Come vengono utilizzati i generatori sincroni a magneti permanenti nelle turbine eoliche
La tecnologia sincrona a magneti permanenti è ampiamente utilizzata nelle moderne macchine elettriche, dai motori industriali ai generatori di energia eolica.
In una turbina eolica, tuttavia, la macchina a magnete permanente funziona normalmente come generatore, non come motore. Per questo motivo, il termine generatore sincrono a magneti permanenti (PMSG) è più accurato di PMSM quando si parla dell'unità principale di generazione di energia all'interno di una turbina eolica.
I principi elettromagnetici sono strettamente correlati, ma la direzione della conversione dell'energia è diversa.
Un PMSM converte l'energia elettrica in rotazione meccanica. Un PMSG fa il contrario: la trasmissione rotante della turbina eolica fornisce energia meccanica al generatore, che la converte in energia elettrica.
Comprendere questa distinzione rende molto più semplice capire dove si inserisce la tecnologia dei magneti permanenti nei moderni sistemi eolici.
Dove si trova il generatore a magneti permanenti in una turbina eolica?
Il vento fa girare le pale e il rotore della turbina.
Quella rotazione meccanica deve poi essere convertita in elettricità dal generatore.
Esistono due ampie modalità di trasmissione.
Turbine eoliche a ingranaggi
In una trasmissione a ingranaggi, il rotore della turbina gira relativamente lentamente.
Un riduttore aumenta la velocità di rotazione prima che la potenza meccanica raggiunga il generatore.
Ciò consente al generatore di funzionare a una velocità di rotazione maggiore rispetto al rotore della turbina.
Lo scopo del riduttore è quindi quello di soddisfare i requisiti di velocità meccanica del rotore e del generatore. Non dovrebbe essere semplicemente descritto come “adattamento alla frequenza della rete”, perché le moderne turbine a velocità variabile normalmente utilizzano l’elettronica di potenza tra il generatore e la rete.
Turbine eoliche a trasmissione diretta
Un sistema di azionamento diretto rimuove il cambio principale.
Il generatore è collegato molto più direttamente al rotore della turbina e quindi deve funzionare a una velocità molto più bassa producendo una coppia elevata.
Ciò modifica in modo significativo il design del generatore.
I generatori a magneti permanenti a trasmissione diretta hanno generalmente un diametro maggiore e utilizzano più poli magnetici in modo che l'uscita elettrica utile possa essere prodotta a bassa velocità di rotazione.
Perché utilizzare i magneti permanenti?
Un generatore sincrono a magnete permanente crea il campo magnetico del rotore con magneti permanenti anziché con un avvolgimento di eccitazione del rotore.
Ciò offre diverse caratteristiche utili per le applicazioni di energia eolica.
Nessuna corrente di eccitazione del rotore
Poiché il campo magnetico è prodotto da magneti permanenti, il rotore non richiede un sistema di eccitazione elettrica separato.
Ciò può ridurre le perdite elettriche del rotore e semplificare parte della struttura del generatore.
Adatto per progetti a bassa velocità e coppia elevata
Le macchine a magneti permanenti possono essere progettate con molti poli e un'elevata densità di coppia.
Ciò è particolarmente rilevante per i sistemi eolici a trasmissione diretta, dove la velocità del generatore è bassa e la coppia meccanica è elevata.
Compatibile con il funzionamento a velocità variabile
La velocità del vento cambia continuamente.
Il funzionamento della turbina a velocità variabile può consentire al rotore di rimanere più vicino alla sua condizione operativa aerodinamica preferita in una gamma più ampia di condizioni di vento.
I generatori a magneti permanenti sono comunemente utilizzati con convertitori elettronici a piena potenza, consentendo alla frequenza del generatore di variare indipendentemente dalla frequenza della rete.
Ciò rende possibile il funzionamento a velocità variabile senza richiedere che il rotore meccanico funzioni a una velocità sincrona fissa collegata direttamente alla rete.
Che ruolo svolge il convertitore di potenza?
Il generatore è solo una parte dell'impianto elettrico della turbina eolica.
In molte turbine eoliche a magneti permanenti, l’energia elettrica proveniente dal generatore passa attraverso un convertitore AC/DC/AC a grandezza naturale prima di raggiungere la rete.
Questo convertitore svolge diverse funzioni importanti.
Consente al generatore di funzionare a velocità variabile, converte l'uscita del generatore a frequenza variabile in energia elettrica compatibile con la rete e fornisce il controllo sulla potenza attiva e reattiva ai terminali della turbina.
Questa distinzione è importante perché la capacità di supporto della griglia non dovrebbe essere attribuita ai magneti permanenti stessi.
Il generatore produce energia elettrica, mentre il convertitore e il sistema di controllo della turbina gestiscono il modo in cui tale energia viene erogata alla rete.
Direct Drive non significa "sempre migliore"
La rimozione del cambio può ridurre il numero di componenti della trasmissione ed eliminare un importante sottosistema meccanico.
Ciò può essere interessante laddove l’accesso per la manutenzione è difficile.
Tuttavia, i generatori a trasmissione diretta comportano anche le proprie sfide ingegneristiche.
Un generatore a bassa velocità generalmente necessita di una struttura elettromagnetica più grande per produrre la coppia richiesta. I sistemi di azionamento diretto a magnete permanente possono anche utilizzare quantità significative di materiale magnetico delle terre rare.
Questo è il motivo per cui continuano ad esistere architetture di turbine eoliche sia a ingranaggi che a trasmissione diretta.
