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Resumen

GENERADOR DE FLUJO RADIAL DE IMANES PERMANENTES Autor: Zahonero Carrasco, Paloma. Director: Talavera Martín, Juan Antonio. Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas RESUMEN DEL PROYECTO En este proyecto se va a diseñar y analizar un generador síncrono de imanes permanentes de flujo radial. Dicho generador va a estar orientado para parques eólicos offshore, para un aerogenerador de potencia 5 MW. Los aerogeneradores han dado un nuevo paso en su crecimiento frente a otras energías renovables al descubrir las grandes ventajas de situar los parques eólicos en mares y océanos. Estos nuevos emplazamientos permiten disponer de enormes extensiones y soluciona el problema del impacto visual. Sin embargo, la mayor ventaja es la velocidad del viento, que al situarse en zonas marítimas, donde la rugosidad es nula, es mucho mayor y se puede obtener potencias más elevadas. En los aerogeneradores marinos, al ser la velocidad del viento mucho mayor, la potencia generada también lo será. Por el contrario, esto puede acarrear problemas en cuanto a los esfuerzos, y la multiplicadora va a ser el elemento mecánico que más sufra sus efectos. Para evitar tener que realizar constantes mantenimientos para su arreglo, en el que no se dispondrá del aerogenerador, se propone en este proyecto la conexión directa turbina eólica-generador eléctrico. En consecuencia, el generador funcionará a baja velocidad, variable y con un gran par, lo que provocará que la máquina sea de elevado diámetro y gran cantidad de polos. En este caso en particular, el generador tendrá una potencia de 5 MW y una velocidad de 10 rpm. Este tipo de generadores síncronos de conexión directa ya existen en el mercado, pero no son muy comunes porque aún se desconoce con certeza su eficiencia frente a otros. Por eso, en este proyecto, también se va a estudiar la viabilidad de utilizar este producto. -1-

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Resumen En primer lugar, se ha realizado un estudio de los distintos generadores posibles a utilizar en el mercado, decantándonos por el generador síncrono de imanes permanentes por sus ventajas: 

El generador asíncrono tiene unas elevadas pérdidas en los devanados, lo que hace que el rendimiento final de la máquina sea bajo.



El generador síncrono con rotor bobinado no resulta adecuado para generadores multipolares ya que, al disminuir el paso polar, aumenta el tamaño de los dientes, y esto repercute en el coste final de materia prima.

Posteriormente se realizó una búsqueda de los generadores de estas características encontrados en el mercado para hacernos una idea inicial de cómo se encontraba. También se tomó la decisión de realizar la máquina para producir intensidad a una frecuencia distinta a la de la red: 30 Hz. Como en el caso de estas máquinas en las que la velocidad de entrada es variable, vamos a tener que usar un convertidor a la salida, no tiene importancia reducir la frecuencia. Con esta reducción, se van a tener menos números de polos. Así, se comenzó con el dimensionamiento del generador a diseñar. Para ello, se tuvieron en cuenta: 

La circulación del flujo magnético generado por los imanes por el estator, el cual va a inducir la tensión en sus bobinas. Para modelar este flujo, se realizó el circuito magnético.



El rotor, compuesto de un yugo de acero y de los imanes. En este aspecto se ha realizado un estudio de los imanes existentes y del más apropiado para esta máquina: los imanes permanentes de las tierras raras de Nd-Fe-B. Además, se determinó la utilización de imanes oblicuos para reducir el número de armónicos.



El estator. Se deben determinar las ranuras donde irá alojado el bobinado, la configuración de dicho bobinado, su aislamiento y el número de espiras necesarias para la obtención de la tensión nominal, fijada en 690 V.

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Resumen Una vez realizado el diseño de la máquina, se ha procedido a dibujarla en el programa Catia, que permite crear modelos en 3D para después disponer de planos. En la Figura 1 se puede ver un detalle obtenido del modelo creado en Catia para el generador.

Figura 1 Detalle de la máquina

En la siguiente tabla también se pueden observar algunos parámetros importantes obtenidos tras el diseño. Potencia

5 MW

Velocidad

10 rpm

Par

4774 kN·m

Diámetro

7m

Longitud

1.3 m

Nº pares de polos

180

Tensión

690 V

Corriente

4183,7 A

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Resumen

Tras esto, se han realizado cálculos para obtener resultados tangibles de este diseño: 

En primer lugar se ha realizado el circuito eléctrico de la máquina. En él se ha obtenido una conclusión muy importante: la máquina no está preparada para generar la tensión nominal a la intensidad nominal, y si se forzara a ello, dicha máquina consumiría energía reactiva. Este es el mayor problema de estos generadores que, sin embargo, era un fallo que cabía esperar, ya que se ha realizado un primer diseño que debería ser mejorado en futuras optimizaciones.



En segundo lugar se han calculado las pérdidas del generador producidas en el Cobre y en el Hierro para posteriormente, calcular el rendimiento final de la máquina. El resultado ha sido favorable en esta ocasión: 95,4% de rendimiento.



Por último, se ha estudiado la posible desmagnetización del generador. El resultado ha sido favorable dado la pequeña intensidad de cortocircuito, pero esta posibilidad es muy peligrosa en estas máquinas excitadas por imanes permanentes.

Para observar la viabilidad de este proyecto se ha realizado un estudio económico en el que se ha determinado que el coste final de la máquina es de 1.398.793,68 € y que el proyecto resulta viable. Como conclusión se puede decir que el primer resultado obtenido no es del todo bueno, si bien en futuras optimizaciones se pueda obtener un generador sin problemas en cuanto al consumo de reactiva. El rendimiento obtenido hace pensar que se va por el buen camino. Si bien el coste de la máquina es elevado y puede no resultar económica, se deben estudiar las ventajas de no disponer de multiplicadora para poder determinar finalmente la viabilidad de utilizar este generador frente a otros.

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Resumen RADIAL FLOW PERMANENT MAGNET GENERATOR This project object is to design and analyze a radial flow permanent magnet synchronous generator. This generator is oriented to offshore wind farms, for a 5 MW wind turbine power. Wind turbines have taken another step in their growth compared to other renewable energy to discover the great advantages of placing wind farms in the seas and oceans. These new sites allow have huge tracts and resolve the problem of visual impact. However, the biggest advantage is the speed of the wind; as it places in maritime areas, where the roughness is zero, it is much bigger and you can get higher power. Offshore wind turbines, as the much bigger wind speed, the power generated will be also. On the contrary, it can cause problems in terms of effort, and the gearbox will be the mechanical element that more may be affected. To avoid having to make constant maintenance for fixing, in which the wind turbine wouldn’t be used, the project proposes the direct drive wind turbine-electric generator. Consequently, the generator will operate at low speed, variable, and with a big torque, causing that the machine had a high diameter and large number of poles. In this particular case, the generator will have a capacity of 5 MW and a speed of 10 rpm. These kind of direct drive connection synchronous generators are already on the market, but they are not common because it is still not known its efficiency in front of others. So this project also will study the feasibility of using this product. First, it is realized a study of various possible generators to use in the market, opting for permanent magnet synchronous generator due to its advantages:  

The induction generator has some high losses in the windings, which makes the final performance of the machine is low. Synchronous generator with wound rotor generators are not suitable for multiple poles because, by decreasing the pole pitch increases the size of the teeth, and this affects the final cost of the machine is low.

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Resumen Subsequently, it is realized a search of the generators of this type found in the market to get an initial idea of how it was. Also it is decided to make the machine to induce intensity at a frequency different from the electrical network: 30 Hz. As in the case of these machines in which the input speed is variable, we will have to use a converter to the output, it is not important to reduce the frequency. With this reduction, it will have less number of poles. So, the project is started with the sizing of the generator to design. To do so, it is taken into account: 





The circulation of magnetic flux generated by the magnets in the stator, which will induce tension in their coils. To model this flow, the magnetic circuit is made. The rotor, consisting of a steel yoke and magnets. In this aspect, it is realized a permanent magnet of rare earth Nd-Fe-B. In addition, it is determined the use of magnets oblique to reduce the number of harmonics. The stator. It must be determined the slot where it will stay the winding, the winding configuration, the isolation and the number of turns necessary to obtain the nominal tension at 690 V.

Once the machine is designed, we proceeded to draw it in Catia program, which lets you create 3D models after to have plans after. Figure 1 shows a detail obtained from the model created in Catia for the generator.

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Figure 1 Detail of the machine

In the next table you can also see some important parameters obtained after the design. Potencia

5 MW

Velocidad

10 rpm

Par

4774 kN·m

Diámetro

7m

Longitud

1.3 m

Nº pares de polos

180

Tensión

690 V

Corriente

4183,7 A

Following this, it is realized calculations to achieve tangible results of this design: 

First, it is realized the electric circuit of the machine. It has gained a very important conclusion: the machine is not ready to generate rated voltage at rated current, and if it is forced to do so, the machine will consume reactive power. This is the biggest problem of these generators, however, -7-

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Resumen





it was an expected failure, since it has made an initial design, and it should be improved in future optimizations. Secondly, we have calculated the losses of the generator produced on copper and iron to subsequently calculate the final performance of the machine. The result has been positive on this occasion: 95.4 % performance. Finally, we studied the possible demagnetization of the generator. The result has been favorable given the small short circuit, but this possibility is very dangerous in these machines excited by permanent magnet.

To observe the feasibility of this project, it is realized an economic study which has determined that the final cost of the machine is € 1,398,793.68 and the project is viable. In conclusion, we can say that the first result is not quite good, although further optimizations are able to get a generator with no problems regarding the reactive consumption. The performance obtained suggests that it is on the right track. While the cost of the machine is substantial and can’t be cost effective, it should consider the advantages of not having multiple poles to eventually determine the feasibility of using this generator over others.

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ÍNDICE DE LA MEMORIA

Índice de la memoria

Parte I

Memoria .......................................................................................... 1

Capítulo 1

Memoria descriptiva ....................................................................... 2

1.1

Introducción al proyecto ................................................................................. 2

1.1.1 Objetivos del proyecto ................................................................................................... 4 1.1.2 Metodología usada ......................................................................................................... 4

1.2

Energía eólica................................................................................................... 5

1.2.1 Definición y evolución ................................................................................................... 5 1.2.2 Sistemas eólicos offshore ............................................................................................... 8 1.2.2.1 Ventajas e inconvenientes ...................................................................................... 8 1.2.2.2 Estado actual ........................................................................................................ 10 1.2.3 El aerogenerador .......................................................................................................... 12 1.2.3.1 Partes del aerogenerador....................................................................................... 12 1.2.3.2 La multiplicadora ................................................................................................. 13

1.3

Tipología del generador ................................................................................ 14

1.3.1 Generador asíncrono .................................................................................................... 14 1.3.1.1 Jaula de ardilla ...................................................................................................... 14 1.3.1.2 Doblemente alimentado ........................................................................................ 15 1.3.2 Generador síncrono ...................................................................................................... 16 1.3.2.1 Generador síncrono de rotor bobinado ................................................................. 16 1.3.2.2 Generador síncrono de imanes permanentes ........................................................ 16 1.3.2.2.1 Generador de flujo axial ............................................................................... 17 1.3.2.2.2 Generador de flujo transversal ...................................................................... 17 1.3.2.2.3 Generador de flujo radial .............................................................................. 18 1.3.2.3 Ventajas del uso de generador de imanes permanentes vs. De rotor bobinado .... 19

Capítulo 2

Diseño del generador .................................................................... 21

2.1

Datos iniciales ................................................................................................ 21

2.2

Parámetros de diseño .................................................................................... 22

I

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ÍNDICE DE LA MEMORIA 2.3

Estudio de mercado ....................................................................................... 23

2.4

Circuito magnético ........................................................................................ 27

2.4.1 Entrehierro ................................................................................................................... 29 2.4.2 Comprobación de saturación ........................................................................................ 30 2.4.3 Cálculo de la altura del imán ........................................................................................ 31

2.5

Rotor ............................................................................................................... 32

2.5.1 Yugo del rotor .............................................................................................................. 32 2.5.2 Imanes .......................................................................................................................... 33 2.5.2.1 Tipos de imanes .................................................................................................... 34 2.5.2.1.1 Imanes Permanentes de las Tierras Raras ..................................................... 35 2.5.2.1.2 Elección del imán ......................................................................................... 36 2.5.2.2 Oblicuidad de los imanes ..................................................................................... 37

2.6

Estator ............................................................................................................ 40

2.6.1 Yugo del estator ........................................................................................................... 40 2.6.2 Dientes y ranuras .......................................................................................................... 40 2.6.2.1 Armónicos de ranura ............................................................................................ 40 2.6.2.2 Elección del tipo de ranura ................................................................................... 42 2.6.3 Devanado del estator .................................................................................................... 42 2.6.3.1 Sección del cable .................................................................................................. 42 2.6.3.2 Aislamiento del cable ........................................................................................... 43 2.6.3.3 Espiras necesarias ................................................................................................. 44 2.6.3.4 Sección necesaria de ranura.................................................................................. 44 2.6.3.5 Configuración del devanado ................................................................................. 46

2.7

Circuito eléctrico ........................................................................................... 48

2.8

Pérdidas .......................................................................................................... 52

2.8.1 Pérdidas mecánicas ...................................................................................................... 52 2.8.2 Pérdidas eléctricas ........................................................................................................ 53 2.8.2.1 Pérdidas en el cobre.............................................................................................. 53 2.8.2.2 Pérdidas en el hierro ............................................................................................. 53 2.8.3 Rendimiento teórico ..................................................................................................... 54

2.9

Desmagnetización de los imanes................................................................... 55

2.10

Aspectos constructivos .................................................................................. 57

Capítulo 3

Conclusiones ................................................................................. 61

II

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ÍNDICE DE LA MEMORIA 3.1

Resultados finales .......................................................................................... 61

3.2

Desarrollos futuros ........................................................................................ 61

Bibliografía 63 Parte II

Anejos de la memoria ................................................................... 65

Capítulo 1

Catálogos....................................................................................... 66

1.1

Catálogo de los imanes .................................................................................. 66

1.2

Catálogo del aislante del conductor ............................................................. 68

1.3

Catálogo de la cuña de cierre ....................................................................... 69

1.4

Catálogo de los cojinetes ............................................................................... 70

1.4.1 Cojinete izquierdo ........................................................................................................ 70 1.4.2 Cojinete derecho .......................................................................................................... 72

Capítulo 2

Estudio económico........................................................................ 73

Parte III

Presupuesto ................................................................................... 76

Capítulo 1

Costes ............................................................................................ 77

1.1

Costes directos ............................................................................................... 77

1.1.1 Materia prima ............................................................................................................... 77 1.1.1.1 Acero al silicio ..................................................................................................... 77 1.1.1.2 Cobre .................................................................................................................... 78 1.1.1.3 Imanes .................................................................................................................. 78 1.1.1.4 Aislante ................................................................................................................ 79 1.1.1.4.1 Aislante del cable.......................................................................................... 79 1.1.1.4.2 Aislante de la cuña del estator ...................................................................... 79 1.1.2 Material adicional ........................................................................................................ 80 1.1.2.1 Acero convencional .............................................................................................. 80 1.1.2.2 Convertidor........................................................................................................... 80 1.1.2.3 Cojinetes ............................................................................................................... 81 1.1.3 Coste de los operarios .................................................................................................. 81 1.1.4 Coste de ingeniería del diseño ...................................................................................... 81

