Energia Eolica Parte ottava

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1 Energia Eolica Parte ottava Generatori elettrici per l energia eolica Corso di ENERGETICA A.A. 2012/2013 Docente: Prof. Renato Ricci

2 Introduzione al generatore La quasi totalità della potenza elettrica di cui hanno bisogno le attività umane viene prodotta accoppiando un motore primo con un generatore elettrico che converte l energia meccanica in energia elettrica. Infatti sono pochi i metodi di produzione dell energia elettrica senza passare per l energia meccanica, come le tecnologie fotovoltaica ed elettrochimica (fuel cell). I principali tipi di motori primi sono: Turbine a vapore Turbine a gas Turbine idrauliche Turbine eoliche Motori a combustione interna In questo elenco le turbine eoliche spiccano per le condizioni di carico fortemente non stazionarie e imprevedibili cui esse sono sottoposte. Le fluttuazioni di coppia motrice aerodinamica dovute ad effetti periodici (flusso disturbato attorno alla torre, asimmetrie del flusso per imperfetto allineamento del rotore al vento etc.) o ad effetti aperiodici (variazioni di velocità del vento, raffiche etc.) richiedono prestazioni notevoli ai componenti. Per il comportamento degli impianti eolici di potenza occorre dare particolare rilievo al generatore come sorgente di coppia resistente. Esso sta alla base della scelta della velocità di rotazione della turbina, e quindi delle condizioni di efficienza aerodinamica del rotore (legate al rapporto di velocità λ=ωr/u di esercizio). Per la loro robustezza i generatori usati negli impianti eolici sono quasi unicamente i sincroni e gli asincroni trifase. Pag. 2

3 Introduzione al generatore Le macchine elettriche sono normalmente suddivise in 3 gruppi: Macchine dc Macchine ac asincrone Macchine ac sincrone Le dc non vengono più usate per scopi di generazione elettrica perché: Richiedono elevata manutenzione Hanno bassa potenza per unità di massa Non sono adatte per gli avvolgimenti ad alta tensione Nell'eolico sono usati sia i generatori sincroni sia gli asincroni, compresi i generatori a induzione (macchine asincrone a sola alimentazione statorica). Perlopiù si tratta di generatori trifase. La macchina ac standard: Ha uno statore esterno che porta l'avvolgimento principale Il rotore è interno allo statore, con uno strato d'aria - il traferro - atto a permettere la rotazione Il campo magnetico che attraversa il traferro in direzione radiale crea un'interazione tra rotore e statore Ci sono anche altri tipi di generatori: Generatori a cassa rotante (rotore esterno) Macchine assiali La reversibilità delle macchine elettriche può essere usata per l'avvio delle HAWT in modalità motore. Inoltre in alcune condizioni i generatori sono usati come freni elettromagnetici Requisiti per le HAWT: Buona elasticità di funzionamento (basso dm/dω) Bassa coppia di avvio: cogging torque Elevata efficienza in diverse condizioni di velocità Pag. 3

4 Il generatore sincrono Queste macchine hanno uno statore dotato di avvolgimenti trifase. Il rotore, detto induttore, fornisce il flusso magnetico, per mezzo di avvolgimenti di eccitazione o di magneti permanenti. La corrente DC di eccitazione è tipicamente trasmessa al rotore tramite contatti striscianti e spazzole. Esistono casi in cui la corrente di eccitazione viene fornita mediante un eccitatore polifase accoppiato e relativo raddrizzatore rotante. Questa soluzione è comune però solo nei turbo-alternatori nelle centrali elettriche. Il voltaggio dipende dal tipo di generatore, dalla velocità del rotore, dalle caratteristiche di eccitazione e di carico. In isola il voltaggio può essere regolato agendo sulla corrente di eccitazione. La pulsazione delle tensioni generate è data dalla velocità angolare meccanica del rotore per il numero di coppie polari 2 f p m Se il generatore è collegato direttamente alla rete sia tensione sia frequenza sono dettati dalla rete. L avvio nelle HAWT viene fatto normalmente grazie al vento, spesso agevolandolo regolando il pitch. Sono rari i sincroni usati in modalità motore (se presente sistema ausiliario a induzione). statore Eccitazione mediante corrente DC Generatore a magneti permanenti (PMSG) Pag. 4

