GENERADOR SÍNCRONO DE MUY BAJAS REVOLUCIONES

A D O R S ÍN C R O N O D E M U Y B A JA S R E V O LU C IO N E S

GENERADOR SÍNCRONO DE MUY BAJAS REVOLUCIONES

Director: Talavera, Juan Antonio.

Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia de Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

El objetivo de este proyecto es el diseño de un generador síncrono de rotor bobinado, que se utilizará para un aerogenerador offshore sin multiplicadora. Las principales ventajas de esta elección son: el mejor aprovechamiento de la potencia del viento en el mar en comparación con la energía eólica terrestre, ya que la rugosidad es menor; y mejorar aún más el rendimiento de este tipo de turbinas marinas eliminando uno de los elementos que está sometido a un alto desgaste, así como a elevadas cargas mecánicas. Se trata de la multiplicadora, un tren de engranajes cuya función es elevar la lenta velocidad de giro de las aspas. No obstante, también tiene inconvenientes, pues el hecho de que las revoluciones en el eje sean muy bajas, implica que tiene que resistir un par muy elevado, lo que se traduce en un aumento considerable de las dimensiones del generador.

Este proyecto está centrado en la máquina rotativa más empleada en las centrales eléctricas: el generador síncrono de rotor bobinado. La principal ventaja de esta configuración es un mejor control de la potencia reactiva que se inyecta a la red, ya que se puede acceder a la excitación. El diseño va a optimizarse para las tan exigentes especificaciones de muy alto par y muy bajas revoluciones que a continuación se muestran:

E R A D O R S ÍN C R O N O D E M U Y B A JA S R E V O LU C IO N E S Magnitudes Valor Potencia nominal 5 MW Velocidad nominal 10 rpm Frecuencia 30 Hz Tensión nominal 6 KV

Para el diseño de la máquina, el proyecto consta en primer lugar, de un estudio de modelos de características similares ya existentes en el mercado, a partir del cual se obtienen las dimensiones más básicas de un generador: el diámetro de entrehierro, y la longitud axial. A continuación, se lleva a cabo un proceso iterativo en el que se definen unas magnitudes fijas, y otras variables, cuyo valor se irá modificando en función del cumplimiento de las condiciones establecidas para el correcto funcionamiento de la máquina, y la verificación de las especificaciones iniciales.

El primer punto de este proceso iterativo es la comprobación en todas las secciones de que el material no satura, habiendo fijado un campo en el entrehierro de 0.6T, y un Bmáximo en el acero de 1.1T. A continuación se modela el

circuito magnético equivalente del generador, para obtener la corriente de excitación, así como el número de espiras necesarias en el rotor. Cabe destacar el elevado número de polos, 360, con el que se diseña este generador debido a la baja velocidad de rotación especificada. Para terminar de diseñar las ranuras del rotor, se comprueba que la sección de cobre requerida, determinada por la densidad de corriente y la intensidad que circula por estos devanados, es menor que la sección de ranura de la que se dispone.

La segunda etapa del proceso iterativo es el diseño del estator, estudiando primero la tensión que se induce en sus bobinas, así como la elección y el estudio del devanado de inducido. Un factor crítico para ello es el número de espiras por

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polo y por fase del generador, que en este caso se escoge un valor igual a la unidad. Esta elección tiene ventajas, como la simplificación del mecanizado de las ranuras del estator: 1080, pero también supone inconvenientes, ya que no se suprimen los armónicos que causan las ranuras, y éstos quedan presentes en la curva de la f.e.m. Para compensar este efecto, se construye la dentadura del estator con un cierto grado de oblicuidad.

El último paso para determinar por completo las dimensiones de las ranuras del estator es comprobar que la sección de cobre requerida, es menor que la sección de ranura de la que se dispone, teniendo en cuenta el grosor del aislamiento que requiere un nivel de media tensión (0.5mm/kV).

Una vez quedan fijadas las dimensiones del generador, se seleccionan los materiales de protección y aislamiento de ambos devanados, así como la estructura mecánica sobre la cual se realizará el montaje de la máquina, teniendo en cuenta el eje, los cojinetes y los ejes nervados.