1.2

Costes indirectos ............................................................................................ 81

1.3

Gastos generales ............................................................................................ 82

III

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ÍNDICE DE LA MEMORIA Capítulo 2

Precio final del generador ............................................................ 83

Parte IV

Planos ............................................................................................ 84

IV

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ÍNDICE DE FIGURAS

Índice de figuras

Ilustración 1 Porcentaje de potencia instalada en UE en 2010 [EWEA11] ............ 2 Ilustración 2 Promedio de la velocidad del viento en Europa Occidental [RISO] .. 6 Ilustración 3Cobertura de demanda de la energía eléctrica en 2010 [AEE10] ....... 7 Ilustración 4 Crecimiento histórico onshore 1992-2004 vs. Proyección offshore 2008-2020 [EWEA09] .......................................................................................... 11 Ilustración 5 Partes de un aerogenerador .............................................................. 12 Ilustración 6 Generador con multiplicadora vs. sin multiplicadora ...................... 13 Ilustración 7 Dibujo del rotor de jaula de ardilla................................................... 15 Ilustración 8 Esquema de generador asíncrono doblemente alimentado .............. 15 Ilustración 9 Generador de flujo axial [DUBO04] ................................................ 17 Ilustración 10 Máquina síncrona de flujo transversal [DUBO04] ........................ 18 Ilustración 11 Flujo transversal de concentración de flujo [DUBO04]................. 18 Ilustración 12 Maquina síncrona de imanes permanentes de flujo radial [PAR05] ............................................................................................................................... 19 Ilustración 13 Disminución del paso polar en máquinas síncronas de rotor bobinado [DUBO04] ............................................................................................. 20 Ilustración 14 Detalle de la máquina ..................................................................... 22 Ilustración 15 Gráfica diámetro-par ...................................................................... 26 Ilustración 16 Gráfica longitud-par ....................................................................... 26 Ilustración 17 Circulación del flujo magnético .................................................... 28 Ilustración 18 Circuito magnético equivalente ...................................................... 28 Ilustración 19 Parámetros principales del imán .................................................... 33 Ilustración 20 Comparación de imanes permanentes ............................................ 34 Ilustración 21 Características de los imanes Nd-Fe-B .......................................... 36

V

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ÍNDICE DE FIGURAS Ilustración 22 Disposición del imán oblicuo respecto a las ranuras ...................... 37 Ilustración 23 Disposición de oblicuidad de imanes ............................................. 38 Ilustración 24 Disposición óptima de imanes........................................................ 39 Ilustración 25 Armónicos de ranura de campo en el entrehierro [KOST73] ........ 41 Ilustración 26 Ranura abierta ................................................................................ 42 Ilustración 27 Dimensiones de la ranura ............................................................... 45 Ilustración 28 Devanado concéntrico y excéntrico [FRAI05]............................... 46 Ilustración 29 Devanado de estator desarmable para q=2 [KOST73] ................... 47 Ilustración 30 Configuración del devanado........................................................... 47 Ilustración 31 Configuración del devanado. Vista en 3D ..................................... 48 Ilustración 32 Circuito eléctrico equivalente......................................................... 49 Ilustración 33 Diagrama fasorial ........................................................................... 51 Ilustración 34 Diagrama fasorial 2 ........................................................................ 52 Ilustración 35 Circuito magnético para desmagnetización.................................... 56 Ilustración 36 Aro .................................................................................................. 57 Ilustración 37 Cojinete izquierdo .......................................................................... 58 Ilustración 38 Cojinete derecho ............................................................................. 59 Ilustración 39 Eje................................................................................................... 59 Ilustración 40 Generador con carcasa ................................................................... 60 Ilustración 41 Generador sin carcasa..................................................................... 60 Ilustración 42 Detalle de la cuña ........................................................................... 79

VI

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ÍNDICE DE TABLAS

Índice de tablas

Tabla 1 Valores de rugosidad para distintos tipos de terreno................................ 10 Tabla 2 Datos iniciales .......................................................................................... 21 Tabla 3 Tabla IEEE ............................................................................................... 25 Tabla 4 Parámetros principales ............................................................................. 27 Tabla 5 Datos medios tabla IEEE.......................................................................... 27 Tabla 6 Desglose de inductancias ......................................................................... 62 Tabla 7 Cashflow................................................................................................... 74 Tabla 8 Resultados del estudio económico ........................................................... 75 Tabla 9 Coste del Rotor y Estator ......................................................................... 78 Tabla 10 Costes del acero convencional ............................................................... 80

VII

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Memoria

Parte IMEMORIA

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Memoria descriptiva

Capítulo 1 MEMORIA DESCRIPTIVA 1.1 INTRODUCCIÓN AL PROYECTO

En los últimos tiempos, la preocupación por la generación de energía eléctrica ha ido en aumento debido a la toma de conciencia de la posibilidad del agotamiento de los recursos fósiles, tales como petróleo, carbón… así como la contaminación producida con el uso de dichos combustibles. Ante esta perspectiva, ha aumentado el uso de las energías renovables ya que éstas proceden de recursos naturales que no se agotan, como el sol o el viento. Además, éstas energías producen menos contaminación que las anteriores, por lo tanto tienen son mejor vistas socialmente. En la Ilustración 1 se muestra el porcentaje de potencia nueva instalada en Europa en 2010. En ella se puede observar que el porcentaje de energía eólica instalado es del 41% del total y, entre ella, la eólica representa un 17% del total instalado dicho año.

Ilustración 1 Porcentaje de potencia instalada en UE en 2010 [EWEA11]

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Memoria descriptiva En cuanto a la energía eólica, motivación de este proyecto, los aerogeneradores han dado un nuevo paso en su crecimiento frente a otras energías renovables al descubrir las grandes ventajas de situar los parques eólicos en mares y océanos. Estos nuevos emplazamientos en auge permiten aliviar la problemática del impacto visual que suponían los parques eólicos en la tierra. Además, mientras en tierra es más complicado encontrar zonas para su construcción, los mares y océanos disponen de enormes extensiones para su creación. Sin embargo, este no es el motivo principal por el que apostar por estos nuevos emplazamientos. El factor clave es la rugosidad. En la tierra, hay elementos rugosos que hace que haya pérdidas de energía. Por otra parte, la rugosidad del mar es nula, lo que hace que la velocidad del viento sea mucho mayor y la capacidad de generación eléctrica se multiplique respecto a los aerogeneradores terrestres. En los aerogeneradores marinos, al ser la velocidad del viento mucho mayor, la potencia eléctrica generada también lo es. Esto, sin embargo, puede acarrear problemas en cuanto a la carga aerodinámica a la que están sometidos sus componentes, que lleva al deterioro y averías de éstos con mayor rapidez que en el caso de los aerogeneradores terrestres. Uno de estos componentes es la multiplicadora, conjunto de engranajes destinados a elevar la velocidad de entrada del viento para llevarla al generador. En éste proyecto vamos a diseñar un generador síncrono de imanes permanentes de flujo radial para aerogeneradores eólicos marinos de una potencia de 5000 KW,

que no va a tener multiplicadora. Este hecho nos llevará a tener una

velocidad de entrada muy baja, de un valor de 10 rpm, ya que la velocidad del viento es la que va a llegar al generador, pero una potencia muy alta. Por tanto, el par (potencia entre velocidad) va a ser muy grande, de un valor aproximadamente de 4700 kN·m, lo que nos llevará a aumentar las dimensiones del generador considerablemente respecto a otros generadores en el mercado. Sin embargo, sus ventajas son claras: con la eliminación de la multiplicadora, se obtendrá un mayor rendimiento en el aerogenerador y se minimizarán las averías.

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Memoria descriptiva Los generadores de imanes permanentes son los más novedosos de los generadores al usar para generar el campo en el rotor unos imanes permanentes. Actualmente se utilizan los imanes permanentes de las tierras raras, de descubrimiento reciente y con un gran potencial para estas máquinas. De esta forma, se evitan los inconvenientes de acceso en las máquinas síncronas convencionales con las escobillas. Dentro de este tipo de generadores, el más usado es el de flujo radial, que crea un campo magnético en el entrehierro de dirección radial respecto al eje de giro. En este tipo de generador, los imanes van montados en la superficie cilíndrica del rotor.

1.1.1 OBJETIVOS DEL PROYECTO Los objetivos de este proyecto son los que paso a numerar a continuación: • • • •

Estudio del estado de la tecnología del generador de imanes permanentes. Definiciones magnéticas básicas del generador síncrono de imanes permanentes de flujo radial que se va a diseñar. Análisis de los campos magnéticos inducidos en el generador. Diseño de la estructura mecánica del generador.

1.1.2 METODOLOGÍA USADA Para comenzar se va a realizar una búsqueda para obtener una buena base bibliográfica que ayude a la realización del proyecto. Sin embargo, también se va a realizar un estudio de los generadores que hay en el mercado para obtener un valor orientativo de algunas características del generador. Para ello, se ha contactado con distintos fabricantes de generadores. Además se ha contactado con suministradores de imanes para poder escoger uno del mercado. Por otra parte, dadas las características que tiene el generador que voy a diseñar, se encuentran muy pocos parámetros disponibles del diseño en el mercado, por lo

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Memoria descriptiva que se buscó también publicaciones de prototipos de este tipo de generadores para obtener un valor orientativo de las características del generador. Finalmente se han obtenido valores para la longitud y diámetro de la máquina, que servirán como punto de partida. El diseño de un generador síncrono de imanes permanentes consta de varias partes, que son los distintos pasos seguidos para llevar a cabo el diseño: 1. Diseño de la estructura magnética: dimensión del imán de acuerdo con el campo que se pretende obtener, así como dimensiones del yugo. 2. Análisis de sus componentes eléctricos. En esta parte se va a diseñar los devanados de acuerdo con la tensión inducida necesaria. También se va a estudiar los aislamientos necesarios, que van a depender de la disipación de calor. 3. Diseño de su estructura mecánica: dimensiones y soportes usados. El diseño final del generador lo representaré en el programa de CAD/CAM/CAE Catia, ya que es un programa que permite tanto modelar en 3D como realizar planos a partir de este modelo.

1.2 ENERGÍA EÓLICA

En este apartado se va a realizar un estudio de la energía eólica, su modo de funcionamiento, componentes principales y generación eólica offshore.

1.2.1 DEFINICIÓN Y EVOLUCIÓN El viento está producido por la desigual distribución de la radiación solar sobre la Tierra, que provoca que haya diferencia de temperaturas y finalmente el movimiento de masas de aire. El viento está también relacionado por otros factores, como la fuerza de Coriolis. En la Ilustración 2 se encuentra una distribución de la velocidad media del viento en Europa. Como se puede ver, la mayor velocidad del viento se encuentra en las costas oeste y norte del Atlántico y el Mar del Norte. 5

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Memoria descriptiva

Ilustración 2 Promedio de la velocidad del viento en Europa Occidental [RISO]

La velocidad del viento en España es, según la Ilustración 2, prácticamente igual en todas las zonas, si bien vemos que en el centro, la velocidad media predominante es de 3.5 a 4.5 m/s, mientras que en las zonas de la costa alcanza los 6 m/s, sobre todo en la zona de Galicia y Cataluña. Ante la visión de este recurso natural inagotable, surge la idea de usarlo para la generación de energía. La energía eólica es la energía obtenida a través del viento, esto es, energía cinética. Mediante el aerogenerador, se realiza la transformación de esta energía cinética en energía eléctrica. La evolución de la energía eólica los últimos años ha sido sorprendente. Esta energía, perteneciente a las energías renovables, tiene la ventaja de una casi nula emisión de CO2 , por lo que no contribuye a aumentar el efecto invernadero, problema por el que nos llevamos preocupando los últimos años y al que estamos intentando poner solución. Una de estas soluciones podría ser la utilización de energías renovables: energías procedentes de los recursos naturales inagotables que tenemos (agua, aire, sol) y que no emiten prácticamente CO2.

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Memoria descriptiva Estas energías han sido utilizadas desde prácticamente los inicios de nuestros tiempos, pero no eran utilizadas en la producción de la electricidad y se usaban para otros propósitos. Por ejemplo, los primeros molinos de viento se utilizaban para la operación de molido, así como otros molinos de agua. La introducción de la energía eólica para la generación de electricidad se hizo, como todas las energías renovables, mediante ayudas e incentivos del gobierno para ayudar a la investigación de estas energías, ya que su uso no es eficiente para un empresario y, por tanto, estas energías nunca serían utilizadas. Otro método posible para promover el uso de estas energías sería en lugar de dar primas a los que se decidan a la creación de nuevos centros de generación de energía renovable, se grava a las energías contaminantes para disminuir el uso de estas. Sin embargo, el sistema eléctrico español se ha basado en primas, que ha aportado grandes resultados, sobre todo en la energía eólica. En la Ilustración 3 se puede comprobar que para el año 2010, la demanda de la energía eléctrica en España se cubrió en un 16.4% con la energía eólica y ya es la 3º tecnología más usada del sector eléctrico, sólo por detrás de la energía nuclear y la de ciclo combinado.

Ilustración 3Cobertura de demanda de la energía eléctrica en 2010 [AEE10]

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Memoria descriptiva

1.2.2 SISTEMAS EÓLICOS OFFSHORE Los parques eólicos offshore son aquellos que se sitúan en mares y océanos. Estos tipos de parques son ahora muy populares en Europa. A continuación se exponen las ventajas e inconvenientes de esta tecnología.

1.2.2.1 Ventajas e inconvenientes La ventaja principal de situar los aerogeneradores en el mar es que la velocidad del viento es mucho mayor allí que en la tierra. Para ver la consecuencia que va a tener una velocidad de viento mayor, tenemos que estudiar la potencia generada en los aerogeneradores. Según[VILL04], una masa de aire m con velocidad v posee una energía cinética Ec que viene dada por: ‫ܧ‬௖ ൌ

ͳ ൉ ݉ ൉ ‫ݒ‬ଶ ʹ

El caudal másico de aire (ী) de densidad (ȡ) que fluye a través de una superficie de área (A) perpendicular a la dirección del flujo viene dado por la ecuación de la mecánica de fluidos:

݉ሶ ൌ ߩ ൉ ‫ ܣ‬൉ ‫ݒ‬

La potencia disponible (Pd) asociada al caudal de aire que atraviesa dicha sección es: ܲௗ ൌ

ͳ ͳ ൉ ݉ሶ ൉ ‫ ݒ‬ଶ ൌ ൉ ߩ ൉ ‫ ܣ‬൉ ‫ ݒ‬ଷ ʹ ʹ

A la vista de la expresión anterior, se comprueba que la relación de la potencia con la velocidad del viento es del cubo del viento, por lo que la potencia que podemos obtener es mucho mayor en el mar que en la tierra. Pero ¿por qué la velocidad del viento es superior en el mar? Una razón para que esto sea así es que en la tierra existen obstáculos (bosques, casas…) que disminuyen la velocidad del viento; es por ello que los parques eólicos se colocan

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Memoria descriptiva preferiblemente en la cima antes que en el valle. En el mar, no existe ningún obstáculo. Sin embargo, el factor clave es la rugosidad. La rugosidad es el conjunto de irregularidades de la superficie. Un terreno rugoso produce la fricción con la superficie del viento que disminuye la energía que puede producir, disipándola en forma de calor. En la Tabla 1 aparecen distintos valores de rugosidad. La longitud de la rugosidad es la altura del suelo para la que la velocidad del viento es nula. Así, a mayor altura, la velocidad del viento irá aumentando con una potencia que depende de la longitud de rugosidad. Como vemos en dicha tabla, la longitud de rugosidad en el mar es prácticamente nula, por lo que la velocidad del viento será mucho mayor a la altura de las palas de los aerogeneradores en mar que en tierra. La velocidad del viento en estos aerogeneradores va de 3.5 a 30 m/s.