5 Il generatore sincrono L alternatore, o generatore sincrono, è una macchina elettrica a corrente alternata avente una velocità di rotazione rigidamente legata ala frequenza del circuito a cui è connesso. Questa è la velocità di sincronismo. Il principio di funzionamento è lo stesso della dinamo: un moto di rotazione relativa di un campo magnetico induttore e un sistema di conduttori di indotto opportunamente collegati tra loro. Rispetto alle dinamo non c è un commutatore, ma solo 2 contatti striscianti per trasferire la corrente DC di eccitazione al rotore. Infatti conviene porre l induttore sul rotore in quanto le correnti da trasferire mediante contatti striscianti sono quelle di eccitazione, assai minori di quelle erogate dall indotto.. Si possono avere rotori a poli salienti (nella figura di sinistra è mostrato un 4 poli) oppure rotori a poli lisci (nella figura di destra è mostrato un 2 poli). Il rotore a poli lisci ha un ingombro radiale più contenuto, quindi miglior comportamento all azione centrifuga. Il rotore a poli lisci viene adottato per gli alternatori accoppiati alle turbine a vapore od a gas, caratterizzati da elevate velocità di rotazione (1500 o 3000 rpm). Le turbine eoliche invece adottano in genere poli salienti. Avvolgimenti rotanti Pag. 5

6 Il generatore sincrono Modello di Behn Eschemburg (1 fase) carico Si assume un collegamento trifase a stella (Y). Sia P la potenza attiva trifase P 3V I cos (V e I sono in valori efficaci) XIcos P s Y Y 3VE Y X s 0 0 sin sin X I = reattanza di reazione X D = reattanza di dispersione X S = X I + X D reattanza sincrona R 0 = resistenza (qui sarà trascurata) C P m 3V Y E p X s 0 sin In δ=90 c è la max coppia e il limite di stabilità Si possono valutare gli effetti della reazione di indotto attribuendo a ciascuna fase dell avvolgimento una induttanza fittizia in cui si generi una f.e.m. pari a quella che in realtà è dovuta alla rotazione del campo di indotto. In più ci sarà una induttanza di dispersione (flussi magnetici che si chiudono in aria) e la resistenza elettrica di avvolgimento R 0 δ è l angolo di carico, lo sfasamento tra f.e.m E 0 legata al solo campo induttore e f.e.m. complessiva V Y in una fase. Applicare una coppia motrice C ad un alternatore collegato ad una rete AC di frequenza costante anticipa (nel senso del moto) la fase del rotore di un angolo δ/p, ma non ne altera la rotazione sincrona se non nel transitorio. L angolo di carico viene mantenuto molto inferiore a 90 (tipicamente < 25 ) per non rischiare instabilità e quindi perdita di sincronismo Pag. 6

7 Il generatore sincrono Disaccoppiamento dalla frequenza di rete: motivazioni La coppia e la potenza erogata dipendono dall angolo di sfasamento del rotore La coppia può essere variata anche variando la corrente di eccitazione nei generatori predisposti I generatori sincroni direttamente connessi alla rete formano un sistema rigido che propaga gli sbalzi di coppia come fluttuazioni di potenza elettrica Le sorgenti di coppia periodica di una HAWT contribuiscono alle fluttuazioni Pertanto i generatori sincroni adottano quasi in tutti i casi dei convertitori di frequenza con circuito DC intermedio: accoppiamento elastico alla rete. I convertitori moderni sono dispositivi di elettronica di potenza. Consistono in sistemi di controllo elettronico che azionano interruttori elettronici quali tiristori (SCR e GTO) e transistori di potenza Esempio di raddrizzatore controllato mediante ponte di tiristori (SCR) Pag. 7

8 Il generatore asincrono Macchine asincrone Sono molto diffuse anche nelle HAWT per via della loro robustezza economicità e semplicità di collegamento alla rete. In alcuni casi vengono usati come motore per l avvio, specie se in assenza di pitch variabile Tipologie di rotori: - Rotore a gabbia di scoiattolo (in corto circuito) - Rotore avvolto con contatti striscianti (avvolgimenti di rotore simili a quelli di statore) Pag. 8

9 Il generatore asincrono Lo statore alimentato dalla rete trifase è simile agli statori degli alternatori. La corrente trifase che vi scorre produce un campo magnetico rotante che induce f.e.m. negli avvolgimenti cortocircuitati di rotore (macchina a induzione). La frequenza di questo voltaggio dipende dalla velocità del rotore. Se il rotore è fermo questa frequenza è uguale alla frequenza di rete (sincrona): il sistema lavora come un trasformatore con una uscita in corto circuito. Grazie alla corrente di rotore e al campo nel traferro si sviluppano forze tangenziali sui conduttori del rotore. Alla velocità di sincronismo il rotore vede un campo B statico, perciò la corrente di rotore si annulla e con essa la coppia. Se si applica una coppia motrice (accelerante) il rotore supera la velocità di sincronismo. Per s<0 la macchina si comporta da generatore. n = rpm p s s r s m s Lo scorrimento s normalmente è molto contenuto (<5%). Nonostante si operi a velocità pressoché costante l elasticità della curva permette, in alcune turbine eoliche di piccola taglia, di accoppiare direttamente il generatore alla rete (ciò che non avviene per i generatori sincroni). m Pag. 9

