Energia Eolica – Parte ottava
Generatori elettrici per l’energia eolica
Corso di ENERGETICA
A.A. 2015/2016
Docente: Prof. Renato Ricci
Introduzione al generatore
La quasi totalità della potenza elettrica di cui hanno bisogno le attività umane viene prodotta accoppiando
un motore primo con un generatore elettrico che converte l’energia meccanica in energia elettrica. Infatti
sono pochi i metodi di produzione dell’energia elettrica senza passare per l’energia meccanica, come le
tecnologie fotovoltaica ed elettrochimica (fuel cell).
I principali tipi di motori primi sono:
•Turbine a vapore
•Turbine a gas
•Turbine idrauliche
•Turbine eoliche
•Motori a combustione interna
In questo elenco le turbine eoliche spiccano per
le condizioni di carico fortemente non stazionarie
e imprevedibili cui esse sono sottoposte. Le fluttuazioni di coppia motrice aerodinamica dovute ad effetti
periodici (flusso disturbato attorno alla torre, asimmetrie del flusso per errore di imbardata etc.) o ad effetti
aperiodici (variazioni di velocità del vento, raffiche etc.) richiedono prestazioni notevoli ai componenti. Per il
comportamento degli impianti eolici di potenza occorre dare particolare rilievo al generatore come sorgente
di coppia resistente. Esso sta alla base della scelta della velocità di rotazione della turbina, e quindi
delle condizioni di efficienza aerodinamica del rotore (legate al rapporto di velocità λ=ωR/U di esercizio).
Per la loro robustezza i generatori usati negli impianti eolici sono quasi unicamente i sincroni e gli
asincroni trifase.
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Introduzione al generatore
Le macchine elettriche sono normalmente suddivise in 3 gruppi:
•Macchine dc
•Macchine ac asincrone
•Macchine ac sincrone
Le dc non vengono più usate per scopi di generazione elettrica perché:
•Richiedono elevata manutenzione
•Hanno bassa potenza per unità di massa
•Non sono adatte per gli avvolgimenti ad alta tensione
Nell'eolico sono usati sia i generatori sincroni sia gli asincroni, compresi i
generatori a induzione (macchine asincrone a sola alimentazione
statorica). Perlopiù si tratta di generatori trifase.
La macchina ac standard:
•Ha uno statore esterno che porta l'avvolgimento principale
•Il rotore è interno allo statore, con uno strato d'aria - il traferro - atto a
permettere la rotazione
•Il campo magnetico che attraversa il traferro in direzione radiale crea
un'interazione tra rotore e statore
Ci sono anche altri tipi di generatori:
•Generatori a cassa rotante (rotore esterno)
•Macchine assiali
La reversibilità delle macchine elettriche può essere usata per l'avvio
delle HAWT in modalità motore. Inoltre in alcune condizioni i generatori
sono usati come freni elettromagnetici
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Requisiti per le HAWT:
•Buona elasticità di
funzionamento (basso dM/dω)
•Bassa coppia di avvio:
cogging torque
•Elevata efficienza in diverse
condizioni di velocità
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Il generatore sincrono
Queste macchine hanno uno statore dotato di avvolgimenti
trifase. Il rotore, detto induttore, fornisce il flusso magnetico, per
mezzo di avvolgimenti di eccitazione o di magneti
permanenti. La corrente DC di eccitazione è tipicamente
trasmessa al rotore tramite contatti striscianti e spazzole. Esistono
casi in cui la corrente di eccitazione viene fornita mediante un
eccitatore polifase accoppiato e relativo raddrizzatore rotante.
Questa soluzione è comune però solo nei turbo-alternatori nelle
centrali elettriche.
Il voltaggio dipende dal tipo di generatore, dalla velocità del
rotore, dalle caratteristiche di eccitazione e di carico.
Nella configurazione in isola il voltaggio può essere regolato
agendo sulla corrente di eccitazione.
La pulsazione delle tensioni generate è data dalla velocità
angolare meccanica del rotore per il numero di coppie polari
2 f pm
Se il generatore è collegato direttamente alla rete sia tensione sia
frequenza sono dettati dalla rete.
L’avvio nelle HAWT viene fatto normalmente grazie al vento,
spesso agevolandolo regolando il pitch. Sono rari i sincroni usati
in modalità motore (presenza di sistema ausiliario a induzione).