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Memoria descriptiva Longitud de la Clase de

rugosidad

Descripción

rugosidad

Z(m) 0

Superficie del agua

0.0002

Áreas abiertas con muy 1

poca protección contra el

0.03

viento Terreno agrícola con algo 2

de protección contra el viento de más de 1 km de

0.1

distancia de separación Distritos urbanos y 3

terreno agrícola con mucha protección contra

0.4

el viento 4

Ciudades grandes o bosques

1.6

Tabla 1 Valores de rugosidad para distintos tipos de terreno

Otras ventajas de los aerogeneradores offshore son que no producen impacto visual y que se tiene un área muy grande para su colocación. Sin embargo, el que se pueda producir mayor potencia va a hacer que los esfuerzos soportados por estos aerogeneradores sean mayores. Además, como los parques eólicos offshore están alejados de la red eléctrica, va a haber que hacer líneas que unan los parques con la red.

1.2.2.2 Estado actual En este momento hay 1136 turbinas de viento ya conectadas a la red, produciendo un total de 2946 MW en parques europeos. Entre 1000 y 1500 MW están

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Memoria descriptiva previstos para ser instalados en el año 2011. Esto refleja la apuesta de los empresarios de la energía por estos parques eólicos en el mar. En la Ilustración 4 se muestra una comparación entre los datos históricos de crecimiento de la energía eólica onshore en Europa por año respecto a una previsión del crecimiento de la energía eólica offshore realizado por EWEA. En esta gráfica se ve que el crecimiento del offshore irá a la par que el experimentado por la energía eólica desde sus inicios.

Ilustración 4 Crecimiento histórico onshore 1992-2004 vs. Proyección offshore 2008-2020 [EWEA09]

En España aún no hay ningún aerogenerador marino, a pesar de tener posibles recursos para la situación de parques eólicos offshore. Aun así, hay algunos proyectos para realizar parques eólicos marinos en España.

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Memoria descriptiva

1.2.3 EL AEROGENERADOR El aerogenerador es el que se va a encargar de transmitir la energía eólica a un generador para transformarla en energía eléctrica. El más usual es el aerogenerador de eje horizontal, en el que el eje de rotación se encuentra paralelo al suelo, y es del que se va a hablar.

1.2.3.1 Partes del aerogenerador

Ilustración 5 Partes de un aerogenerador

En la Ilustración 5 aparecen las partes de un aerogenerador que voy a explicar a continuación: • • • •

Las palas del rotor: transmiten la potencia del viento al buje. El buje: es el acoplamiento de las palas del rotor con el eje de baja velocidad. El acoplamiento o eje de baja velocidad que transmite la rotación del buje a la multiplicadora. La multiplicadora: aumenta la velocidad de rotación. Lo explicaré más adelante en la sección 1.2.3.2.

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Memoria descriptiva • • • •

El eje motriz o eje de alta velocidad: transmite la rotación de la multiplicadora al generador. El generador: es la parte más importante de la turbina y de la que trata este proyecto. Transforma la energía mecánica en energía eléctrica. La góndola: es la carcasa que protege los ejes, la multiplicadora y el generador. La torre: componente que sostiene la góndola y las palas del rotor.

1.2.3.2 La multiplicadora La caja multiplicadora es un conjunto de engranajes que aumentan la velocidad de rotación de entrada. Con este cambio se hace la conversión entre la potencia de alto par torsor a la entrada y la potencia de bajo par torsor a alta velocidad que utiliza el generador. Con el acoplamiento intermedio de esta multiplicadora se quiere conseguir que el tamaño del generador sea menor. Sin embargo, en generadores offshore ya hemos visto que los esfuerzos van a ser elevados, y la componente mecánica que más los va a sufrir es la multiplicadora. Este problema acarrea gastos de mantenimientos. Pero además, el mayor problema viene de que las averías o el mantenimiento de la multiplicadora supone que el generador esté parado un tiempo en el que no vamos a estar generando energía. Para aumentar las horas de funcionamiento del aerogenerador y reducir los costes de mantenimiento, se ha recurrido a eliminar la multiplicadora y conectar el generador directamente con el buje.

Ilustración 6 Generador con multiplicadora vs. sin multiplicadora

En la Ilustración 6 aparece a la izquierda un esquema con la disposición de un aerogenerador con multiplicadora y a la derecha, sin ella. El generador de la

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Memoria descriptiva derecha es, como se puede ver en el dibujo, mucho mayor que el de la izquierda. Esto es debido a que, como se va a conectar directamente el generador, la velocidad de giro va a ser muy pequeña. Esto, unido con la gran potencia que va a generar, hace que el generador vaya a tener un elevado diámetro y gran número de polos. En el Capítulo 2 se irá observando esta peculiaridad de la máquina.

1.3 TIPOLOGÍA DEL GENERADOR

Los generadores se distinguen principalmente en 2 tipos: síncronos y asíncronos. A continuación se va a explicar con más detalle cada tipo y su uso en aerogeneradores.

1.3.1 GENERADOR ASÍNCRONO El generador asíncrono o de inducción es una máquina excitada en el rotor con un devanado de corriente alterna. La corriente inducida en el bobinado del estator tendrá una frecuencia de ݂ଶ ൌ ݂ଵ േ

௡൉௣ ଺଴

donde f1 es la frecuencia de la excitación

en el rotor, n es la velocidad de rotación del rotor y p es el número de pares de polos. En el caso de que la potencia de la máquina sea elevada, el devanado inductor del rotor será trifásico. Existen 2 tipos de generadores asíncronos que se explican a continuación

1.3.1.1 Jaula de ardilla Los generadores de jaula de ardilla disponen de una serie de conductores de cobre o aluminio puestos en cortocircuito por dos anillos laterales. Éstos generadores son los más tradicionales, si bien no se usan prácticamente en aerogeneradores debido a algunas desventajas, tales como el escaso control de la potencia reactiva o su menor rendimiento. La Ilustración 7 muestra el rotor de este tipo de generador. 14

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Memoria descriptiva

Ilustración 7 Dibujo del rotor de jaula de ardilla

1.3.1.2 Doblemente alimentado El generador asíncrono doblemente alimentado consta de un rotor devanado alimentado por un convertidor AC/DC/AC para proveer condiciones de operación estable nominal incluso a velocidad variable. Dicho convertidor tiene 2 componentes: uno del lado del rotor conectado a éste a través de anillos rozantes, y otro del lado de la red. Ambos están unidos mediante un enlace de corriente continua, como se puede observar en la Ilustración 8.

Ilustración 8 Esquema de generador asíncrono doblemente alimentado

El inconveniente de usar esta máquina es que requiere más material activo y es más voluminosa que la máquina de imanes permanentes. La máquina de inducción proporciona la excitación al rotor vía el bobinado del estator. Por tanto, el bobinado del estator lleva tanto la potencia activa obtenida en la conversión como la reactiva requerida por el rotor para su excitación. Esto hace que las

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Memoria descriptiva pérdidas en el estator sean mayores, y por eso esta máquina fue descartada para el proyecto. Sin embargo, estas máquinas tienen ventajas en cuanto al convertidor, que va a necesitar una potencia menor que la nominal de la máquina, y por esta razón son muy utilizados en los aerogeneradores con multiplicadora.

1.3.2 GENERADOR SÍNCRONO Los generadores síncronos se caracterizan porque la intensidad inducida en el estator tiene una frecuencia de ݂ ൌ

௡൉௣ ଺଴

.

En el caso de aerogeneradores, dada que la velocidad es variable, se va a conectar el bobinado a la red mediante un sistema de rectificación compuesto por dos convertidores unidos mediante un enlace de corriente continua. La forma en que induce la tensión puede diferir, y se distinguen por tanto entre rotor bobinado e imanes permanentes.

1.3.2.1 Generador síncrono de rotor bobinado Este tipo de generador genera la inducción del estator mediante unas bobinas situadas en el rotor normalmente de corriente continua. Estas bobinas del rotor son accesibles mediante unos anillos rozantes. En comparación con los generadores asíncronos, estas máquinas suelen ser más pequeñas y robustas.

1.3.2.2 Generador síncrono de imanes permanentes Este tipo de generador genera la inducción del estator mediante imanes que producen el campo magnético. Este tipo de generador síncrono está sustituyendo poco a poco a los de rotor bobinado. Las ventajas que tienen respecto a éstos se encuentran en la sección 1.3.2.3. Según la dirección del campo magnético generado y la disposición de los imanes, se distinguen entre varios tipos de generadores.

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Memoria descriptiva 1.3.2.2.1 Generador de flujo axial El generador de flujo axial se caracteriza porque el flujo en el entrehierro lleva una dirección axial respecto al eje de giro, es decir, es paralelo al mismo. El rotor se encuentra en forma de disco, con los imanes dispuestos a lo largo del perímetro, y el estator está ranurado de forma radial, como se aprecia en la Ilustración 9.

Ilustración 9 Generador de flujo axial [DUBO04]

Este tipo de disposición se caracteriza por ser más compacta, pero es más difícil de fabricar. 1.3.2.2.2 Generador de flujo transversal Estos generadores tienen una orientación radial de entrehierro y tiene el ranurado del estator con una orientación transversal. Una orientación transversal en el estator permite que el área de la bobina sea independiente de la elección del paso polar. Por tanto, el paso polar puede ser reducido a valores de 1-2 cm y en consecuencia la corriente se incrementa a valores muy altos. La Ilustración 10 muestra una parte de esta máquina. Se puede observar que solo la mitad de los polos del rotor contribuyen a la generación de la fuerza electromotriz en el estator. El imán que está en frente del núcleo del estator crea un flujo útil alrededor de la bobina del estator; sin embargo, el imán que no está en frente del núcleo del estator intercambia flujo a través del aire.

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Memoria descriptiva

Ilustración 10 Máquina síncrona de flujo transversal [DUBO04]

Existe otra variedad de este tipo de máquinas en la que el flujo es generado por unos imanes colocados de forma de concentración de flujo. En este caso, la dirección de magnetización de los imanes es distinta al caso anterior. Se puede ver un dibujo en la Ilustración 11. Las ventajas respecto al caso anterior son que el ancho del imán puede variar independientemente del paso polar y que disminuye la dispersión entre polos adyacentes.

Ilustración 11 Flujo transversal de concentración de flujo [DUBO04]

Este generador se trata de una máquina muy novedosa que no ha sido aún explotada para la comercialización. 1.3.2.2.3 Generador de flujo radial El generador de flujo radial crea el flujo en el entrehierro en dirección radial al eje de giro. Esta máquina también es llamada convencional al ser la más usada entre

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Memoria descriptiva los tipos de generadores de imanes permanentes. Éste es el tipo de máquina escogida para realizar este proyecto. La disposición de los imanes es en sentido axial en la superficie cilíndrica del rotor y las ranuras del estator también están en sentido axial en la superficie interior del estator. En la Ilustración 12 se puede ver mejor la disposición de la máquina.

Ilustración 12 Maquina síncrona de imanes permanentes de flujo radial [PAR05]

Debido a que la permeabilidad de los imanes permanentes es aproximadamente la del vacío, en este tipo de máquina se pueden considerar de polos lisos y con un entrehierro elevado, lo que da lugar a que la inductancia síncrona no sea muy elevada.

1.3.2.3 Ventajas del uso de generador de imanes permanentes vs. De rotor bobinado La máquina síncrona de rotor bobinado tiene la ventaja de que la corriente de excitación es ajustable y, como consecuencia, también lo será la tensión de inducido. Por esta razón, estos generadores se utilizan en sistemas de velocidad constante conectados directamente a la red, por ejemplo, turbogeneradores. Sin embargo, en los aerogeneradores, al ser la velocidad del viento variable, también lo será la velocidad del rotor y, por tanto, es necesario situar un convertidor antes de la conexión de la red, con lo que se pierde esa ventaja que tenía las máquinas síncronas de rotor bobinado.

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Memoria descriptiva Las máquinas síncronas de imanes permanentes tienen una ventaja frente a las de rotor bobinado: con un elevado número de polos, permite que la masa del yugo del estator y rotor se reduzcan. Además, este elevado número de polos resulta atractivo en estas máquinas porque en las de rotor bobinado, a medida que aumentamos el número de polos y disminuye el paso polar, se debe aumentar la altura de los polos, por lo que las máquinas de rotor bobinado son más pesadas que las de imanes permanentes. En la Ilustración 13 se ve un ejemplo de esta situación, en la que al disminuir el paso polar, aumenta mucho la cantidad de material de los polos.

Ilustración 13 Disminución del paso polar en máquinas síncronas de rotor bobinado [DUBO04]

Otra desventaja importante de las máquinas síncronas de rotor bobinado es que habrá más pérdidas debido al bobinado en el rotor ya que, aunque haya pérdidas en los imanes magnéticos, serán mucho menor que las del bobinado.

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Diseño del generador

Capítulo 2 DISEÑO DEL GENERADOR 2.1 DATOS INICIALES

Los datos de los cuales se disponen inicialmente son: Velocidad nominal ߱௡ 

10 rpm

Velocidad mínima ߱୫୧୬

6 rpm

Velocidad máxima ߱୫ୟ୶ Potencia nominal ܲே

12 rpm

5000 kW

Sobrecarga en permanencia

120% (6000 kW) Tabla 2 Datos iniciales

Estos datos son unos valores más o menos típicos en aerogeneradores offshore. Como se puede observar, la potencia nominal es muy elevada y la velocidad nominal muy pequeña, como consecuencia tendremos el siguiente par nominal: ‫ܯ‬ே ൌ

ܲே ൉ ͸Ͳ ൌ Ͷ͹͹Ͷ݇ܰ ൉ ݉ ʹ ൉ ȫ ൉ ߱ே

Para el diseño vamos a utilizar los valores nominales de la máquina.

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Diseño del generador

2.2 PARÁMETROS DE DISEÑO

Ilustración 14 Detalle de la máquina

En la Ilustración 14 se han señalado algunos parámetros del dimensionamiento de la máquina para ver con más detalle cuáles son, así como las partes de la máquina. Para el diseño de la máquina se van a fijar algunos parámetros y otros van a ser los que determinaremos con el modelado de la máquina. Todos estos parámetros se presentan en la siguiente tabla junto con sus valores. Su obtención será explicada más adelante. Parámetro

Valor

Deh

7m

L

1.3 m

Beh

0.77 T

Br

1.1 T

į

5 mm

Bmax

1.4 T

hsy

13 mm

Sección 2.3

2.4 2.4.1 2.4.2

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Diseño del generador hry

13 mm

bt

11.20 mm

hm

12.725 mm

ࢥ

0.042 Wb

f

50 Hz

p

360 polos

IJp

61.09 mm

bm

42.42 mm

q

1 ranura/polo·fase

r

1080 ranuras

IJ

20.36 mm

SCu

670.96 mm2

UN

690 V

IN

4183.7 A

J

3.6 A/mm2

E0

1003.57 V

N

1 espira

hs

85.9415 mm

2.4.3

2.5.2

2.6.2

2.6.3.1

2.6.3.3 2.6.3.4

2.3 ESTUDIO DE MERCADO

En primer lugar para realizar el diseño, se ha comenzado con un estudio de los generadores de este tipo existentes en el mercado.

