Aerogerador sem núcleo ferromagnético : projeto, construção e ensaios

Abstract

Esta tese apresenta o estudo, projeto, análise, construção e testes de um gerador síncrono de ímãs permanentes sem núcleo ferromagnético e como pode ser avaliado o seu funcionamento. Através de um levantamento de potencial eólico são definidos os pré-requisitos de um gerador voltado para microgeração eólica em área urbana. Serão discutidas as vantagens e desvantagens de diferentes tipos de máquinas e será demonstrado como a tecnologia desenvolvida para grandes máquinas pode ser utilizada em pequenas turbinas. Será descrita uma metodologia para dimensionamento do gerador síncrono de fluxo radial com ímãs montados na superfície do rotor, com a análise através de método de elementos finitos e com modelagem matemática. O gerador sem núcleo ferromagnético é dimensionado de acordo com a teoria utilizada para o projeto de máquinas convencionais, com duas restrições principais: o diâmetro do rotor e a baixa densidade de fluxo magnético nos enrolamentos. O diâmetro do rotor é limitado devido à topologia proposta que fixa o rotor nas pás da turbina acoplada a um difusor e emprega um grande número de polos para o gerador elétrico. Para aumentar a indução magnética nos condutores, a estratégia adotada é aproximá-los dos ímãs de excitação, utilizando um formato plano de bobinas de camada única posicionadas adequadamente através de ranhuras de profundidade curta. É utilizado o método de elementos finitos para dois tipos de análise: magnetostática e de transiente. A análise magnetostática dos campos gerados pelos ímãs de excitação e pela bobina alimentada com corrente nominal calcula a distribuição de densidade de fluxo magnético na máquina. Pela análise de transiente se calcula as tensões induzidas em função da velocidade de rotação e as correntes em função de uma carga para fins de cálculo do rendimento. A carga foi selecionada devido à aplicação principal do aerogerador que é a injeção de potência na rede através de um inversor. Assim, a carga foi modelada com um resistor em paralelo com um capacitor ligada ao gerador elétrico através de uma ponte retificadora não controlada trifásica. O inversor opera com alimentação na faixa de 30 a 540 V em tensão contínua, com capacidade para até 9 A limitado pela potência de 2000 W. Além do método de elementos finitos, foi desenvolvida uma modelagem matemática da distribuição de densidade de fluxo magnético proveniente dos ímãs e da tensão induzida nos condutores. Esta modelagem permite o estudo preciso do gerador, especialmente quanto à geometria dos ímãs e o número de polos. O resultado do projeto é um gerador síncrono trifásico com 100 polos montados na superfície do rotor fixado às pontas das pás, com 150 bobinas planas na armadura, construídas com fio de cobre AWG 15. Com a construção do protótipo, será apresentada a análise experimental de um aerogerador de 1 kW, com velocidade nominal de 445 rpm, de alto rendimento. Os resultados apontam as vantagens da utilização de uma máquina com grande diâmetro, com elevado número de polos e sem núcleo ferromagnético para obter um alto rendimento a partir de uma pequena turbina. O aerogerador se destaca por suas menores perdas e apresenta um rendimento de 94% considerando somente as perdas Joule nos enrolamentos do estator, visto que, na ausência de núcleo ferromagnético, as perdas magnéticas são eliminadas e as perdas mecânicas por atrito devem ser avaliadas de acordo com o projeto estrutural e aerodinâmico da turbina.

This thesis presents the study, design, analysis, construction and testing of a permanent magnet synchronous generator without ferromagnetic core and how its operation can be evaluated. Through a survey of wind potential, the prerequisites of a generator focused on wind microgeneration in urban area are defined. The advantages and disadvantages of different types of machines will be discussed and it will be demonstrated how technology developed for large machines can be used in small ones. A methodology will be described for sizing the radial flux synchronous generator with rotor surface mounted magnets, with finite element analysis and mathematical modeling. The generator without ferromagnetic core is dimensioned according to the theory used for the design of conventional machines, with two main restrictions: the rotor diameter and the low magnetic flux density in the windings. Rotor diameter is limited due to the proposed topology that attaches the rotor to the turbine blades coupled to a diffuser and employs a large number of poles for the electric generator. To increase the magnetic induction in the conductors, the strategy adopted is to bring them closer to the excitation magnets, using a flat shape of single layer coils properly positioned through short depth slots. The finite element method is used for two types of analysis: magnetostatic and transient. The magnetostatic analysis of the fields generated by the excitation magnets and the nominal current fed coil calculates the magnetic flux density distribution in the machine. Transient analysis calculates the induced voltage as a function of rotational speed and the currents as a function of load for the purpose of calculating the efficiency. The load was selected due to the main application of the wind turbine which is the injection of power into the grid through an inverter. Thus, the load was modeled with a resistor in parallel with a capacitor connected to the electric generator through a three-phase uncontrolled rectifier bridge. The inverter operates on a 30 to 540 V range DC supply with a capacity of up to 9 A limited by 2000 W power. In addition to the finite element method, a mathematical modeling of the magnetic flux density distribution from the magnets and the induced voltage on the conductors was developed. This modeling allows the precise study of the generator, especially regarding the geometry of the magnets and the number of poles. The result of the project is a 100-pole three-phase synchronous generator mounted on the blade tip rotor surface, with 150 flat coils in the armature, constructed with AWG 15 copper wire. The prototype construction will present the experimental analysis of a high efficiency 1 kW wind turbine with a rated speed of 445 rpm. The results point out the advantages of using a large diameter machine with a high number of poles and no ferromagnetic core to obtain a high efficiency with a small turbine. The wind turbine stands out for its lower losses and can yield 94% efficiency considering only the Joule losses in the stator windings, since in the absence of ferromagnetic core magnetic losses are eliminated and mechanical friction losses must be assessed according to the structural and aerodynamic design of the turbine.