lai, S. Xie; “Field Computation for an Axial Flux Permanent-Magnet

Synchronous Generator”; 2009.


165

[15] H. Li, Z. Chen, H. Polinder; “Optimization of Multibrid Permanent-Magnet Wind Generator

Systems”; 2009.

[16] L. Jian, K. T. Chau, J. Z. Jiang; “A Magnetic-Geared Outer-Rotor Permanent-Magnet

Brushless Machine for Wind Power Generation”; 2009.

[17] X. Liu, H. Lin, Z. Q. Zhu, C. Yang, S. Fang, J. Guo; “A novel Dual-Stator Hybrid Exited

Synchronous Wind Generator”; 2009.

[18] X. Sun, M. Cheng, W. Hua, L. Xu; “Optimal Design of Double-Layer Permanent Magnet Dual

Mechanical Port Machine for Wind Power Application”; 2009.

[19] B. Xia, M.J. Jin, J.X. Shen, A.G. Zhang; “Design and Analysis of an Air-Cored Axial Flux

Permanent Magnet Generator for Small Wind Power Application”; 2010.

[20] C. Liu, K.T. Chau, X. Zhang; “An Efficient Wind–Photovoltaic Hybrid Generation System

Using Doubly Excited Permanent-Magnet Brushless Machine”; 2010.

[21] J. Li, K. T. Chau, J. Z. Jiang, C. Liu, W. Li; “A New Efficient Permanent-Magnet Vernier


[22] T. F. Chan, W. Wang, L. L. Lai; “Magnet Synchronous Generator From 3-D Finite-Element

Analysis”; 2010.

[23] H. Lin, X. Liu, Z. Q. Zhu, S. Fang; “Analysis and control of a dual-stator hybrid excitation

synchronous wind generator”; 2011.

[24] J. Kumbernuss, C. Jian, J. Wang, H. X. Yang, W.N. Fu; “A novel magnetic levitated bearing

system for Vertical Axis Wind Turbines (VAWT)”; 2011.

[25] M. Lin, L. Hao, X. Li, X. Zhao, Z. Q. Zhu; “A Novel Axial Field Flux-Switching Permanent

Magnet Wind Power Generator”; 2011.

[26] C. Liu, J. Zhong, K. T. Chau; “A Novel Flux-Controllable Vernier Permanent-Magnet

Machine”; 2011.

[27] W. Fengxiang, B. Jianlong, H. Qingming, P. Jian; “Design Features of Low Speed Permanent

Magnet Generator Direct Driven by Wind Turbine”; S/D.

[28] Y. Chen, Z. Du, W. Zhong, L. Kong; “Modular Stator Structure Permanent Magnet

Synchronous Machine”; S/D.


166

[29] J. Wei, B. Zhou, F. Cheng, Z. Zhang, C. Hu, X. Wu; “A New Three-Phase Doubly Salient

Electrical Magnet Generator for Direct-Driven Wind Power Generation”; S/D.

[30] H. Wang , W. Zhang , J. Hu, Y. He; “Design and Optimization of Proportional Resonant

Controller for Rotor Current of a Wind Turbine Driven DFIG”; S/D.

[31] S. Huang, X. Long, L. Cai, K. Huang, J. Gao; “An Engineering Design of a 2MW Direct-drive

Permanent-magnet Wind-power Generation System”; S/D.

[32] S. He, W. Wang, X. Zhang, X. Zhao, L. Guo; “Electromagnetic-Force Study of Permanent

Magnet about Large Permanent Magnet Generator in Wind-power”; S/D.

[33] D. Zhu, X. Qiu, N. Zhou, Y. Yan; “A Novel Five Phase Fault Tolerant Doubly Salient

Electromagnetic Generator for Direct Driven Wind Turbine”; S/D.

Projecte Final de Carrera - URVdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1848pub.pdf · Projecte Final...

Documents

Transcript of Projecte Final de Carrera - URVdeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/1848pub.pdf · Projecte Final...