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Diseño del generador Algunos de los fabricantes encontrados fueron: • •

Alxion, que realiza generadores para turbinas sin multiplicadora con potencias entre 200 W y 95 kW y velocidades entre 80 y 1500 rpm. ABB, que comercializa desde los clásicos generadores de inducción para aerogeneradores con multiplicadora hasta generadores síncronos de imanes permanentes para aerogeneradores de transmisión directa. En este caso, comercializa generadores de entre 1.5 y 3 MW y entre 14 y 30 rpm.

Sin embargo, ha sido muy complicado obtener dimensiones y parámetros de diseño, por lo que también se ha buscado en distintas publicaciones de ingenieros de prototipos de estas máquinas. Entre todas ellas, se ha escogido la publicación del IEEE [CHEN09] que, aunque no se trate de un generador realizado en la realidad y en funcionamiento, nos ha parecido el más adecuado en cuanto a las características que se quieren obtener en este diseño al tener unas potencias elevadas. En la Tabla 3 aparecen estos datos del artículo. Los datos sombreados son datos para un aerogenerador con multiplicadora, que no es nuestro caso.

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Ϭ͕Ϭϲ

ϭ͕ϴϬ

Ϭ͕ϰϬ ϲϬ͕ϮϬ

ϱϳ͕ϯϬ

ϴ͕ϵϬ

ϭϬ͕ϵϬ

ϭϳ͕ϯϬ

ϵ͕ϲϬ

ϰϮ͕ϭϬ

,;ŵͿ

>;ŵͿ ʏƉ;ŵŵͿ

ŚƐ;ŵŵͿ

ďƐ;ŵŵͿ

ďƚ;ŵŵͿ

ŚƐLJ;ŵŵͿ

Śŵ;ŵŵͿ

ďŵ;ŵŵͿ

ϭϯϬ͕ϬϬ

ʘE;ƌƉŵͿ

DE;DEͼŵͿ

Ϭ͕ϳϱ

WE;DtͿ

ϯϱ͕ϱϬ

ϴ͕ϴϬ

ϭϮ͕ϵϬ

ϵ͕ϯϬ

ϳ͕ϲϬ

ϰϴ͕ϱϬ

Ϭ͕ϲϵ ϱϭ͕ϭϬ

Ϯ͕ϱϲ

Ϭ͕Ϯϱ

Ϯϴ͕ϲϬ

Ϭ͕ϳϱ

ϰϵ͕ϳϬ

ϭϮ͕ϵϬ

ϭϲ͕ϵϬ

ϭϯ͕ϭϬ

ϭϬ͕ϴϬ

ϱϴ͕ϯϬ

Ϭ͕ϱϬ ϳϭ͕ϮϬ

Ϯ͕ϮϬ

Ϭ͕ϭϯ

ϭϬϵ͕ϬϬ

ϭ͕ϱϬ

ϰϲ͕ϭϬ

ϭϬ͕ϯϬ

ϭϳ͕ϱϬ

ϭϰ͕ϳϬ

ϭϮ͕ϬϬ

ϲϮ͕ϭϬ

Ϭ͕ϰϬ ϴϬ͕ϭϬ

ϯ͕ϰϬ

Ϭ͕Ϯϴ

ϭϬϮ͕ϬϬ

ϯ͕ϬϬ

25

Tabla 3 Tabla IEEE

ϰϬ͕ϳϬ

ϭϮ͕ϬϬ

ϭϰ͕ϯϬ

ϭϭ͕ϮϬ

ϵ͕ϮϬ

ϲϯ͕ϴϬ

Ϭ͕ϴϵ ϲϭ͕ϮϬ

ϯ͕ϵϬ

Ϭ͕ϳϬ

ϮϬ͕ϱϬ

ϭ͕ϱϬ

INGENIERO INDUSTRIAL

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ϰϵ͕ϯϬ

ϭϵ͕ϮϬ

ϭϵ͕ϯϬ

ϭϮ͕ϵϬ

ϭϬ͕ϱϬ

ϳϲ͕ϰϬ

ϭ͕ϭϵ ϳϬ͕ϭϬ

ϱ͕ϬϬ

ϭ͕ϳϵ

ϭϲ͕ϬϬ

ϯ͕ϬϬ

ϲϯ͕ϰϬ

ϵ͕ϰϬ

ϮϮ͕ϰϬ

ϭϲ͕ϲϬ

ϭϯ͕ϲϬ

ϲϴ͕ϭϬ

Ϭ͕ϯϱ ϵϬ͕ϱϬ

ϯ͕ϴϬ

Ϭ͕ϰϱ

ϭϬϱ͕ϬϬ

ϱ͕ϬϬ

ϱϲ͕ϴϬ

ϭϮ͕ϱϬ

ϭϳ͕ϭϬ

ϭϰ͕ϵϬ

ϭϮ͕ϮϬ

ϲϴ͕ϮϬ

ϭ͕ϱϬ ϴϭ͕ϱϬ

ϳ͕ϱϬ

ϯ͕Ϯϯ

ϭϰ͕ϴϬ

ϱ͕ϬϬ

ϳϬ͕ϵϬ

ϵ͕ϴϬ

Ϯϭ͕ϱϬ

ϭϴ͕ϳϬ

ϭϱ͕ϯϬ

ϴϭ͕ϴϬ

Ϭ͕ϵϬ ϭϬϭ͕ϯϬ

ϰ͕ϮϬ

Ϭ͕ϵϴ

ϵϳ͕ϬϬ

ϭϬ͕ϬϬ

ϲϲ͕ϴϬ

Ϯϯ͕ϮϬ

Ϯϴ͕ϮϬ

ϭϳ͕ϱϬ

ϭϰ͕ϯϬ

ϴϯ͕ϯϬ

ϭ͕ϴϭ ϵϱ͕ϮϬ

ϭϬ͕ϬϬ

ϵ͕ϱϱ

ϭϬ͕ϬϬ

ϭϬ͕ϬϬ

Diseño del generador

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Diseño del generador Con estos datos se ha realizado una estimación del diámetro y la longitud del generador, parámetros fundamentales para el diseño. Para ello, se va a realizar una interpolación con el par como variable fijada. Los pasos a seguir fueron los siguientes: •

Para la obtención del diámetro, se ha realizado una gráfica con los datos de diámetro y par del IEEE, obteniendo la Ilustración 15. En ella se ha incluido una recta de regresión para realizar la interpolación con el par nominal de la máquina.

ŝĄŵĞƚƌŽ ϭϮ͕ϬϬ LJсϬ͕ϳϯϲϳdžнϯ͕ϱϬϲϮ

ϭϬ͕ϬϬ

, ;ŵͿ

ϴ͕ϬϬ ϲ͕ϬϬ ϰ͕ϬϬ Ϯ͕ϬϬ Ϭ͕ϬϬ Ϭ͕ϬϬ

Ϯ͕ϬϬ

ϰ͕ϬϬ

ϲ͕ϬϬ

ϴ͕ϬϬ

ϭϬ͕ϬϬ

ϭϮ͕ϬϬ

WĂƌ;DEͼŵͿ

Ilustración 15 Gráfica diámetro-par

•

Para la obtención de la longitud, se ha procedido de la misma manera, se ha realizado una gráfica con los datos de longitud y par del IEEE, obteniendo la Ilustración 16. En ella se ha incluido una recta de regresión para realizar la interpolación con el par nominal de la máquina.

>ŽŶŐŝƚƵĚ Ϯ͕ϱϬ

>;ŵͿ

Ϯ͕ϬϬ

LJсϬ͕ϭϬϴϭdžнϬ͕ϴϴϬϳ

ϭ͕ϱϬ ϭ͕ϬϬ Ϭ͕ϱϬ Ϭ͕ϬϬ Ϭ͕ϬϬ

Ϯ͕ϬϬ

ϰ͕ϬϬ

ϲ͕ϬϬ

ϴ͕ϬϬ

WĂƌ;DEͼŵͿ

Ilustración 16 Gráfica longitud-par

26

ϭϬ͕ϬϬ

ϭϮ͕ϬϬ

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Diseño del generador Los resultados de estas interpolaciones son recogidos en la Tabla 4. Longitud (m)

Diámetro (m)

1.3

7 Tabla 4 Parámetros principales

De la Tabla 3 también se han obtenido otros resultados que se van a utilizar como punto de partida para los futuros cálculos. En todos los casos, se han obtenido realizando la media ponderada de cada uno de ellos. Estos están recogidos en la Tabla 5. IJp (mm)

hs (mm)

bs (mm)

bt (mm)

hsy (mm)

hm (mm)

bm (mm)

76.24

66.78

11.44

13.98

18.74

12.77

53.13

Tabla 5 Datos medios tabla IEEE

2.4 CIRCUITO MAGNÉTICO

En este apartado voy a explicar el circuito magnético usado en el diseño de la máquina. La Ilustración 17 muestra la circulación del flujo a lo largo de los imanes y las ranuras del estator. Aparece sólo la mitad del flujo creado por los pares de imanes ya que una mitad de éste flujo circulará por el imán de la izquierda y la otra mitad por el de la derecha.

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Diseño del generador

Ilustración 17 Circulación del flujo magnético

Se ha despreciado el flujo de dispersión en todo momento, así que no existe flujo que pase de un imán a otro sin pasar por el estator (esto se consigue separando suficientemente los imanes entre sí), ni existe flujo que entre al estator por las ranuras en esta aproximación.

Ilustración 18 Circuito magnético equivalente

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Diseño del generador En la Ilustración 18 se observa cómo queda el circuito magnético finalmente. Los componentes del circuito magnético son los siguientes: •

Rsy: reluctancia del yugo del estator. Se calcula como Ը௦௬ ൌ

ఛ೛

ఓಷ೐ ൉௛ೞ೤ ൉௅

y en

el circuito aparece dividida entre dos para modelar el hecho de que las líneas de flujo no sean iguales y cada una tenga una longitud cuando pasa por el yugo, que va de IJp a IJp-bm.

•

Rry: reluctancia del yugo del rotor. Se calcula como Ը௥௬ ൌ

ఛ೛

ఓಷ೐ ൉௛ೝ೤ ൉௅

y

aparece dividida entre dos también por lo mismo que en el yugo del estator. •

Rt: reluctancia de los dientes. Se calcula como Ը௧ ൌ ଷ൉௤ ఓ ଵ

௛ೞ

ಷ೐ ൉௕೟ ൉௅

, donde q es

el número de ranuras por fase y por polo. En este caso, aparece multiplicada por dos dado que en los dientes circula todo el flujo producido por los imanes y no la mitad. •

Reh: reluctancia del entrehierro. Se calcula como Ը௘௛ ൌ ఓ

ఋ

బ ൉௕೘ ൉௅

. En este

caso también aparece multiplicada por dos por la misma razón.

• •

•

Rm: reluctancia del imán. Se calcula como Ը௠ ൌ

௛೘

ఓ೘ ൉௕೘ ൉௅

. En el circuito

aparece multiplicado por dos por la misma razón que en el caso anterior. Fmm: fuerza magnetomotriz producida por el imán. Se calcula como

݂݉݉ ൌ

஻ೝ ൉௛೘ ఓ೘

, donde Br es el campo remanente del imán, que en el caso

de imanes de Nd-Fe-B, oscila entre 1 y 1.3 T. Se ha supuesto que su valor es Br=1.1T. ĭ: flujo producido por los imanes. Se calcula como ߶ ൌ ‫ܤ‬௘௛ ൉ ܾ௠ ൉ ‫ܮ‬, donde Beh es un parámetro fijo y para este diseño se tratará de conseguir Beh=0.77 T.

2.4.1 ENTREHIERRO En este apartado es muy importante el valor del entrehierro: anchura del vacío existente entre el estator y el rotor. Se mide como la distancia entre el final de los dientes del estator y el final del imán del rotor, aunque en realidad la distancia “magnética” es mayor. En el apartado 2.7 se calcula un entrehierro efectivo que se ajusta mejor a la realidad.

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Diseño del generador En el caso del circuito magnético, el entrehierro determina la reluctancia del entrehierro, que va a ser la mayor de todas las reluctancias y va a determinar la altura del imán, como se comprueba en el apartado 2.4.3. En general, se suele fijar el valor del entrehierro a un mínimo del 0.1% del diámetro del entrehierro, escogido por razones mecánicas. En este caso se va a escoger un entrehierro algo menor, de un valor de į=5 mm (0.07% del diámetro del entrehierro) para mejorar las condiciones magnéticas y el rendimiento de la máquina.

2.4.2 COMPROBACIÓN DE SATURACIÓN En primer lugar se debe comprobar que el hierro no sufra una saturación magnética. El material utilizado para las componentes de hierro, es una aleación de hierro con silicio, escogido porque proporciona menos pérdidas por histéresis y las corrientes parasitarias, y es menor la inducción por saturación y la temperatura de Curie (temperatura a partir de la cual un material ferromagnético pierde su magnetismo). Para esta aleación, el campo magnético no debe superar 1.8 T como máximo. En este diseño se va a fijar como valor máximo de los campos de estator y rotor Bmax=1.4 T. Para ello se han utilizado las siguientes fórmulas: •

Comprobación de la saturación del yugo del estator ‫ܤ‬௘௛ ൉ ‫ܣ‬௣ ൌ ʹ ൉ ‫ܤ‬௦௬ ൉ ‫ܣ‬௦௬ ֜ ‫ܤ‬௦௬ ൌ

‫ܤ‬௘௛ ൉ ܾ௠ ൏ ‫ܤ‬୫ୟ୶ ʹ ൉ ݄௦௬

Con el valor de bm=42.42 mm, que se calcula en la sección 2.5.2, y de hsy=18.74 obtenido del estudio de mercado, se comprueba el campo magnético en el yugo del estator: ‫ܤ‬௦௬ ൌ ͲǤͺ͹ܶ ൏ ͳǤͶܶ Como este valor es bastante menor que el máximo, se puede reducir aún más el valor de la altura del yugo. Probando con hsy=13 mm ‫ܤ‬௦௬ ൌ ͳǤʹ͸ܶ ൏ ͳǤͶܶ Es un valor razonable que además no supera el campo máximo. 30

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Diseño del generador •

Comprobación de la saturación del yugo del rotor ‫ܤ‬௘௛ ൉ ‫ܣ‬௣ ൌ ʹ ൉ ‫ܤ‬௥௬ ൉ ‫ܣ‬௥௬ ֜ ‫ܤ‬௥௬ ൌ

‫ܤ‬௘௛ ൉ ܾ௠ ൏ ‫ܤ‬୫ୟ୶ ʹ ൉ ݄௥௬

Igual que en el caso anterior, si se comprueba la saturación con hry=13 mm:

•

‫ܤ‬௥௬ ൌ ͳǤʹ͸ܶ ൏ ͳǤͶܶ

Comprobación de la saturación de los dientes ‫ܤ‬௘௛ ൉ ‫ܣ‬௉ ൌ ‫ܤ‬௧ ൉ ‫ܣ‬௧ ֜ ‫ܤ‬௧ ൌ

‫ܤ‬௘௛ ൉ ߬ ൏ ‫ܤ‬୫ୟ୶ ܾ௧

Se dispone del valor de IJ=20.36 mm obtenido en la sección 2.6.2. Para obtener un primer valor de bt, se va a calcular la proporción de diente respecto a paso de ranura obtenido tras el estudio del mercado para después aplicarlo a este caso: ݀݅݁݊‫݁ݐ‬ ൌ ͷͷΨ ֜ ܾ௧ ൌ ͲǤͷͷ ൉ ߬ ൌ ͳͳǤʹͲ݉݉ ‫ܽݎݑ݊ܽݎ݋ݏܽ݌‬ Con este valor, el campo que se produce en el diente es: ‫ܤ‬௧ ൌ ͳǤ͵ͻܶ ൏ ͳǤͶܶ En este caso el valor del campo es más ajustado para el valor máximo, pero también resulta correcto para el diseño.