La scelta appropriata dipende dalla potenza della turbina, dalla velocità del rotore, dal design del generatore, dal peso, dalla strategia di manutenzione, dal costo dei materiali e dall'economia complessiva del sistema.
Dove si adatta la tecnologia dei magneti permanenti Axial-Flux
La maggior parte delle persone associa i grandi generatori eolici alle macchine a flusso radiale, ma la tecnologia dei magneti permanenti a flusso assiale è rilevante anche per i progetti di generatori compatti e specializzati.
In una macchina a flusso assiale, il flusso magnetico viaggia principalmente lungo l'asse del motore o del generatore anziché radialmente attraverso una struttura cilindrica convenzionale.
L'architettura può offrire un'elevata densità di coppia e una lunghezza assiale relativamente breve.
Per i generatori a trasmissione diretta più piccoli o per le applicazioni in cui l'imballaggio e la densità di coppia sono importanti, vale la pena prendere in considerazione la tecnologia a flusso assiale.
Jiangnan Electric attualmente sviluppa macchine a magneti permanenti a flusso assiale oltre ai prodotti PMSM convenzionali. La gamma di flusso assiale pubblicata dall'azienda copre molteplici configurazioni di tensione, velocità, raffreddamento e montaggio.
La stessa piattaforma elettromagnetica può essere rilevante sia per lo sviluppo di motori che di generatori, ma un prodotto motore non dovrebbe essere presentato automaticamente come un generatore eolico senza una validazione elettromagnetica, termica e meccanica specifica per l'applicazione.
Applicazioni di energia eolica elettrica e a magneti permanenti di Jiangnan
Hangzhou Jiangnan Electric Motor Co., Ltd. attualmente produce diverse famiglie di motori sincroni a magnete permanente, inclusi PMSM convenzionali, design a bassa velocità e coppia elevata e macchine a magnete permanente a flusso assiale.
Alcune delle piattaforme di prodotto esistenti dimostrano caratteristiche importanti anche nello sviluppo di generatori di energia eolica.
Ad esempio, la piattaforma JNPM520-45 di Jiangnan ha una potenza nominale di 45 kW e 245 giri/min con una coppia nominale di 1.754 N·m. Sebbene sia stato sviluppato per un'applicazione industriale a trasmissione diretta piuttosto che presentato qui come un generatore di turbine eoliche, la combinazione di bassa velocità e coppia elevata illustra il tipo di sfida di progettazione elettromagnetica che si trova anche nei sistemi di generazione a trasmissione diretta.
Il portafoglio di flusso assiale di Jiangnan comprende anche macchine a magneti permanenti progettate attorno a strutture assiali compatte e funzionamento a velocità variabile.
L'attuale sito web dell'azienda elenca inoltre prodotti a magneti permanenti per applicazioni di energia eolica a bassa velocità e su scala medio-piccola.
Per un vero progetto di energia eolica, tuttavia, il processo di selezione dovrebbe iniziare con i requisiti del generatore piuttosto che scegliere un motore esistente solo in base alla potenza nominale.
Quali informazioni sono necessarie per un progetto di generatore di energia eolica?
Prima di valutare un generatore a magneti permanenti è necessario definire diverse condizioni operative.
Le informazioni importanti includono:
- potenza elettrica nominale;
- velocità nominale e massima del rotore;
- coppia continua e di picco;
- tensione di uscita richiesta;
- gamma di frequenza del generatore;
- metodo di raffreddamento;
- disposizione di montaggio;
- interfaccia ad albero o azionamento diretto;
- condizioni ambientali previste;
- livello di protezione;
- topologia del convertitore;
- servizio operativo continuo.
Per un progetto ad azionamento diretto, la velocità e la coppia del rotore sono particolarmente importanti perché il generatore deve gestire il carico della turbina senza fare affidamento su un cambio ad alto rapporto.
Per gli impianti eolici di piccole e medie dimensioni, anche l'imballaggio, il peso del generatore, il costo del convertitore e i requisiti di manutenzione possono influenzare fortemente il progetto finale.
PMSM o PMSG: la terminologia conta
I motori sincroni a magnete permanente e i generatori sincroni a magnete permanente si basano su principi elettromagnetici strettamente correlati.
Ma i loro ruoli operativi sono diversi.
Un PMSM normalmente converte l'energia elettrica in uscita meccanica.
Un PMSG converte l'input meccanico in energia elettrica.
Nelle turbine eoliche, la principale macchina di conversione dell'energia è quindi più accuratamente descritta come PMSG.
Per i clienti che sviluppano impianti eolici, la questione importante non è semplicemente se un PMSM esistente possa essere installato in una turbina.
L'approccio corretto consiste nel definire innanzitutto la velocità del generatore, la coppia, la tensione, le condizioni termiche, l'interfaccia meccanica e il sistema di convertitore richiesti, quindi progettare o selezionare la macchina a magnete permanente in base a tali requisiti.
Disclaimer
Le informazioni contenute in questo articolo vengono fornite solo come riferimento generale. Le specifiche del prodotto, le prestazioni, le opzioni di configurazione e l'idoneità devono essere valutate in dettaglio per l'applicazione prevista e le effettive condizioni operative. Prima di selezionare, acquistare o utilizzare un prodotto, confermare i dettagli rilevanti con Jiangnan Electric e fare riferimento alla documentazione tecnica applicabile e alle specifiche concordate. Questo articolo non sostituisce le istruzioni specifiche del prodotto o una valutazione tecnica professionale.
