Cómo se utilizan los generadores síncronos de imanes permanentes en las turbinas eólicas
La tecnología síncrona de imanes permanentes se utiliza ampliamente en las máquinas eléctricas modernas, desde motores industriales hasta generadores de energía eólica.
Sin embargo, en una turbina eólica, la máquina de imán permanente normalmente funciona como generador, no como motor. Por esta razón, el término generador síncrono de imanes permanentes (PMSG) es más preciso que PMSM cuando se habla de la unidad principal de generación de energía dentro de una turbina eólica.
Los principios electromagnéticos están estrechamente relacionados, pero la dirección de conversión de energía es diferente.
Un PMSM convierte la energía eléctrica en rotación mecánica. Un PMSG hace lo contrario: la transmisión giratoria de la turbina eólica suministra energía mecánica al generador, que la convierte en energía eléctrica.
Comprender esta distinción hace que sea mucho más fácil ver dónde encaja la tecnología de imanes permanentes en los sistemas modernos de energía eólica.
¿Dónde se ubica el generador de imanes permanentes en una turbina eólica?
El viento hace girar las palas y el rotor de la turbina.
Luego, el generador debe convertir esa rotación mecánica en electricidad.
Hay dos disposiciones generales de transmisión.
Turbinas eólicas con engranajes
En una transmisión por engranajes, el rotor de la turbina gira relativamente lentamente.
Una caja de cambios aumenta la velocidad de rotación antes de que la energía mecánica llegue al generador.
Esto permite que el generador funcione a una velocidad de rotación más alta que el rotor de la turbina.
Por tanto, el objetivo de la caja de cambios es satisfacer los requisitos de velocidad mecánica del rotor y del generador. No debería describirse simplemente como "adaptar la frecuencia de la red", porque las turbinas modernas de velocidad variable normalmente utilizan componentes electrónicos de potencia entre el generador y la red.
Turbinas eólicas de accionamiento directo
Un sistema de transmisión directa elimina la caja de cambios principal.
El generador está conectado mucho más directamente al rotor de la turbina y, por lo tanto, tiene que funcionar a una velocidad mucho menor mientras produce un par elevado.
Esto cambia significativamente el diseño del generador.
Los generadores de imanes permanentes de accionamiento directo suelen tener un diámetro mayor y utilizan múltiples polos magnéticos para que se pueda producir una salida eléctrica útil a baja velocidad de rotación.
¿Por qué utilizar imanes permanentes?
Un generador síncrono de imán permanente crea su campo magnético de rotor con imanes permanentes en lugar de un devanado de excitación del rotor.
Esto ofrece varias características útiles para aplicaciones de energía eólica.
Sin corriente de excitación del rotor
Debido a que el campo magnético es producido por imanes permanentes, el rotor no requiere un sistema de excitación eléctrica separado.
Esto puede reducir las pérdidas eléctricas del rotor y simplificar parte de la estructura del generador.
Adecuado para diseños de baja velocidad y alto torque
Las máquinas de imanes permanentes pueden diseñarse con muchos polos y una alta densidad de par.
Esto es particularmente relevante para los sistemas eólicos de accionamiento directo, donde la velocidad del generador es baja y el par mecánico es alto.
Compatible con operación de velocidad variable
La velocidad del viento cambia continuamente.
Operar la turbina a velocidad variable puede permitir que el rotor permanezca más cerca de su condición operativa aerodinámica preferida en una gama más amplia de condiciones de viento.
Los generadores de imanes permanentes se utilizan comúnmente con convertidores electrónicos de potencia total, lo que permite que la frecuencia del generador varíe independientemente de la frecuencia de la red.
Esto hace posible el funcionamiento a velocidad variable sin necesidad de que el rotor mecánico funcione a una velocidad síncrona fija conectada directamente a la red.
¿Qué papel juega el convertidor de potencia?
El generador es sólo una parte del sistema eléctrico de la turbina eólica.
En muchas turbinas eólicas de imán permanente, la energía eléctrica del generador pasa a través de un convertidor CA/CC/CA de gran escala antes de llegar a la red.
Este convertidor realiza varias funciones importantes.
Permite que el generador funcione a velocidad variable, convierte la salida del generador de frecuencia variable en energía eléctrica compatible con la red y proporciona control sobre la potencia activa y reactiva en los terminales de la turbina.
Esta distinción es importante porque la capacidad de soportar la red no debe atribuirse a los propios imanes permanentes.
El generador produce energía eléctrica, mientras que el convertidor y el sistema de control de la turbina gestionan cómo se entrega esa energía a la red.
La transmisión directa no significa "siempre mejor"
Quitar la caja de cambios puede reducir la cantidad de componentes del tren motriz y eliminar un subsistema mecánico importante.
Esto puede resultar atractivo cuando el acceso al mantenimiento es difícil.
Sin embargo, los generadores de accionamiento directo también plantean sus propios desafíos de ingeniería.
Un generador de baja velocidad generalmente necesita una estructura electromagnética más grande para producir el par requerido. Los sistemas de accionamiento directo con imanes permanentes también pueden utilizar cantidades importantes de material magnético de tierras raras.