2.4.3 CÁLCULO DE LA ALTURA DEL IMÁN A continuación se resuelve el circuito magnético:

Ը௦௬ Ը௥௬ ߶ ൉ ቆͶ ൉ Ը௠ ൅ Ͷ ൉ Ը௘௛ ൅ Ͷ ൉ Ը௧ ൅ ൅ ቇ ൌ ʹ ൉ ݂݉݉ ֜ ݄௠ ʹ ʹ ʹ

La resolución de esta ecuación da el valor de la altura del imán hm para el cual se consigue el valor de campo magnético en el entrehierro fijado anteriormente. Para obtener las reluctancias en los imanes y en el hierro, se han supuesto unos valores de permeabilidad relativa de:

ߤ௠ ൌ ͳǤͲͻ

ߤி௘ ൌ ʹͲͲͲ

Y teniendo en cuenta que ߤ ൌ ߤ௥௘௟௔௧ ൉ ߤ଴ ›ߤ଴ ൌ Ͷ ൉ ߨ ൉ ͳͲି଻ ͳȀ‫ܣ‬ଶ . 31

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Diseño del generador Los valores de las reluctancias, obtenidos con parámetros calculados ya o que se obtienen en próximos apartados, son:

Ը௘௛ ൌ ͹ʹͳͷͳǤ͸͵‫ܣ‬Ȁܹܾ Ը௥௬ ൌ ͳͶ͵ͺǤʹͺ‫ܣ‬Ȁܹܾ Ը௦௬ ൌ ͳͶ͵ͺǤʹͺ‫ܣ‬Ȁܹܾ Ը௧ ൌ ͹͹ͺǤʹͷ‫ܣ‬Ȁܹܾ

El valor del flujo producido por los imanes, con la fórmula dada anteriormente, es:

߶ ൌ ͲǤͲͶʹܹܾ

Así, con la fórmula de resolución del circuito magnético, se puede obtener el valor de la altura de los imanes, que será:

݄௠ ൌ ͳʹǤ͹ʹͷ݉݉

2.5 ROTOR

El rotor del generador síncrono está compuesto por el yugo, que es un cilindro hueco sobre el que van a ir sujetos los imanes.

2.5.1 YUGO DEL ROTOR El yugo del rotor está hecho de láminas de hierro al silicio porque se puede sufrir pérdidas de Foucault al inducirse intensidad por éste, aunque en menor medida que en el estator. El espesor del yugo se ajusta para que tenga el mínimo valor y así reducir costes de material. Sin embargo, tiene que tener un valor mínimo para que no se produzca la saturación del hierro, como se explicó en el apartado 2.4.

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2.5.2 IMANES

Ilustración 19 Parámetros principales del imán

Los imanes irán dispuestos longitudinalmente en la superficie exterior del yugo del rotor, como ya se pudo ver en la Ilustración 12. El número de imanes que se deben colocar coincide con el número de polos de la máquina, que depende de la frecuencia nominal escogida. En este diseño se ha escogido una frecuencia de f=30 Hz. Esta elección se realiza porque al disminuir la frecuencia va a disminuir también el número de polos de la máquina. Con esta elección, el número de polos de la máquina queda: ʹ‫ ݌‬ൌ

͸Ͳ ൉ ݂ே ֜ ‫ ݌‬ൌ ͵͸Ͳ ߱ே

Este número de polos continúa siendo elevado, pero si disminuimos más la frecuencia, sería más complicado encontrar un convertidor para esos valores. Con el número de polos ya se puede calcular el paso polar de la máquina, que será: ߬௣ ൌ

ߨ ൉ ‫ܦ‬௘௛ ൌ ͸ͳǤͲͻ݉݉ ‫݌‬

El cálculo del ancho de los imanes se va a realizar con los datos del estudio de mercado de la sección 2.3. Se calcula el porcentaje de hueco entre imanes respecto al paso polar para finalmente utilizarlo con nuestros datos: ‫ݏ݋݈݋݌݁ݎݐ݊݁݋݅ܿܽ݌ݏܧ‬ሺΨሻ ൌ

߬௣ െ ܾ௠ ൉ ͳͲͲΨ ൌ ͵ͲǤͷͷΨ ֜ ܾ௠ ൌ ͶʹǤͶʹ݉݉ ߬௣

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Diseño del generador Por último, el cálculo de la altura de los imanes se hace tal y como se ha explicado en el apartado 2.4.3.

2.5.2.1 Tipos de imanes Lo que se busca en los imanes permanentes es: • •

Una elevada remanencia, ya que cuando mayor es la remanencia, mayor es el flujo magnético que puede crear un imán. Una elevada coercitividad, ya que cuando mayor es la coercitividad del imán, más difícil es que se desmagnetice.

Existen cuatro familias principales de materiales de imanes permanentes que van desde la ferrita, de bajo precio y baja energía, hasta los imanes de las tierras raras, de alto coste y alta energía. Cada uno, junto a sus características destacadas se muestra en la Ilustración 20.

Ilustración 20 Comparación de imanes permanentes

A continuación se van a describir con detenimiento cada tipo de familia: •

•

•

Los alnicos. Son una aleación de Aluminio, Níquel y Cobalto. Poseen una elevada temperatura máxima de operación y una elevada remanencia, pero su coercitividad (resistencia a la desmagnetización) es baja. Estos imanes, por tanto, no se pueden utilizar para generadores. Las ferritas. Las ferritas son materiales cerámicos de muy bajo coste. Tienen una resistencia a la desmagnetización moderada. Son utilizados por su bajo coste, aunque poseen un peso elevado, por lo que para esta máquina no será posible usarla ya que necesitamos optimizar el peso. Las tierras raras. Son los imanes más poderosos magnéticamente y los que se van a usar para esta máquina. A continuación, se describen algunos aspectos de los imanes permanentes de las tierras raras.

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Diseño del generador 2.5.2.1.1 Imanes Permanentes de las Tierras Raras Las tierras raras son unos elementos pertenecientes a la tabla periódica. Las aleaciones de estos elementos son las que producen los imanes permanentes de las tierras raras. Éstos tienes valores elevados de coercitividad y saturación magnética, lo que aumenta sus productos de energía. Existen 2 aleaciones de imanes permanentes de las tierras raras usados en la actualidad: •

•

Aleaciones de samario. La utilizada es la Sm-Co, una aleación con un elevado producto de energía. La aleación Sm-Co es muy cara para la producción en masa y se suele utilizar en instrumental de laboratorio o especiales. Sm-Co es un buen material para usos que requieren elevado rendimiento en ambientes de trabajo con altas temperaturas, ya que tiene unas características térmicas excelentes. Los productos de energía para Sm-Co son de 16 a 32 MGOe. Aleaciones de Neodimio. La más utilizada es la de Nd-Fe-B. el Neodimio es una tierra rara más abundante que el samario y más liviana, y el Hierro es un metal de transición más barato que el cobalto. Añadiendo el Boro se obtiene un imán con una temperatura de operación mayor, si bien sigue siendo la desventaja respecto a los imanes Sm-Co.

Los imanes que se van a usar en la construcción de esta máquina son los imanes permanentes de las tierras raras de Nd-Fe-B. En la Ilustración 21 se muestran dos gráficas con las curvas de histéresis de estos imanes. En la primera gráfica, se muestran características de imanes fabricados mediante sinterizado. En el sinterizado, el polvo se moldea mediante compactación y sinterizado en un campo orientador. Uno de los problemas de este método es que los granos de Nd-Fe-B son muy susceptibles de oxidarse en su superficie, lo que limita el tamaño de grano que puede obtenerse y hace muy difícil obtener en la práctica imanes útiles. En cada curva aparece una aleación distinta. En la segunda gráfica se muestran características de imanes fabricados mediante moldeo cerámico. Este método es el que se utiliza también en los imanes de ferrita. En este método también se compacta y se sinteriza. En cada curva aparece una temperatura distinta.

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Diseño del generador

Ilustración 21 Características de los imanes Nd-Fe-B

2.5.2.1.2 Elección del imán El imán escogido es del fabricante Dexter Magnétic. El catálogo de sus productos se encuentra en el anexo. Se ha escogido este imán en particular porque el campo remanente es de 1.1 T, igual que el que se ha utilizado para diseñar. 36

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2.5.2.2 Oblicuidad de los imanes En este tipo de máquinas multipolares, es complicado poner un valor mayor de uno de ranuras por fase y por polo, por lo que no es posible reducir el número de armónicos de ranura de este modo. Se habla en más detalle de esto en el apartado 2.6.2.1. Para reducir los armónicos de ranura se ha procedido a achaflanar los polos (imanes) en un paso de ranura, esto es, oblicuidad en los imanes. En la Ilustración 22 se muestra un dibujo esquematizado en el que se ven las ranuras (blanco) y dientes (gris) en un plano frontal y cómo se dispondría el imán respecto a las ranuras (en rojo) en un momento determinado del giro, con su ángulo de oblicuidad.

ɽ

Ilustración 22 Disposición del imán oblicuo respecto a las ranuras

El cálculo de dicho ángulo de oblicuidad se realiza con la fórmula: –ƒ ߠ ൌ

߬ ‫ܮ‬

Ya que se dispone del valor del arco polar y se sabe que el número de ranuras por fase y por polo va a ser uno (es muy complicado hacer ranuras más pequeñas), se dispone del valor del paso de ranura: ߬ൌ

߬௣ ൌ ʹͲǤ͵͸݉݉ ͵

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Diseño del generador Por tanto, ya se puede calcular el valor del ángulo de oblicuidad: ș = 0.8974º. Es un valor muy pequeño dado que el paso de ranura es muy pequeño al tener tantos polos y el valor de la longitud es relativamente alto. En la realidad, los imanes no se van a colocar en forma de hileras oblicua por la gran dificultad de mecanizarlos, sino en porciones de imanes como el de la Ilustración 19, con una Lm de 100 mm por encontrarse fácilmente en el mercado, y desviándolos un ángulo hasta alcanzar el ángulo ș. Se colocan

ଵǤଷ௠

೘೘ ೔೘ೌ೙

ଵ଴଴

ൌ

ͳ͵݅݉ܽ݊݁‫ ݏ‬y el resultado es el mismo que si se colocara un imán oblicuo.

Finalmente, los imanes quedan:

Ilustración 23 Disposición de oblicuidad de imanes

La oblicuidad de los imanes, además de influir en los armónicos de ranura, va a tener 2 consecuencias: •

•

Aumento de la longitud de los imanes. Se tiene que calcular la longitud real de los imanes de la forma:  ‫ܮ‬ ൌ ܿ‫ܮ ֜ ߠݏ݋‬௥௘௔௟ ൌ ͳǤ͵ͲͲʹ݉ ‫ܮ‬௥௘௔௟ Por tanto, no se modifica prácticamente el valor. Disminución del flujo producido. Para estimar cómo disminuye el flujo, hay que calcular el factor de oblicuidad:  ߶෠௢௕௟௜௖௨௢ ݇ൌ ߶෠௣௔௥௔௟௘௟௢

Para calcular el factor de oblicuidad, hay que determinar áreas del imán que difieren de la configuración en paralelo. Hay que buscar la disposición del imán con las ranuras óptima para obtener el máximo flujo.

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Diseño del generador Tras un estudio de distintas disposiciones, se llegó a la conclusión de que dicha disposición es la que aparece en la Ilustración 24.

Ilustración 24 Disposición óptima de imanes

El factor de oblicuidad se calcula dividiendo el área efectiva de imán que suma flujo (por tanto, va a ser el área del imán menos el área de las porciones en rojo) entre el área de imán en paralelo. El área de cada porción en rojo se calcula: 6

൫IJEP IJS ൯ā൫IJEP IJS ൯ā WDQ ș 

El área total del imán en oblicuo se calcula como:

୧୫ୟ୬ ൌ ඥଶ ൅ ɒଶ ൉ „୫ •‹ Ʌ

Entonces, el área efectiva del imán en oblicuo es:

ୣ୤ୣୡ୲୧୴ୟ ൌ ୧୫ୟ୬ െ ʹ ൉ 

Por tanto, para calcular el factor k, se debe realizar el siguiente cálculo: ൌ

ୣ୤ୣୡ୲୧୴ୟ ൌ ͲǤͻͻ͸ „୫ ൉ 

Dado que su valor es aproximadamente 1, tampoco va a influir.

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2.6 ESTATOR

El estator está compuesto por el yugo, los dientes y ranuras, y el devanado de las ranuras que va a llevar la corriente inducida al convertidor, para después llevarla a la red.

2.6.1 YUGO DEL ESTATOR El yugo del estator, al igual que el del rotor, es un cilindro hueco de hierro al silicio, necesario para que circule el flujo magnético y con un valor mínimo para que el material no sature que se calcula según la sección 2.4.2. En este caso, sin embargo, se realiza el yugo junto a los imanes en láminas de hierro al silicio, más finas que en el caso del rotor ya que las corrientes de Foucault van a ser mayores en el estator que en el rotor.

2.6.2 DIENTES Y RANURAS Los dientes también tienen que comprobarse para la saturación del material. Además, dado sus pequeñas dimensiones, es probable que den problemas. En este apartado hay que realizar varias decisiones. En primer lugar, hay que escoger en número de ranuras por fase y por polo q. Como ya se ha ido comentando en apartados anteriores, nos vemos forzados a escoger un q=1, dada la multipolaridad de la máquina. Con esta elección, el número de ranuras totales será ‫ ݎ‬ൌ ͵ ൉ ‫ ݍ‬൉ ‫ ݌‬ൌ ͳͲͺͲranuras y así, por tanto, el paso de las ranuras será ߬ൌ

గ൉஽೐೓ ௥

ൌ ʹͲǤ͵͸݉݉.

2.6.2.1 Armónicos de ranura Si pusiéramos un valor de q distinto de 1, reduciríamos los armónicos de ranura. A continuación se explican de qué se tratan dichos armónicos.