10 Il generatore asincrono Circuito equivalente di una macchina a induzione: c è una resistenza variabile con lo scorrimento R 2 /s. Essa diventa negativa nei generatori Caratteristica meccanica: coppia M al variare dello scorrimento s M M M s p p p 1 s s p 2 s s 1 L LL 2 h 1 2 p 2 kpv 1 2 L R2 ' L 1 i μ è la corrente di magnetizzazione del circuito magnetico che dev essere fornita dalla rete, consumando potenza reattiva nell induttanza L 1h Pag. 10

11 Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile Controllo dello scorrimento La resistenza degli avvolgimenti di rotore R 2 determina il valore della velocità di massima coppia e la pendenza della curva di coppia in corrispondenza della velocità di sincronismo: l elasticità di funzionamento durante il carico. A parità di coppia è possibile raggiungere l equilibrio in diverse velocità di rotazione. Per esempio il sistema Optislip di Vestas adotta questa soluzione. s p M R2 ' L p 1 2 kpv 1 2 L 1 Pag. 11

12 Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile Numero di poli variabile Per poter lavorare a 2 velocità di sincronismo con uno stesso generatore, si possono usare le macchine a numero di coppie polari p variabili Esempio di avvolgimenti di statore con numero di poli variabili da 8 a 4 In questi casi si usa il rotore a gabbia di scoiattolo Pag. 12

13 Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile Controllo di velocità con un convertitore allo statore La velocità di una macchina a induzione può essere variata se la rotazione della macchina può essere impostata indipendentemente dalla frequenza di rete. Questo si fa usando convertitori di frequenza: un raddrizzatore- invertitore (inverter) AC-DC-AC permette di regolare frequenze e tensioni disaccoppiando la macchina dalla pulsazione di rete. Il convertitore lato generatore deve anche fornire potenza reattiva al generatore. V Controllo di tensione Per mantenere la coppia max const si modula la tensione entro i limiti di progetto Pag. 13

14 Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile Convertitore bidirezionale: in regime supersincrono il rotore eroga potenza in rete, in regime sub-sincrono il rotore assorbe dalla rete. PWM bidirezionali: sia raddrizzatori sia inverter. Controllo di velocità con un convertitore al rotore: il concetto DFIG (Double Feed Induction Generator) Questi sistemi operano in un range di velocità di circa ±30% (fino a ±50%) rispetto alla velocità di sincronismo. Il loro vantaggio è che l elettronica di potenza deve convertire solo un 20-30% della potenza totale. Lo statore alimenta la rete in ogni caso, mentre il rotore può anche assorbire potenza dalla rete: si può controllare la potenza reattiva grazie alla capacità dei convertitori PWM di controllare la fase di tensione e corrente. Circuito equivalente Pag. 14

15 Generatori di turbine eoliche Configurazioni tipiche di turbine eoliche A) Generatore a induzione a gabbia di scoiattolo direttamente connesso alla rete (il collegamento diretto non si presta ai sincroni, per la loro eccessiva rigidezza di accoppiamento alla rete). C è il moltiplicatore di giri. B) Generatore a induzione a rotore avvolto a scorrimento variabile: si controlla la resistenza di rotore (es. sistema Optislip). C è il moltiplicatore di giri. C) Generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG). E con il moltiplicatore di giri. D) Generatore (sincrono o asincrono) con statore alimentato tramite convertitore di potenza, con o senza moltiplicatore di giri. La soluzione direct drive è usata solo per i sincroni, più adatti ai grandi diametri. Pag. 15

16 Generatori di turbine eoliche Turbine a velocità variabile Curva di coppia M(Ω) ideale per un generatore a velocità variabile in una turbina eolica. Perché la turbina, al di sotto della potenza nominale, lavori al λ ottimale del proprio rotore aerodinamico, la rotazione deve essere proporzionale alla velocità del vento. Ciò accade approssimando, tramite una opportuna strategia di controllo del generatore, la seguente caratteristica meccanica parabolica rispetto alla velocità angolare Ω 1 3 P Cp, p u A 2, C C R u opt p p, opt p p, opt u opt R 3 P opt 1 R M opt Cp, opt A 2 opt opt 2 Pag. 16

