L incremento di efficienza nei motori elettrici La generazione elettrica da fonte eolica e idrica

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1 L incremento di efficienza nei motori elettrici La generazione elettrica da fonte eolica e idrica Alberto Tessarolo Sesto, 25 giugno 2014

2 F O N T I E N E R G E T I C H E GEN. VETTORE - ELETTRICITA TRASPORTO DIRETTO MOT. U T I L I Z Z A T O R I

3 P d Sezione S Corrente I L R = ρ L S P d / 4 P d = RI 2 Corrente I Sezione 4S L

4 Approcci per efficienza Dimensioni Materiali Tecnologia Ottimizzazione progettuale

5 Parlando di motori elettrici di mediaalta potenza...

6 Esempio di rendimento di motori asincroni industriali a catalogo 2 poli (3000 rpm) 98 97,5 97 Rendimento (%) 96, , , , Coppia (Nm)

7 Esempio di rendimento di motori asincroni industriali a catalogo 4 poli (1500 rpm) rendimento (%) 98 97, , , , , Coppia (Nm)

8 Esempio di rendimento di motori asincroni industriali a catalogo 10 poli (590 rpm) 97 96,5 96 Rendimento (%) 95, , , Coppia (Nm)

9 Esempio di rendimento di motori asincroni industriali a catalogo 14 poli (420 rpm) 95,5 95 Rendimento (%) 94, , , Coppia (Nm)

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14 LNG refrigeration plant

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17 Distribuzione delle perdite Ci sono margini di miglioramento...

18 Tecnologia sostanzialmente tradizionale... Sostanzialmente si è abbondato con i volumi e i pesi (e i costi) in quanto l applicazione lo consentiva

19 Si può fare di meglio? Bisogna agire su tecnologia, materiali e ottimizzazione progettuale

20 Con macchina molto più compatta Tecnologia, materiali, ottimizzazione

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22 Magneti permanenti Array di Halback

23 SPM con magnetizzazione radiale N N SPM ad array di Halbach S S

24 Induzione al traferro sotto un polo per diversi spessori di magnete superficiale (tm) Si vede che, nel caso ad array di Halback, non solo la forma d onda è migliore, ma anche il valore di picco è più alto.

25 Statore con cave

26 Statore slotless

27 Levitazione magnetica dell albero

28 Ottimizzazione genetica del progetto

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30 E per macchine standard?

31 CA 450 L4 Active parts length =840mm Description Value Rated 800kW Voltage 6600V Power factor 0.86 Rated current 89A Efficiency 96.3% Locked rotor current (LRC) 560% Locked rotor torque (LRT) 60%

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34 ModeFrontier INPUT (geometry parameters) single shot SOLVING (idaphne) OUTPUT (e.m., thermal, dimensions) PROBLEM CONSTANTS CONSTRAINTS OBJECTIVES ( /kw, max. temp.)

35 160.5: temp. limit Industrial Optimum Minimize /kw Obj 2: Minimize Maximum copper temperature

36 Optimal design

37 Description Value Rated 1900kW Slip 0.84% Power Factor 0.88 Rated current 194A Efficiency 97.4% Locked rotor current(lrc) 600% Locked rotor torque(lrt) 96%

38 Specific Losses [W/m3] Thermal conductivity [W/mK] Yoke Tooth Copper Insulation

39 CFD temperature counter plot External streamlines External reference air temp.= 308K (35 C) External air flow Internal air flow Max rotor bar temp. = +130K Average winding temp. = +80K Internal streamlines

40 Undamped Natural frequencies critical speed map Subcritical behaviour up to 2100rpm 45% separation margin with respect to 1800rpm (rated speed)

41 TEFC (CA 450 L4) Active parts length 840mm VS. NEW TEFC (CAT 450 L4) Active parts length 1000mm Description CA450L4 CAT450L4 Rated power 800kW 1900kW Power factor Efficiency 96.3% 97.4% Locked rotor current (LRC) 560% 600% Locked rotor torque (LRT) 60% 96% Weight 4000kg 6500kg COST REDUCTION -31.5% 5 kg( $)/kw 3.4 kg( $)/kw

42 E per macchine ancora più piccole?

43 MOTORE UNIVERSALE η = 40 50% η = 60 70% MOTORE A INDUZIONE MOTORE SINCRONO A RILUTTANZA ASSISTITA CON BARRIERE DI FLUSSO η 82%

44 SynRM vs PMA-RM

45 Questo è il risultato di un ottimizzazione...

46 Design iniziale Design modificato

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48 Coppia media massima Ripple di coppia minimo

49 Ottimizzazione

50 Ottimizzazione + Aggiunta magneti

51 E per i trasporti?

52 75 cm 1 m 30 cm Peso 700 kg

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54 75 cm 1 m 30 cm Peso 700 kg

55 Scatola di ritenzione in alluminio (amagnetico) imbullonata sul mover

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59 Inverter da 20 kw 400 V Costo di una unità standard: ~ euro (si parla di un pezzo da catalogo, cioè non customizzato)

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65 NB: con una macchina elettrica rotante questo non sarebbe possibile!

66 Infine ancora per i trasporti...

67 Environmentally friendly Good performance... Permanent-magnet electric motors for moreelectric cars Cost Size Efficiency Limited range... WIDE SPEED RANGE OPERATION

68 BASE SPEED TOP SPEED Toque (Nm) Angular speed (rad/s) Voltage (V) Angular speed (rad/s)

69 Conventional PM motors torque voltage I q I d Demagnetization current - The wider the speed range, the higher the demagnetization current - Demagnetization current is critical because it implies o Poor efficiency at high speeds o Motor oversizing and/or inverter oversizing

70 The nature and purpose of demagnetization current Permanent magnet flux Demagnetization current flux The demagnetization current serves the purpose of weakening PM flux at high speeds The need for a high demagnetizing current would disappear if the PM flux could spontaneously reduce at high speeds

71 Mobile yokes Mobile yokes LOW SPEED HIGH SPEED 0 0

72 Mobile yokes Centrifugal force

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75 PROTOTYPE MANUFACTURING

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78 PROTOTYPE TESTING

79 PROTOTYPE TESTING RESULTS

80 FUTURE DEVELOPMENTS Toque (Nm) Voltage (V) IMPOSED TORQUE-VS- SPEED CHARACTERISTIC Angular speed (rad/s) IMPOSED VOLTAGE-VS- SPEED CHARACTERISTIC P E R F O R M A C E Angular speed (rad/s)

81 20 Total Corrente phase di current fase [A] (A) I SPM I IPM I IPMD Conventional IPM SPM Velocità Angular angolare speed ω (rad/s) [rad/s]