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Ilustración 25 Armónicos de ranura de campo en el entrehierro [KOST73]

En la Ilustración 25 se observa cómo es el campo en el entrehierro. Si no existieran ranuras, el campo creado sería una onda rectangular de campo con una altura de Bm. pero en este caso de estator con ranuras (figura a), el campo es como aparece en la figura b: superposición de una onda rectangular (figura c) de altura Bc y la curva de pulsaciones de ranura del campo (figura d). En el caso de la onda rectangular, los armónicos del campo giran con la misma velocidad que el rotor y las ranuras del estator sólo provocan su reducción. Sin embargo, en el caso de la curva de pulsaciones es más complicado su análisis. Esta curva con un periodo de 2 pasos polares es simétrica con respecto al eje de abscisas, que pertenece al primer paso polar. Por eso la curva sólo contiene armónicos impares. La forma de la curva varía con el desplazamiento de los polos con respecto al estator, por lo tanto, los armónicos de esta curva se desplazan con respecto al estator con distintas velocidades, e inducen en el devanado del estator fuerzas electromotrices de distintas frecuencias.

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Diseño del generador Para solucionar este problema, se puede recurrir a poner un valor de q distinto de 1, pero en este caso se ha recurrido a poner los imanes oblicuos (se podría haber realizado en los dientes del estator en lugar de los imanes), como se explica en el apartado 2.5.2.2.

2.6.2.2 Elección del tipo de ranura Para alojar los conductores en las ranuras y sujetarlos, existen varias configuraciones de diseño de ranura: ranura abierta, semicerrada y cerrada. En el caso de grandes máquinas, como este, se utilizan ranura abierta, donde el devanado se prepara con sus bobinas totalmente acabadas en una bobinadora, de tal forma que permite la colocación de la bobina entera en la ranura, cerrando ésta por medio de un calzo aislante. La Ilustración 26 muestra cómo quedaría la ranura finalmente con el cable en su interior.

Ilustración 26 Ranura abierta

2.6.3 DEVANADO DEL ESTATOR En el caso del generador síncrono de imanes permanentes, sólo hay devanado en el estator y éste va a ser en el que se va a inducir la corriente a la red. En este apartado hay que tomar varias decisiones:

2.6.3.1 Sección del cable El cable en las máquinas de elevada potencia, como este caso, es de cobre en forma de pletina, es decir, una barra de poco espesor.

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Diseño del generador Para la elección de la sección de cable a usar, en primer lugar se debe escoger a qué tensión se va a generar electricidad para la red. La tensión puede oscilar entre 660 V y 15 kV. En este caso se ha escogido una tensión nominal de red de 690 V, con la que se va a calcular la intensidad que pasa por el cable. Con dicha tensión nominal escogida, se ha calculado la intensidad nominal suponiendo un cosij=1. ‫ܫ‬ே ൌ

ܲே

ξ͵ ൉ ܷே

ൌ Ͷͳͺ͵Ǥ͹‫ܣ‬

WĂƌĂĞůĚŝƐĞŹŽĚĞĞƐƚĞŐĞŶĞƌĂĚŽƌƐĞŚĂĞƐĐŽŐŝĚŽƵŶĂĐŽŶĨŝŐƵƌĂĐŝſŶĚĞůĂƐĨĂƐĞƐ ĞŶƚƌŝĄŶŐƵůŽ͕ƉŽƌůŽƋƵĞůĂŝŶƚĞŶƐŝĚĂĚƋƵĞĐŝƌĐƵůĂƉŽƌůĂƐƌĂŵĂƐĞƐ͗ ‫ܫ‬௥௔௠௔ ൌ

‫ܫ‬ே

ξ͵

ൌ ʹͶͳͷǤͶ͸‫ܣ‬

WĂƌĂ Ğů ĐĄůĐƵůŽ ĚĞ ůĂ ƐĞĐĐŝſŶ ĚĞů ĐĂďůĞ ƚĂŵďŝĠŶ ƐĞ ĚĞďĞ ĨŝũĂƌ Ğů ǀĂůŽƌ ĚĞ ůĂ ĚĞŶƐŝĚĂĚĚĞĐŽƌƌŝĞŶƚĞ:;ͬŵŵϮͿ͘ƐƚĞƉĂƌĄŵĞƚƌŽĞƐŵƵLJŝŵƉŽƌƚĂŶƚĞLJĂƋƵĞƐŝĞƐ ƵŶǀĂůŽƌďĂũŽ͕ĞůĐĂůĞŶƚĂŵŝĞŶƚŽĚĞůĐĂďůĞǀĂĂƐĞƌŵĂLJŽƌ͕ƉĞƌŽĞůƌĞŶĚŝŵŝĞŶƚŽƋƵĞ ƐĞƉƵĞĚĞŽďƚĞŶĞƌǀĂĂƐĞƌŵĂLJŽƌƚĂŵďŝĠŶ͕LJǀŝĐĞǀĞƌƐĂƉĂƌĂƵŶǀĂůŽƌƉĞƋƵĞŹŽ͘>Ă ĚĞŶƐŝĚĂĚĚĞĐŽƌƌŝĞŶƚĞ:ƐƵĞůĞǀĂůĞƌĞŶƚƌĞϮLJϱͬŵŵϮ͘ŶĞƐƚĞĐĂƐŽ͕ƐĞǀĂĂŚĂĐĞƌ ĐŽŶƵŶĂ:сϯ͘ϲͬŵŵϮ͘ ŽŶ ůŽƐ ĚĂƚŽƐ ŽďƚĞŶŝĚŽƐ ĚĞ ŝŶƚĞŶƐŝĚĂĚ LJ ĚĞŶƐŝĚĂĚ ĚĞ ĐŽƌƌŝĞŶƚĞ ƐĞ ƉƵĞĚĞ ĚĞƚĞƌŵŝŶĂƌůĂƐĞĐĐŝſŶ͗ ܵ஼௨ ൌ

‫ܫ‬௥௔௠௔ ൌ ͸͹ͲǤͻ͸݉݉ଶ  ‫ܬ‬

Ésta será la sección de cobre necesaria para que no se sobrecaliente el cable.

2.6.3.2 Aislamiento del cable En el caso de esta máquina, la tensión que se tendrá a la salida será menor que 1 kV, por lo que no va a ser necesario un aislamiento elevado. Sin embargo, para preveer los picos de tensión que puede tener el generador a la salida, se va a colocar un aislante de una elevada resistencia a la temperatura (240 ºC), con un espesor de 0.12 mm, aproximadamente igual al escogido para el diseño (0.1 mm). 43

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Diseño del generador El material del que está hecho este aislante es la poliimida, un polímero muy fuerte y resistente al calor y los agentes químicos. El catálogo de este producto se encuentra en los anejos. Además de este aislamiento del cable, se ha buscado un aislamiento para la cuña de cierre de las ranuras del estator. El aislamiento escogido es Vetronite, un material compuesto de fibra de vidrio y resina, ampliamente utilizado como aislante por ser muy resistente. Su catálogo también se encuentra en el anexo.

2.6.3.3 Espiras necesarias En primer lugar se debe calcular la fuerza electromotriz inducida en una espira en el estator con la fórmula:

Donde

Y por tanto

݂݁݉ ൌ ͶǤͶͶ ൉ ݇ ൉ ݂ ൉ ߶௣௔௥௔௟௘௟௢

Ȱ௣௔௥௔௟௘௟௢ ൌ ‫ܤ‬௘௛ ൉ ܾ௠ ൉ ‫ ܮ‬ൌ ͲǤͲͶʹܹܾ ݂݁݉ ൌ ͳͲͲ͵Ǥͷ͹ܸȀ݁‫ܽݎ݅݌ݏ‬

Por lo tanto, solo es necesaria una espira, N=1, ya que la tensión disminuirá a la salida debido a las pérdidas y a otros factores. Entonces, la tensión inducida total es ‫ܧ‬଴ ൌ ͳͲͲ͵Ǥͷ͹ܸ.

2.6.3.4 Sección necesaria de ranura Debido a que ya se tiene fijado el valor de la anchura de la ranura del estator, que

será ܾ௦ ൌ ߬ െ ܾ௧ ൌ ͻǤͳ͸݉݉, y que la sección del cable es bastante elevada, hay

que comprobar si el cable cabe en el espacio de la ranura.

En la Ilustración 27 se han señalado las dimensiones principales. Las dimensiones de la cuña de cierre se han escogido de forma que sean las mínimas.

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Ilustración 27 Dimensiones de la ranura

El ancho del cable de cobre se puede determinar con los datos de que se dispone. Dado que el cable de cobre va a entrar por el hueco de la ranura dispuesto para colocar después la cuña de cierre, el ancho es:

ܾ஼௨ ൌ ܾ௦ െ ͲǤͳ െ ͲǤͳ െ ͲǤͷ െ ͲǤͷ ൌ ͹Ǥͻ͸݉݉

Conociendo la sección de cobre, la altura de cobre necesaria es: ݄஼௨ ൌ

ܵ஼௨ ൌ ͺͶǤʹͻͳͷ݉݉ ܾ஼௨

Con el valor de altura del diente obtenido en el estudio de mercado, ݄௦ ൌ ͸͸Ǥ͹ͺ݉݉, no cabe el cobre necesario para el generador, por lo que habrá que calcularlo.

݄௦ ൌ ݄஼௨ ൅ ͲǤͷ ൅ ͲǤͷ ൅ ͲǤͳ ൅ ͲǤͳ ൌ ͺͷǤͶͻͳͷ݉݉

Esta altura es la mínima necesaria para que quepa el conductor, y es la que se va a utilizar.

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2.6.3.5 Configuración del devanado Los inducidos de las máquinas se realizan en forma de arrollamientos distribuidos para cubrir toda la periferia de la máquina. En las máquinas que generan en corriente alterna, los devanados se clasifican en concéntricos y excéntricos. Los devanados concéntricos son los formados por bobinas de distinto paso, pero con un eje común. Los devanados excéntricos son los formados por bobinas de igual paso pero desfasadas entre sí en el espacio. La Ilustración 28 muestra un dibujo de estas configuraciones.

Ilustración 28 Devanado concéntrico y excéntrico [FRAI05]

Sin embargo, en este diseño se ha elegido un tipo especial de devanado: el devanado trifásico triplanar para estatores desarmables. En este devanado, todas las bobinas pertenecientes a una misma zona de fase, están dobladas hacia un mismo lado, y en la parte frontal, no se dividen en dos partes. Esto proporciona una distribución muy irregular en las partes frontales, pero permite tener líneas de desempalme del estator en las que no se corta ninguna bobina, sino que solo las conexiones de entrebobinas. En la Ilustración 29 se muestra un ejemplo de este devanado para q=2. Un posible plano de desempalme puede ser el DE.

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Diseño del generador

Ilustración 29 Devanado de estator desarmable para q=2 [KOST73]

El inconveniente es que las partes frontales van a tener un vuelo excesivo, lo que va a hacer que aumente la longitud constructiva de la máquina. Sin embargo, como el estator es desarmable, ya no hace falta sacar el rotor en dirección axial y las bobinas de una de las fases puede doblarse hacia el rotor, lo que reduciría algo la longitud. Para poder desarmar el estator, se va a realizar el mismo por trozos para poder separarlos cuando se necesite desarmar la máquina. La configuración final del devanado con q=1 y una espira queda como se muestra en la Ilustración 30.

Ilustración 30 Configuración del devanado

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Diseño del generador Para visualizar la parte frontal y las ventajas e inconvenientes dichas anteriormente, se muestra la Ilustración 31. En ambas ilustraciones aparecen 3 colores en los conductores, uno por cada fase, y la disposición irregular en la parte frontal, así como la posibilidad de orientar hacia el rotor el doblado de los conductores.

Ilustración 31 Configuración del devanado. Vista en 3D

Como esta configuración es tan irregular, hay que tener cuidado en la disposición de las bobinas a la salida de la ranura. Si no, la diferencia de longitud entre una bobina de una fase y otra bobina de otra fase, provocaría desequilibrios en la tensión inducida. Para evitar estos desequilibrios, se realizan bloques de 3 bobinas por fase, como se ve en la Ilustración 31, para que cada bobina pase por una longitud, de la más pequeña a la más grande. Estos bloques se deben repetir de manera simétrica a lo largo de todo el devanado del estator.

2.7 CIRCUITO ELÉCTRICO

El circuito eléctrico equivalente es el que se muestra en la Ilustración 32.

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Diseño del generador

Ilustración 32 Circuito eléctrico equivalente

En primer lugar se presenta una tabla con los valores usados como magnitudes base para pasar todo el circuito a unitarias: Magnitud

Valor

UB

690 V

SB

5 MVA

IB

4183,70 A

ZB

0,09522 ȍ

LB

0.000505 H

Voy a pasar a explicar cada componente de dicho circuito: • •

•

E0: tensión inducida por los imanes. Su valor en condiciones nominales es de ‫ܧ‬଴ ൌ ͳͲͲ͵Ǥͷ͹ܸ ൌ ͳǤͶͷ‫ݑ݌‬. R: resistencia de los conductores de cobre. Se supone que el valor de la resistividad del cobre es ߩ஼௨ ൌ ͳǤ͹ʹ ൉ ͳͲି଼ ȳ ൉ ݉. El cálculo se realiza de la siguiente manera: ‫ܮ‬ ܴ ൌߩ൉ ൉‫݌‬ ܵ஼௨ Donde: ‫ ܮ‬ൌ ‫ ܮ‬൅ ߬௉ ൌ ͳǤ͵͸ͳͲͻ݉ Por tanto: ܴ ൌ ͲǤͲͳʹͷ͸ߗ ൌ ͲǤͲͶ͵ͻ͹‫ݑ݌‬ XS: reactancia síncrona del generador. A la hora de su cálculo, se ha descompuesto en varios valores: ‫ܮ‬ௌ ൌ ଷ ‫ܮ‬௠௤ ൅ ‫ܮ‬ఙ௘௪ ൅ ‫ܮ‬ఙௌ ൅ ‫ܮ‬ఙ௚ . ସ

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Diseño del generador o o o o

Lmq: inductancia de magnetización en el eje de cuadratura. Lıew: inductancia de dispersión al final del bobinado. Lıs: inductancia de dispersión en los dientes. Lıg: inductancia de dispersión en el entrehierro.