Esta es la razón por la que siguen existiendo arquitecturas de turbinas eólicas tanto con engranajes como con accionamiento directo.
La elección adecuada depende de la potencia de la turbina, la velocidad del rotor, el diseño del generador, el peso, la estrategia de mantenimiento, el costo del material y la economía general del sistema.
Dónde encaja la tecnología de imán permanente Axial-Flux
La mayoría de la gente asocia los grandes generadores eólicos con máquinas de flujo radial, pero la tecnología de imanes permanentes de flujo axial también es relevante para diseños de generadores compactos y especializados.
En una máquina de flujo axial, el flujo magnético viaja principalmente a lo largo del eje del motor o generador en lugar de radialmente a través de una estructura cilíndrica convencional.
La arquitectura puede ofrecer una alta densidad de par y una longitud axial relativamente corta.
Para generadores de accionamiento directo más pequeños o aplicaciones donde el empaquetamiento y la densidad de torque son importantes, esto hace que valga la pena considerar la tecnología de flujo axial.
Jiangnan Electric actualmente desarrolla máquinas de imanes permanentes de flujo axial además de productos PMSM convencionales. La gama de flujo axial publicada por la empresa cubre múltiples configuraciones de voltaje, velocidad, refrigeración y montaje.
La misma plataforma electromagnética puede ser relevante para el desarrollo de motores y generadores, pero un producto de motor no debe presentarse automáticamente como un generador eólico sin una validación electromagnética, térmica y mecánica específica de la aplicación.
Aplicaciones de energía eólica eléctrica y de imán permanente de Jiangnan
Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. fabrica actualmente varias familias de motores síncronos de imán permanente, incluidos PMSM convencionales, diseños de alto par y baja velocidad y máquinas de imán permanente de flujo axial.
Algunas de las plataformas de productos existentes demuestran características que también son importantes en el desarrollo de generadores de energía eólica.
Por ejemplo, la plataforma JNPM520-45 de Jiangnan tiene una potencia nominal de 45 kW y 245 rpm con un par nominal de 1754 N·m. Aunque se desarrolló para una aplicación industrial de transmisión directa en lugar de presentarse aquí como un generador de turbina eólica, la combinación de baja velocidad y alto torque ilustra el tipo de desafío de diseño electromagnético que también se encuentra en los sistemas de generación de transmisión directa.
La cartera de flujo axial de Jiangnan también incluye máquinas de imán permanente diseñadas alrededor de estructuras axiales compactas y operación de velocidad variable.
El sitio web actual de la compañía enumera además productos de imanes permanentes para aplicaciones de energía eólica de baja velocidad del viento y de pequeña a mediana escala.
Sin embargo, para un proyecto real de energía eólica, el proceso de selección debería comenzar con los requisitos del generador en lugar de elegir un motor existente sólo por su potencia nominal.
¿Qué información se necesita para un proyecto de generador de energía eólica?
Antes de evaluar un generador de imanes permanentes, es necesario definir varias condiciones de funcionamiento.
La información importante incluye:
- potencia eléctrica nominal;
- velocidad nominal y máxima del rotor;
- par continuo y máximo;
- voltaje de salida requerido;
- rango de frecuencia del generador;
- método de enfriamiento;
- disposición de montaje;
- interfaz de eje o de transmisión directa;
- condiciones ambientales esperadas;
- nivel de protección;
- topología del convertidor;
- servicio de funcionamiento continuo.
Para un proyecto de transmisión directa, la velocidad y el par del rotor son especialmente importantes porque el generador debe manejar la carga de la turbina sin depender de una caja de engranajes de alta relación.
Para los sistemas de energía eólica pequeños y medianos, el embalaje, el peso del generador, el costo del convertidor y los requisitos de mantenimiento también pueden afectar en gran medida el diseño final.
PMSM o PMSG: la terminología importa
Los motores síncronos de imanes permanentes y los generadores síncronos de imanes permanentes se basan en principios electromagnéticos estrechamente relacionados.
Pero sus funciones operativas son diferentes.
Un PMSM normalmente convierte la energía eléctrica en producción mecánica.
Un PMSG convierte la entrada mecánica en energía eléctrica.
Por lo tanto, en las turbinas eólicas, la principal máquina de conversión de energía se describe más exactamente como PMSG.
Para los clientes que desarrollan equipos de energía eólica, la pregunta importante no es simplemente si se puede instalar un PMSM existente en una turbina.
El enfoque correcto es definir primero la velocidad del generador, el par, el voltaje, las condiciones térmicas, la interfaz mecánica y el sistema convertidor requeridos y luego diseñar o seleccionar la máquina de imán permanente según esos requisitos.
Descargo de responsabilidad
La información contenida en este artículo se proporciona únicamente como referencia general. Las especificaciones del producto, el rendimiento, las opciones de configuración y la idoneidad deben evaluarse en detalle para la aplicación prevista y las condiciones de funcionamiento reales. Antes de seleccionar, comprar o utilizar un producto, confirme los detalles relevantes con Jiangnan Electric y consulte la documentación técnica aplicable y las especificaciones acordadas. Este artículo no reemplaza las instrucciones específicas del producto ni una evaluación de ingeniería profesional.