Para obtener conclusiones del diseño realizado, se calcula el rendimiento del generador a través del circuito eléctrico equivalente. En vistas del resultado: 90.4%, se decide llevar a cabo un proceso de optimización para aumentar el rendimiento hasta un valor de 92.3%. Ello se consigue disminuyendo la densidad de corriente en rotor y estator.

Se completa el proyecto con la realización del estudio económico y el presupuesto, así como con la elaboración de los planos del generador con la herramienta de diseño en tres dimensiones CATIA.

Como conclusión, decir que la viabilidad del proyecto queda asegurada, con un precio final por generador de 1 555 901 €.

E R A D O R S ÍN C R O N O D E M U Y B A JA S R E V O LU C IO N E S

VERY SLOW REVOLUTIONS SYNCHRONOUS GENERATOR

Director: Talavera, Juan Antonio

Entidad Colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia de Comillas

SUMMARY

The purpose of this project is the design of a synchronous generator with a winding rotor, to be used in offshore wind turbines without gearbox. The main advantages include: increase use of sea wind power compared to onshore wind, as the rugosity is less, and furthermore, improves the performance of this type of marine turbines eliminating one of the elements that are subject to high wear, as well as high mechanical load: the gearbox. It is a gear train whose function is to increase the slow speed of the blades. However, it also has disadvantages, as the revolutions of the shaft are very low, making it to withstand very high torque, resulting in a considerable increase in the size of the generator.

This project focuses on the rotary machine most used in power plants, the synchronous generator with winding rotor. One important advantage of this configuration is a better control of the reactive power injected into the network, which is accessible to excitation. The design will be optimized for the highly demanding specifications: very high torque and low revolutions, as shown below:

A D O R S ÍN C R O N O D E M U Y B A JA S R E V O LU C IO N E S

For the design of the machine, the project consists on a market study of similar models, from which the generator basic dimensions are obtained: air gap diameter, and axial length. After, an iterative process is done, were fixed magnitudes are defined, and other variables, that their values will be modified according to the conditions set for the proper functioning of the machine, and the verification of the initial specifications.

The first point of this iterative process is to check the area of the unsaturated material, having fixed a B-field of 0.6T in the gap, and a maximum of 1.1T in the steel. Second, the generator’s equivalent magnetic circuit is modeled, to obtain the excitation current and the number of turns required in the rotor. It is worth noting the high number of poles, 360, with which this generator is designed due to the low rotation speed specified. To complete design of the rotor slots, the copper area required is checked so it is less than the slot area available, which is calculated by the current density and current through these windings.

The second stage of the iterative process is the design of the stator, studying first the voltage induced in its coils, and the selection and study of armature winding. A critical factor for this is the generator’s number of turns per pole per phase, which in this case is chosen to be equal to one. The advantage of this is that it makes the machining of the stator’s slots more simple: 1080, but also has problems, since it does not eliminate the harmonics that cause the slots, which

Magnitudes Value

Rated Power 5 MW

Rated Speed 10 rpm

Frequency 30 Hz

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will appear in the emf curve. To compensate this effect, the stator teeth are constructed with some degree of obliquity.

The last step to determine fully the stator slot’s dimensions, is to ensure that the required copper area is less than the slot area available, taking into account the insulation thickness that requires an average voltage level (0.5mm/kV).

Once the generator’s dimensions are fixed, materials are selected for protection and isolation of the windings and the mechanical structure where the machine will be assembled, taking into account the shaft, bearings and shafts nerved.

In order to get a conclusion for the design, the generator’s efficiency is calculated with an equivalent circuit. With a 90.4% as a result, it was decided to perform an optimization process to increase efficiency to 92.3%. This is achieved by decreasing the current density in the rotor and stator.

The project includes an economic study and a budget, as well as the generator’s drawings, which were done with CATIA, a three-dimension software tool.

In conclusion, the project's viability is assured, with a final price per generator of € 1,555,901.