La XS modela las pérdidas por la dispersión del flujo en los distintos elementos descritos anteriormente. Para calcularlos hay que realizar unos cálculos intermedios: o Factor de Carter. Se calcula como:

ߛൌ

߬௣ ͵

݇௖௔௥௧௘௥ ൌ ߬ ௣ ͵ െ ߛ ൉ ݃௧௢௧

Ͷ ܾ௦ ܾ௦ ܾ௦ ቎ ƒ–ƒ െ Ž‘‰ ඨͳ ൅ ቏ ߨ ʹ ൉ ݃௧௢௧ ʹ ൉ ݃௧௢௧ ʹ ൉ ݃௧௢௧

o Entrehierro efectivo. Es el valor del entrehierro teniendo en cuenta el valor de permeabilidad del imán, que es aproximadamente igual al valor de permeabilidad en el vacío. Se calcula como: ݄௠ ݃௧௢௧ ൌ ߜ ൅ ߤ௠ ݃௘௙௙ ൌ ݃௧௢௧ ൉ ݇௖௔௥௧௘௥ Con estos datos obtenidos, se calculan las distintas inductancias: ߤ଴ ൉ ߨ ൉ ܰ ଶ ൉ ‫ ܮ‬൉ ‫ܦ‬௘௛ ‫ܮ‬௠௤ ൌ ൌ ͲǤͲͲͳͲͳʹ‫ܪ‬ ʹ ൉ ݃௘௙௙ ‫݌‬ ‫ܮ‬ఙ௘௪ ൌ ൉ ߤ଴ ൉ ߬௣ ൌ ͲǤͲͲͲͲͳ͵ͺͳͺ‫ܪ‬ ʹ ݄௦ ൅ ʹ ‫ܮ‬ఙ௦ ൌ ‫ ݌‬൉ ߤ଴ ൉ ‫ ܮ‬൉ ܰ ଶ ൉ ൌ ͲǤͲͲͳͺ͹ʹ‫ܪ‬ ͵ ൉ ܾ௦ ݃௘௙௙ ͷ൉ ܾ௦ ‫ܮ‬ఙ௚ ൌ ‫ ݌‬൉ ߤ଴ ൉ ‫ ܮ‬൉ ܰ ଶ ൉ ݃௘௙௙ ൌ ͲǤͲͲͲͶͶ͸ͺ͵‫ܪ‬ ͷ൅Ͷ൉ ܾ௦ ‫ܮ‬ௌ ൌ ͲǤͲͲ͵͸ͺʹ‫ܪ‬ Este valor de LS es en triángulo, tal y como para lo que se ha diseñado la máquina. Por tanto, el valor de XS en estrella es: ‫ܮ‬ௌ ൉ ʹ ൉ ߨ ൉ ݂ ܺௌ ൌ ൌ ʹǤ͵ͳ͵Ͷȳ ൌ ʹǤͶʹͻ͸‫ݑ݌‬ ͵ A continuación, con el circuito eléctrico ya realizado, se ha procedido a calcular con que ángulo de desfase es capaz el generador de obtener la

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Diseño del generador tensión nominal a la que se ha diseñado. Para ello, es necesario calcular también el valor en pu de la tensión en vacío, esto es: ‫ܧ‬଴ ݁଴ ൌ ൌ ͳǤͶͷͶͶ‫ݑ݌‬ ܷ஻ Se pretende comprobar qué ocurre si con una intensidad nominal se pretende obtener el valor de la tensión nominal. Para ello, hay que tener en cuenta las caídas de tensión que se producen en la resistencia del cobre y las reactancias de dispersión. El diagrama fasorial que muestra esta situación se encuentra en la Ilustración 33.

Ilustración 33 Diagrama fasorial

Este dibujo no está a escala porque en realidad el valor del producto XSI en unitarias es de 2.43 pu, mientras que el valor de E0 es de 1.45 pu. A la vista de esto, es fácil concluir que no es posible alcanzar el valor de tensión nominal nunca sin tener que consumir reactiva. Una posible solución puede ser la de situar un banco de condensadores. Se va a calcular el valor de E0 para el que hubiera sido posible. Para ello, se va a despreciar el producto R·I y se supondrá un ángulo de plena carga ߮ ൌ Ͳι, como

se observa en la Ilustración 34.

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Diseño del generador

Ϭ

y^/сϮ͕ϰϮƉƵ

hсϭ Ilustración 34 Diagrama fasorial 2

‫ܧ‬଴ ൌ ඥͳ ൅ ሺܺ௦ ‫ܫ‬ሻଶ ൌ ʹǤ͸ʹ͹‫ݑ݌‬

Otra posible situación sería en la que se tuviera el valor de la Xs máximo para que la caída de tensión producida no fuese tan alta. En este caso sería: ܺ௦ ൌ ඥͳǤͶͷͶͶଶ െ ͳ ൌ ͳǤͲͷ͸‫ݑ݌‬

En futuras optimizaciones de este proyecto, se tendría que verificar algunos de estos aspectos. De esto se habla más detalladamente en las conclusiones.

2.8 PÉRDIDAS

Las pérdidas que se producen en este generador se subdividen en 2: pérdidas mecánicas y pérdidas eléctricas.

2.8.1 PÉRDIDAS MECÁNICAS Son las pérdidas producidas por: •

•

Fricción entre elementos sólidos, en este caso, principalmente en los cojinetes y fricción sólido-aire. Estas pérdidas dependen de la velocidad al cuadrado y, dada la escasa velocidad de rotación, van a ser pequeñas. Deformación, en este caso también principalmente en los cojinetes. Estas pérdidas mecánicas se calculan como ܲ ൌ ‫ ܨ‬൉ ‫݈݁ݒ‬, donde F es la fuerza de 52

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Diseño del generador deformación. Dado que la velocidad es pequeña, estas pérdidas también van a ser pequeñas. Dado que las pérdidas mecánicas van a ser muy pequeñas y no son objeto de estudio, se considerarán de un valor de ܲ௠௘௖ ൌ ͲǤͷΨܲே .

2.8.2 PÉRDIDAS ELÉCTRICAS Las pérdidas eléctricas son las que se producen debido a la intensidad circulante por el cobre y al campo magnético, que provoca pérdidas en el hierro.

2.8.2.1 Pérdidas en el cobre Las pérdidas en el cobre son las pérdidas producidas por el efecto Joule: estas son la parte de energía que se transforma en calor en la circulación por los cables de intensidad. Se calcula de la siguiente manera:

ଶ ܲ஼௨ ൌ ͵ ൉ ܴ ൉ ‫ܫ‬௥௔௠௔ ൌ ʹͳͻǤͺͶܹ݇

2.8.2.2 Pérdidas en el hierro Las pérdidas producidas en el hierro son debidas al campo magnético que atraviesa los núcleos de hierro de la máquina y se dividen en: •

•

Pérdidas por histéresis: representan una pérdida de energía que se manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. Son proporcionales a la frecuencia de la intensidad inducida. Pérdidas por Foucault. Estas pérdidas son también por efecto Joule de las intensidades parasitarias que se crean en los núcleos de hierro de la máquina al inducirse en ellos una tensión debida a la intensidad inducida en las bobinas del estator. También se crean estas intensidades parasitarias en el cobre, pero son despreciables a la hora de calcularlas. Estas pérdidas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.

Como una primera impresión, se puede deducir que dado que la frecuencia es menor de lo normal, estas pérdidas van a ser pequeñas. Se van a calcular con unas fórmulas expuestas en [DUBO04].

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Diseño del generador ܲி௘ ൌ ܲு ൅ ܲி

ଶ ݂ ݂ ‫ܤ‬௦௧ଵ ଶ ൌ ቈ݇௛௬௦௧௦௧௘௘௟ ൬ ൰ ൅ ݇௘ௗௗ௦௧௘௘௟ ൬ ൰ ቉ ቈ݉௦௧ ൬ ൰ ͷͲ‫ݖܪ‬ ͷͲ‫ݖܪ‬ ͳǤͷܶ

൅ ݉௦௬ ൬

Donde:

‫ܤ‬௦௬ଵ ଶ ൰ ቉ ͳǤͷܶ

• khyststeel y keddysteel son las pérdidas de histéresis y de Foucault específicas, dadas en W/kg, para una frecuencia de 50 Hz y un campo de 1.5 T, que son supuestas que para un material de hierro al silicio son ݇௛௬௦௧௦௧௘௘௟ ൌ ʹܹȀ݇݃ y ݇௘ௗௗ௬௦௧௘௘௟ ൌ ͲǤͷܹȀ݇݃. • mst y msy son las masas de los dientes y del yugo del estator. Suponiendo que la densidad del hierro es de ߩி௘ ൌ ͹ͺͷͲ݇݃Ȁ݉ଷ , las masas son: ݉௦௧ ൌ ߩி௘ ൉ ݄௦ ൉ ‫ ܮ‬൉ ܾ௧ ൉ ܰ ൌ ͳͲͷͷʹǤͺ͸݇݃ ଶ ሻ ଶ െ ܴ௜௡௧ ݉௦௬ ൌ ߩி௘ ൉ ߨ ൉ ሺܴ௘௫௧ ൉ ‫ ܮ‬ൌ ʹͻͻ͸Ǥʹͳͺ͹݇݃ • Bst1 y Bsy1 son el componente del primer armónico del campo máximo que se produce en los dientes y en el yugo del estator y se calculan: ܾ௠ ݇௠௔௚ ൌ ൌ ͲǤ͸ͻ ߬௣ Ͷ ߨ ‫ܤ‬௦௧ଵ ൌ ൉ ‫ܤ‬௦௧ ൉ •‹ ൉ ݇௠௔௚ ൌ ͳǤͷ͹ͷܶ ߨ ʹ Ͷ ߨ ‫ܤ‬௦௬ଵ ൌ ൉ ‫ܤ‬௦௬ ൉ •‹ ൉ ݇௠௔௚ ൌ ͳǤͶͳ͹ͺܶ ߨ ʹ Con esto, las pérdidas en el hierro totales son: ܲி௘ ൌ ͳͻ͹ͶͻǤ͸͹ͷܹ

2.8.3 RENDIMIENTO TEÓRICO

El rendimiento teórico se calcula como: ߟൌ

ܲ௨௧௜௟ ͷ‫ܹܯ‬ ൌ ൌ ͻͷǤͶ͵Ψ ܲ௨௧௜௟ ൅ ‫݌‬±‫ ݏܽ݀݅݀ݎ‬ͷ‫ ܹܯ‬൅ ʹͳͻǤͺͶܹ݇ ൅ ͳͻ͹ͶͻǤ͸͹ͷܹ

Este rendimiento parece bastante aceptable, si bien no va a ser el rendimiento final de la máquina porque no estamos teniendo en cuenta otras pérdidas producidas en

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Diseño del generador ella, como el atornillado de algunas piezas o la soldadura de las láminas del estator.

2.9 DESMAGNETIZACIÓN DE LOS IMANES

Uno de los principales problemas en los generadores de imanes permanentes es la posible desmagnetización irreversible de los imanes. Cuando esto sucede, hay que sustituir los imanes, por lo que hay que analizar la posible desmagnetización comprobando que no se produce ante un cortocircuito. La desmagnetización del imán se produce debido al campo inducido por las corrientes del estator, que lleva un sentido opuesto al campo remanente del imán y que va a disminuir su campo total. Si este campo disminuye hasta un valor mínimo, el imán no volverá a su curva inicial de histéresis hasta acabar desmagnetizándose. En este apartado se ha calculado el campo magnético generado por la corriente del estator ante un cortocircuito. Para ello, se ha utilizado el esquema del circuito magnético de la Ilustración 35.

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Diseño del generador Ĩŵŵ

Ĩŵŵ

ʔ

Ilustración 35 Circuito magnético para desmagnetización

La reluctancia del imán, que no fue calculada anteriormente, es: Ը௠ ൌ

݄௠ ൌ ͳ͸ͺͶ͸ͶǤͳͳͺ‫ܣ‬Ȁܹܾ ߤ௠ ൉ ‫ ܮ‬൉ ܾ௠

Por tanto, la reluctancia total del circuito es: Ը ் ൌ Ͷ ൉ Ը௦௧ ൅ Ͷ ൉ Ը௠ ൅ Ͷ ൉ Ը௘௛ ൅

Ը௬௦ Ը௬௥ ൅ ൌ ͻ͹͵ʹͶ͸Ǥͻͻʹ‫ܣ‬Ȁܹܾ ʹ ʹ

La intensidad en cortocircuito máxima es la que se produzca con un cortocircuito franco: ‫ܫ‬஼஼ ൌ

ʹ ൉ ξʹ ൉ ‫ܧ‬଴ ඥܺௌଶ ൅ ܴ ଶ

ൌ ͶͲͺ͵ǤͺͶ‫ܣ‬

Y como la fuerza magnetomotriz se calcula como ݂݉݉ ൌ ܰ ൉ ‫ܫ‬, es ݂݉݉ ൌ

ͶͲͺ͵ǤͺͶ‫ܣ‬.

Teniendo todos estos datos, se calcula el flujo: ȰൌͶ൉

݂݉݉ ൌ ͲǤͲͳ͸͹ͺܹܾ Ը்

Y como Ȱ ൌ ‫ܤ‬௜ ൉ ‫ ܮ‬൉ ߬௉ ֜ ‫ܤ‬௜ ൌ ͲǤʹͳͳ͵ͷܶ 56

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Diseño del generador Por tanto, el campo mínimo que va a tener el imán es ‫ ܤ‬ൌ ͳǤͳ െ ͲǤʹͳͳ͵ͷ ൌ ͲǤͺͺͺ͸ͷܶ, que va a ser mucho mayor que el mínimo campo que debe tener, luego los imanes no se desmagnetizan.

2.10 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

Aparte de los aspectos puramente eléctricos a la hora de construir la máquina, también se ha indagado un poco en los aspectos mecánicos. En primer lugar, debido a que se va a realizar el estator a trozos, es necesario unir esos trozos a un aro de diámetro el justamente necesario para poder “pegar” dicho aro al estator. En este caso se diseñó el aro de forma que estuviera en contacto con el estator en unos 10 mm de profundidad y además, con más diámetro para poder unir los nervios y la carcasa a él. Un ejemplo de éste aro se ve en la Ilustración 36.

Ilustración 36 Aro

Como se ha explicado al inicio de este proyecto, una de las finalidades este proyecto es comprobar qué ocurre cuando quitas la multiplicadora porque ésta

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Diseño del generador soporta un gran esfuerzo y al quitarla reducimos mantenimiento. Sin embargo, los esfuerzos que iban a absorver la multiplicadora ahora se lo llevan los cojinentes. Por esto, y por el elevado diámetro que tiene el generador, los cojinetes que se van a usar tienen un gran diámetro, y el cojinete izquierdo soporta mayores esfuerzos que el derecho, ya que va a estar más cerca de la entrada. Los catálogos de los cojinetes escogidos están en el anejo y son de la marca SFK. Ambos tienen un diámetro interior de 1060 metros. El cojinete izquierdo, que es el que se encuentra en la Ilustración 37, es el que más pesa, 4280 kg, y soporta una carga de 33400 kN máximos.

Ilustración 37 Cojinete izquierdo

El cojinete derecho, que es el que se encuentra en la Ilustración 38, pesa 870 kg, y soporta menos carga, 7210 kN.

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Diseño del generador

Ilustración 38 Cojinete derecho

Para acoplar el movimiento de la entrada con el de la máquina es necesario un eje que, debido al elevado diámetro del rodillo, va a ser un eje hueco ya que se ve innecesario un eje macizo de 1060 metros de diámetro. Se encuentra en la Ilustración 39.

Ilustración 39 Eje

Por último, para unir el cojinete con el generador se realizaron unos nervios tanto entre el rotor y el cilindro interno del cojinete como enTRE el estator y el cilindro

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Diseño del generador externo, solo que de manera contínua para ayudar a soportar los esfuerzos sin que se rompiera. En la Ilustración 40 se muestra un modelado de los aspectos constructivos en la que se ve la carcasa, que sirvió también como unión del estator con el cojinete y en la Ilustración 41 se muestra la máquina sin los nervios.

