Estudo e desenvolvimento de gerador eólico síncrono de ímãs permanentes com estator modular

Abstract

As metas de redução da dependência de recursos fósseis e a crescente demanda por energia têm impulsionado investimentos na aplicação de fontes alternativas de energia. Inserido nesse contexto, este trabalho apresenta uma proposta que consiste no projeto, análise e construção de um gerador síncrono de ímãs permanentes com estator modular, conectado à rede por meio de um conversor CA/CC/CA. Essa proposta tem como principal diferencial o fato de o gerador elétrico ser construído nas extremidades das pás da turbina eólica, que por sua vez está inserida em um concentrador eólico que aumenta a velocidade do vento na turbina e, consequentemente, a potência convertida. Desse modo, a principal contribuição científica desse trabalho é o estudo e a análise, por meio da implementação de um modelo analítico, das possibilidades de modularização do estator para essa configuração de gerador e o projeto deste último. A modularização do estator tem como objetivo reduzir a complexidade da construção e da montagem, pois nessas circunstâncias o diâmetro do gerador aumenta a dificuldade da execução do projeto. O projeto é desenvolvido com base nas informações do potencial eólico, na curva de conjugado em função da rotação da turbina eólica, e conduzido de forma a avaliar o comportamento da variação dos parâmetros que compõem o projeto do gerador. O projeto da estrutura mecânica e aerodinâmica da turbina e do concentrador eólico não faz parte do desenvolvimento deste trabalho, de modo que são utilizadas apenas as informações relativas às dimensões para o encaixe do gerador síncrono e à curva de conjugado em função da velocidade de rotação da turbina eólica. São apresentadas três propostas para os módulos do estator juntamente com os procedimentos adotados para o seu dimensionamento preliminar. Essas propostas são avaliadas com relação ao volume de ferro e de cobre e à estimativa de perdas em ambos. A modelagem analítica que utiliza o método de subdomínio é implementada e a partir das formas de onda das componentes radial e tangencial e da densidade de campo magnético são calculadas as indutâncias, a tensão induzida, a reação da armadura e o conjugado eletromagnético. Os módulos propostos são simulados pelo método de elementos finitos, e os resultados obtidos são comparados com aqueles encontrados na modelagem analítica. A partir do dimensionamento preliminar e com base na validação dos resultados obtidos pelos métodos analítico e de elementos finitos, é desenvolvido o projeto mecânico do protótipo e da estrutura de sustentação para testes em laboratório. Os métodos de fabricação das peças e as etapas de montagem do protótipo e da estrutura de sustentação são apresentados. Os testes experimentais são conduzidos de forma a validar os resultados obtidos pelos métodos analítico e de elementos finitos. Os resultados experimentais mostram que existem diferenças com relação aos modelos desenvolvidos na fase de projeto e a fonte dessas diferenças são discutidas ao longo da análise dos resultados. Apesar das diferenças encontradas na fase experimental, são realizadas adequações com relação à operação do protótipo que fazem o mesmo atingir os objetivos estabelecidos previamente de conjugado e de potência.

The targets for reducing dependence on fossil resources and increasing demand for energy have driven investments in the application of alternative energy sources. In this context, this work presents a proposal that consists of the design, analysis and construction of a direct-drive synchronous generator with permanent magnets and a modular stator, connected to the grid by means of an AC/DC/AC converter. This proposal has as main differential the fact that the electric generator is assembled on the tips of the blades of the wind turbine, which is inserted in a diffuser that increases the speed of the wind in the turbine and, consequently, the converted power. Thus, the main scientific contribution of this work is the study and analysis, through the implementation of an analytical model, of the modularization possibilities of the stator for this generator configuration and the design of the latter. The modularization of the stator aims to reduce the complexity of the construction and assembly, because in these circumstances the generator diameter increases the difficulty of the project execution. The design of the generator is developed based on wind potential information, the torque versus speed curve of the wind turbine, and conducted in order to evaluate the behavior of the variation of the parameters that make up the generator project. The design of the mechanical and aerodynamic structure of the turbine and the wind concentrator is not part of the development of this work, thus only the information regarding the dimensions to fit the synchronous generator in and the torque curve depending on the speed of rotation of the turbine are used. Three proposals are presented for the stator modules along with the procedures adopted for their preliminary design. These proposals are evaluated in relation to the volume of iron and copper and the estimation of losses in both. The analytical modeling that uses the subdomain method is implemented and from the waveforms of the radial and tangential components of the magnetic field density the inductances, the induced voltage, the armature reaction and the electromagnetic conjugate are calculated. The proposed modules are simulated by the finite element method, and the results obtained are compared with those found in the analytical modeling. From the preliminary dimensioning and based on the validation of the results obtained by the analytical and finite element methods, the mechanical design of the prototype and the support structure for laboratory tests is developed. The manufacturing methods of the parts and the assembly steps of the prototype and the support structure are presented. The experimental tests are conducted in order to validate the results obtained by the analytical and finite element methods. The experimental results show that there are differences with respect to the models developed in the design phase and the source of these differences are discussed throughout the analysis of the results. Despite the differences found in the experimental phase, adjustments are made in relation to the operation of the prototype that make it reach the previously established goals of conjugate and power.