17 Generatori di turbine eoliche Il rendimento di un generatore sincrono a magneti permanenti (PMSG) su carico resistivo (f=0) si può rappresentare come funzione di RPM e della coppia T. Espressione di rendimento per alternatori 0 3V I cos 3V I cos 3R I P rms rms 2 rms rms 0 rms 0 P P P P m f ecc Perdite principali di un alternatore: Attriti meccanici Perdite nel ferro (isteresi, correnti parassite) Perdite per eccitazione (assente per i PMSG) Pag. 17

18 Generatori di turbine eoliche Effetto del rendimento elettrico del generatore sulle curve di potenza elettrica U=14 m/s U=11 m/s U=8 m/s Laddove la coppia elettromagnetica del generatore non è sufficiente a equilibrare quella della turbina si annulla la potenza elettrica disponibile. Inoltre in generale il TSR ottimale (λ opt ) della macchina dipende anche dalle curve di rendimento elettrico del generatore. Micro-turbina VAWT su generatore PMSG Pag. 18

19 Generatori di turbine eoliche Modalità di freno elettromagnetico: Esempio di generatore PMSG collegato a un banco di resistori e sottoposto a una rampa di velocità di rotazione La massima coppia sostenibile dal generatore in modalità freno è legata agli effetti induttivi degli avvolgimenti di statore che limitano l aumento di corrente. Pag. 19

20 Generatori di turbine eoliche Generatore asincrono (a induzione): Generatore a gabbia di scoiattolo Generatore a rotore avvolto: A scorrimento variabile Doppia alimentazione (DFIG) Rendimento inferiore (-2/5%) Robusto ed economico (come motore è il leader) Funziona a induzione e necessita di potenza reattiva dalla rete: per le scale più grandi è accompagnato da batterie di condensatori variabili (manutenzione aggiuntiva) Permette l accoppiamento diretto alla rete, senza convertitori (oscillazioni torsionali ridotte) E usato soprattutto in piccole turbine regolate a stallo passivo Possibile funzionamento come motore Possibile variazione del numero di poli La versione DFIG pur con lo svantaggio dei contatti striscianti, ha caratteristiche interessanti: conversione di potenza parziale e controllo di potenza reattiva Per questioni costruttive non si presta alla modalità direct drive Generatore sincrono Generatore a rotore avvolto: Brushless Con contatti striscianti Generatore a magneti permanenti Rendimento elevato (le grandi macchine fino al 95%) anche grazie alla capacità di produrre potenza reattiva E più complicata meccanicamente e costosa L eccitazione magnetica può essere ottenuta anche con magneti permanenti Ha bisogno di un raddrizzatore-invertitore AC-DC-AC con sistema di sincronizzazione, per la sua rigidezza di accoppiamento diretto alla rete. Per essere avviato deve affidarsi al rotore eolico (solo in casi isolati funziona temporaneamente come motore a induzione) Si presta a un elevato numero di poli (traferri non troppo ridotti) La versione a magneti permanenti è più efficiente (senza perdite di eccitazione) ma necessita di un convertitore di potenza totale e i magneti sono costosi e smagnetizzabili ad alte temperature La brushless a rotore avvolto: niente attriti ma peggiore dinamica di controllo (il controllo della corrente di eccitazione è meno pronto) Pag. 20

21 Generatori di turbine eoliche: soluzioni particolari Direct drive Non c'è il moltiplicatore di giri nel treno di trasmissione. Ciò riduce i costi di manutenzione e aumenta l'efficienza. Normalmente sono a velocità variabile, poiché fanno uso di convertitori di frequenza per disaccoppiarli dalla frequenza di rete. Per una ragionevole utilizzazione della macchina la loro frequenza nominale non dovrebbe essere troppo inferiore a quella di rete. Perciò il generatore deve avere un grande numero di poli. Questo conduce ad un peso maggiore per unità di potenza. Infatti le dimensioni delle macchine elettriche sono connesse alla coppia trasmessa. A causa di questioni costruttive solo i sincroni sono usati come direct drive. Gli asincroni sono invece sempre associati a cambi di velocità. Generatori anche a più di 80 poli Pag. 21

22 Generatori di turbine eoliche: soluzioni particolari Generatori ad asse verticale Macchina sincrona assiale a magneti permanenti: elevata coppia per unità di volume Problemi di vibrazioni torsionali Pag. 22

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