Ilustración 40 Generador con carcasa

Ilustración 41 Generador sin carcasa

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Conclusiones

Capítulo 3 CONCLUSIONES 3.1 RESULTADOS FINALES

Finalmente, tras este primer diseño de un generador síncrono de imanes permanentes, se han obtenido unos resultados que se deberían mejorar y otros aceptables. En primer lugar, el valor de rendimiento obtenido es del 95.43 %, un valor bastante razonable. Pero por otra parte, el precio final de la máquina es de 1.398.793,68 €, un valor muy elevado, por lo que es discutible que la utilización de generador sin multiplicadora sale rentable desde un punto de vista económico para el inversor. Cabe destacar que estos son unos resultados iniciales y que se pueden realizar mejoras para reducir el coste de la máquina y así optimizarla. Por último, uno de los problemas más graves que tiene este diseño es su imposibilidad de producir la tensión para la que le hemos diseñado. Este problema ha sido discutido en el apartado 2.7. Este es uno de los mayores problemas de este generador que, sin embargo, no es un objeto determinante ya que se puede mejorar para obtener los resultados deseados en una fase de optimización que se va a explicar en el siguiente apartado. Por lo tanto, a la vista de estos resultados, aún no resulta beneficioso para el inversor la eliminación de la multiplicadora y no sería comercializable este diseño.

3.2 DESARROLLOS FUTUROS

Este proyecto ha sido finalizado con unos resultados que son posibles de mejorar en futuras fases de optimización. En realidad, el diseño de esta máquina consta de 61

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Conclusiones varias fases de optimización que no han sido posibles realizar por falta de tiempo. Sin embargo, se van a explicar las posibles medidas que se podrían tomar para mejorar esta máquina y hacerla útil en cuanto a la tensión producida. •

•

Lmq

En primer lugar, una posible medida a tomar es la de aumentar la tensión inducida en la máquina. Para ello, a la vista de la excitación por imanes de la máquina, la única posibilidad es la de aumentar la altura del imán para así, aumentar el flujo que éstos producen en el entrehierro. Otra posible medida es la de disminuir la reactancia síncrona de la máquina. En la Tabla 6 se muestran los resultados obtenidos para cada componente de ésta. Como se puede observar, la mayor es LıS, que representa la dispersión del flujo en los dientes del estator. Para disminuir ese valor se deben separar más los dientes entre sí (aumentar el ancho de la ranura) o disminuir la altura de las ranuras. Además, ambos parámetros no son independientes entre sí porque la altura de las ranuras ha venido determinada porque con el ancho del que se disponía y la sección de cable (las ranuras han tenido que ser más altas). Así que si se aumenta un valor se disminuirá el otro. El factor que determinaba el ancho de los dientes es la saturación de estos. Si se aumenta el límite de saturación de 1.4 T a 1.8 T, por ejemplo, se obtiene un diente más estrecho y por consiguiente, una ranura más ancha y más baja. Lıew Lıs Lıg

0.001012 H

1.38·10-5 H

0.001872 H

0.000446 H

Tabla 6 Desglose de inductancias

Aparte de la fase de optimización, es necesario realizar varias tareas: •

•

Un estudio de las cargas que deben soportar los diferentes elementos mecánicos con el fin de determinar los tornillos necesarios, o soldaduras en el caso de que fueran necesarias. Un estudio del flujo generado para así determinar los armónicos que se producen y poder observar las mejoras producidas al realizar oblicuidad en los imanes.

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Anejos de la Memoria

Parte II ANEJOS DE LA MEMORIA

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Catálogos

Capítulo 1 CATÁLOGOS 1.1 CATÁLOGO DE LOS IMANES

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Catálogos

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Catálogos

1.2 CATÁLOGO DEL AISLANTE DEL CONDUCTOR

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Catálogos

1.3 CATÁLOGO DE LA CUÑA DE CIERRE

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Catálogos

1.4 CATÁLOGO DE LOS COJINETES

1.4.1 COJINETE IZQUIERDO

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Catálogos

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Catálogos

1.4.2 COJINETE DERECHO

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Estudio económico

Capítulo 2 ESTUDIO ECONÓMICO En este apartado se va a estudiar la viabilidad, rentabilidad, fiabilidad e interés económico del proyecto. Se van a suponer 6 años para la realización de este proyecto: • • • • • • •

El primer año se ha dedicado a la realización del diseño y a la compra de la materia prima necesaria. Del segundo al quinto año se ha realizado toda la fabricación En el cuarto año se han comprado los materiales necesarios para la colocación del generador en el aerogenerador El último año se ha realizado pruebas y ultimado detalles para la puesta a punto de la máquina. El comprador ha dado un adelanto de pago del 20% el primer año y el resto lo ha pagado el último año Se han supuesto los costes generales, indirectos y de mano de obra, repartidos por igual en los seis años. Se han puesto 100.000 € de inversión propia. Además, ha sido necesario pedir un préstamo en el segundo año, con un interés del 10 % a pagar el último año al haber recibido el pago final por parte del comprador.

Con todo esto, y el presupuesto realizado en la última parte de este proyecto, se ha obtenido la Tabla 7 con los flujos de caja cada año.

73

Cashflow

Salidas

Entradas

Año

250455,756

Materia prima

112686,886

74

Tabla 7 Cashflow

-87313,1141

-409000,099

49457,5077

41574,0464

49457,5077

49457,5077

49457,5077

Gtos general+CI

19071,4247

19071,4247

19071,4247

19071,4247

18784,1817

0

0

4

Operarios

18784,1817

3

321686,985

18784,1817

200000

2

Material adicional

Fabricación

19200

100000

279758,735

Diseño

Pago+intereses

Inversión propia

Préstamo

Cobro

1

INGENIERO INDUSTRIAL

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-87313,1141

49457,5077

19071,4247

18784,1817

5

830506,008

49457,5077

19071,4247

220000

1119034,94

6

Estudio económico

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Estudio económico Con la tabla de los cashflow se han calculado el TIR y el VAN para determinar si el proyecto es viable y rentable económicamente. TIR

VAN

19 %

14.592,01 € Tabla 8 Resultados del estudio económico

Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 8 y se puede concluir que el proyecto resulta rentable.

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Presupuesto

Parte III PRESUPUESTO

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Costes

Capítulo 1 COSTES 1.1 COSTES DIRECTOS

Los costes directos son los costes de equipos permanentes, materiales, mano de obra y otros recursos envueltos en la fabricación del generador. En total para esta máquina, los gastos totales en costes directos han sido de 780.908,016 €. Estos gastos se subdividen en los siguientes gastos que se ven a continuación.

1.1.1 MATERIA PRIMA Estos gastos comprenden todos los gastos de la compra de material para la construcción del generador en sí, descartando de esta definición los materiales usados para la construcción final del generador en la turbina eólica. Es por ello, que solo se tienen en cuenta en este apartado el rotor y el estator. El coste de la materia prima asciende a 250.455,756 €. A continuación se muestra un desglose de los materiales empleados, así como de su coste final.

1.1.1.1 Acero al silicio El rotor y el estator están hechos de acero al silicio laminado. Las masas de ambos materiales se han calculado recurriendo al programa Catia y al modelado de la máquina realizado en este programa. Fijando el valor de la densidad del acero a ߩ஺௖ ൌ ͹ͺͷͲ݇݃Ȁ݉ଷ y suponiendo un coste del acero al silicio de 3 €/kg, los valores de masa y el coste final se muestran en la Tabla 9.

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Costes Rotor

Estator

Total

Masa

2903,286

13526,642 16429,928

Cte

8709,858

40579,926 49289,784 Tabla 9 Coste del Rotor y Estator

Por tanto, el coste final del acero al silicio es de 49.289,784 €.

1.1.1.2 Cobre El cobre es usado para el conductor del devanado del estator. En este caso el coste del cobre se estima a 15 €/kg. Para calcular la masa de Cobre, se ha calculado el volumen de los cables en primer lugar: ܸ஼௨ ൌ ܵ஼௨ ൉ ൫‫ ܮ‬൅ ߬௣ ൯ ൉ ‫ ݎ‬ൌ ͲǤͻͺ͸͵݉ଷ Y se ha supuesto que el valor de la densidad del Cobre es ߩ஼௨ ൌ ͺͷͲͲ݇݃Ȁ݉ଷ . Por tanto, la masa de cobre necesaria para la máquina es: ݉஼௨ ൌ ߩ஼௨ ൉ ܸ஼௨ ൌ ͺ͵ͺ͵Ǥͷͳ݇݃ Que multiplicándolo por el coste del cobre da un coste total de 125.752,73 €.

1.1.1.3 Imanes El coste de los imanes es bastante mayor que el del resto de componentes, dado que se ha usado unos imanes de las tierras raras. Se ha estimado un valor de 40 €/Kg. Para calcular el volumen del imán, se ha calculado en primer lugar el volumen de un imán: ܸூ ൌ ݄௠ ൉ ‫ܮ‬௠ ൉ ܾ௠ ൌ ͲǤͲͲͲͲͷ͵ͻͺ݉ଷ Después, suponiendo que el valor de la densidad del imán es ߩ௠ ൌ ͹ͶͲͲ݇݃Ȁ݉ଷ : ݉௜௠௔௡ ൌ ܸூ ൉ ‫ ݌‬൉ ͳ͵ ൉ ߩ௠ ൌ ͳͺ͸ͻǤͶͳ͸͵݇݃ Donde 13 es el número de imanes que se colocan en hilera formando la oblicuidad. Por tanto, el coste total de los imanes será de 74.776.65 €. 78

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Costes

1.1.1.4 Aislante 1.1.1.4.1 Aislante del cable Para el cálculo de la masa, el fabricante del aislante da el valor del gramaje, que es de 152 g/m2, ya que el grosor del aislante es muy pequeño. Por tanto hay que calcular la superficie que cubre el aislante: ܵ ൌ ሺ݄஼௨ ൅ ܾ஼௨ ሻ ൉ ʹ ൉ ൫‫ ܮ‬൅ ߬௣ ൯ ൉ ‫ ݎ‬ൌ ʹ͹ͳǤʹͳͷ݉ଶ Este valor, multiplicado por el gramaje da una masa de 41,2247 kg. En este caso se ha supuesto que el coste del aislante es de 10 €/kg y que, por tanto, el coste total es de 412,247 €. 1.1.1.4.2 Aislante de la cuña del estator También se va a calcular el coste de este aislante conocido el valor de su densidad por el fabricante, de 1900 kg/m3. Realizando un zoom del diente, se puede ver en detalle las dimensiones de la cuña, en la Ilustración 42.

Ilustración 42 Detalle de la cuña

Así, el volumen de la cuña del estator es: ܸ௖௨Ó௔ ൌ ሺͳ݉݉ ൉ ܾ஼௨ ൅ ͲǤͷ݉݉ ൉ ͲǤͷ݉݉ሻ ൉ ‫ ܮ‬൉ ‫ ݎ‬ൌ ͲǤͲͳͳͺ݉ଷ Teniendo en cuenta el valor de la densidad, la masa de la cuña es de 22,44 kg y, por tanto, suponiendo que el coste por kg es de 10 €/kg, su coste total es de 224,34 €.

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Costes

1.1.2 MATERIAL ADICIONAL Con material adicional nos referimos a todo material empleado en la construcción de la máquina, pero que no pertenecen a la propia máquina. Estos son: el eje, la carcasa, los aros, los nervios, los cojinetes y el convertidor. El coste total del material adicional es de 321.686,983 €. Se va a desglosar este coste en acero convencional, convertidor y cojinetes.

1.1.2.1 Acero convencional El coste del acero convencional es algo más reducido que el del acero al silicio, por lo que se ha supuesto de un valor de 1 €/kg. Las componentes de la máquina que están hechas de acero convencional son el eje, la carcasa y los nervios. Para el cálculo de las masas se ha utilizado el programa Catia usando una densidad de ߩ஼௨ ൌ ͹ͺͷͲ݇݃Ȁ݉ଷ . Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 10. Eje

Carcasa

Nervios

Total

rotor Masa (kg) 9482,081

29907,029 17703,875 57092,985

9482,081

29907,029 17703,875 57092,985

Cte (€)

Tabla 10 Costes del acero convencional

Por lo tanto, el coste total del acero convencional es de 57.092,98 €.

1.1.2.2 Convertidor El convertidor usado debe permitir una frecuencia a la entrada de 30 Hz, y convertirla a la salida a 50 Hz, y a una potencia nominal de 5 MW. Se ha supuesto un valor del convertidor de 40 €/kW, por lo que el coste del convertidor es de 200.000 €.

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Costes

1.1.2.3 Cojinetes Los cojinetes han sido escogidos de un catálogo de la marca SKF y sus costes aproximados son para el cojinete izquierdo 42.676 € y para el cojinete derecho 21.918 €, por lo que en total su coste es de 64.594 €.

1.1.3 COSTE DE LOS OPERARIOS Se ha determinado que para la fabricación del generador se precisa de un 20 % dl coste de la materia prima (esta consta de personal cualificado para la realización del bobinado, chapas….) y que para la mano de obra se requiere de un 30% del coste de la materia total necesaria. Por tanto: • •

Coste de fabricación: 75.136,73 €. Coste de mano de obra: 114.428,548 €.

1.1.4 COSTE DE INGENIERÍA DEL DISEÑO Para calcular estos costes, se ha estimado el tiempo de duración del diseño por parte del ingeniero de 6 meses, a 8 horas al día y 20 días al mes, por tanto, 960 horas. También se ha estimado el valor de la hora de trabajo del ingeniero de 40 €/hora, por lo que el coste asciende a 38.400 €. Ya que las máquinas diseñadas tan solo son prototipos y apenas se han comercializado, este proyecto está destinado para un parque experimental con dos máquinas. Por tanto, el coste de ingeniería del diseño para cada máquina es de 19.200 €.

1.2 COSTES INDIRECTOS

Los costes indirectos son aquellos que no llegan a ser una parte permanente de las infraestructuras, pero que se requieren para completar el proyecto, como son

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Costes servicios, mantenimiento, infraestructuras, luz, personal auxiliar asociado a fabricación, como puede ser transportador, etc. Se ha supuesto que los costes indirectos suponen un 15% de los costes directos, por lo que los costes indirectos son de 117.136,202 €.

1.3 GASTOS GENERALES

Los gastos generales corresponden a los gastos de los departamentos de compras, ventas, administración, gestión… Se les ha supuesto un valor del 20% del total de costes directos e indirectos, por lo tanto, el presupuesto para gastos generales es de 179.608,844 €.

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Precio final del generador

Capítulo 2 PRECIO FINAL DEL GENERADOR Para calcular el precio final del generador habrá que calcular el beneficio que se quiere obtener con esta máquina. El coste total de la máquina es, sumando todos los costes, de 1.077.653,06 €. Se van a obtener unos beneficios de esta máquina de un 10% del coste final, es decir, 107.765,306 €. Por lo tanto, el precio de esta máquina es de 1.185.418,37 €. Sin embargo, aún no se ha añadido el IVA, que actualmente se encuentra en un 18 %. Por tanto, el precio final con IVA asciende a 1.398.793,68 €.

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Planos

Parte IV PLANOS

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Planos

INDICE DE PLANOS 1. Generador con carcasa 2. Generador 3. Eje 4. Cojinete izquierdo 5. Cojinete derecho 6. Estator 7. Yugo del rotor 8. Imán

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