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statore
Eccitazione
mediante
corrente DC
Generatore a
magneti
permanenti
(PMSG)
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Il generatore sincrono
Schema con avvolgimenti rotanti (monofase)
L’alternatore, o generatore sincrono, è una macchina elettrica a
e induttore a statore
corrente alternata avente una velocità di rotazione rigidamente
legata alla frequenza del circuito a cui è connesso. Questa è la
velocità di sincronismo. Il principio di funzionamento è lo stesso
della dinamo: un moto di rotazione relativa di un campo magnetico
induttore e un sistema di conduttori di indotto opportunamente
collegati tra loro. Rispetto alle dinamo non c’è un commutatore, ma
solo 2 contatti striscianti per trasferire la corrente DC di eccitazione
al rotore. Infatti conviene porre l’induttore sul rotore in quanto le
correnti da trasferire mediante contatti striscianti sono quelle di
eccitazione, assai minori di quelle erogate dall’indotto.
.
Si possono avere rotori a poli salienti (nella
figura di sinistra è mostrato un 4 poli) oppure
rotori a poli lisci (nella figura di destra è
mostrato un 2 poli). Il rotore a poli lisci ha un
ingombro radiale più contenuto, quindi miglior
comportamento all’azione centrifuga. Il rotore
a poli lisci viene adottato per gli alternatori
accoppiati alle turbine a vapore od a gas,
caratterizzati da elevate velocità di rotazione
(1500 o 3000 rpm). Le turbine eoliche invece
adottano in genere poli salienti.
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Il generatore sincrono
Modello di Behn Eschemburg (1 fase)
Si assume un collegamento trifase a
stella (Y). Sia P la potenza attiva trifase
P 3VY I cos
(VY e I sono in valori efficaci)
X s I cos 0 sin
NK f
P
XI = reattanza di reazione
XD = reattanza di dispersione
XS = XI+ XD reattanza sincrona
R0 = resistenza (qui sarà trascurata)
Si possono valutare gli effetti della reazione di indotto
attribuendo a ciascuna fase dell’avvolgimento una
induttanza fittizia in cui si generi una f.e.m. pari a
quella che in realtà è dovuta alla rotazione del campo
di indotto. In più ci sarà una induttanza di dispersione
(flussi magnetici che si chiudono in aria) e la resistenza
elettrica di avvolgimento R0
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C
P
m
p
3VY E0
sin
Xs
3VY E0
sin
Xs
In δ=90° c’è la
max coppia e il
limite di stabilità
δ è l’angolo di carico, lo sfasamento tra f.e.m E0
legata al solo campo induttore e f.e.m. complessiva
VY in una fase. Applicare una coppia motrice C ad
un alternatore collegato ad una rete AC di
frequenza costante anticipa (nel senso del moto) la
fase del rotore di un angolo δ/p, ma non ne altera
la rotazione sincrona se non nel transitorio.
L’angolo di carico viene mantenuto molto inferiore
a 90° (tipicamente < 25°) per non rischiare
instabilità e quindi perdita di sincronismo
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Il generatore sincrono
Disaccoppiamento dalla frequenza di rete: motivazioni
•La coppia e la potenza erogata dipendono dall’angolo di
sfasamento del rotore
•La coppia può essere variata anche variando la corrente di
eccitazione nei generatori predisposti
•I generatori sincroni direttamente connessi alla rete formano un
sistema rigido che propaga gli sbalzi di coppia come fluttuazioni di
potenza elettrica
•Le sorgenti di coppia periodica di una HAWT contribuiscono alle
fluttuazioni
Pertanto i generatori sincroni adottano quasi in tutti i casi dei
convertitori di frequenza con circuito DC intermedio: accoppiamento
elastico alla rete.
I convertitori moderni sono dispositivi di elettronica di potenza.
Consistono in sistemi di controllo elettronico che azionano
interruttori elettronici quali tiristori (SCR e GTO) e transistori di
potenza
Esempio di raddrizzatore controllato
mediante ponte di tiristori (SCR)
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Il generatore asincrono
Macchine asincrone
Sono molto diffuse anche nelle HAWT per via della loro robustezza
economicità e semplicità di collegamento alla rete. In alcuni casi vengono
usati come motore per l’avvio, specie se in assenza di pitch variabile
Tipologie di rotori:
- Rotore a gabbia di
scoiattolo (in corto circuito)
- Rotore avvolto con contatti
striscianti (avvolgimenti di
rotore simili a quelli di
statore)
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Il generatore asincrono
Lo statore alimentato dalla rete trifase è simile agli statori degli alternatori. La
corrente trifase che vi scorre produce un campo magnetico rotante che induce
f.e.m. negli avvolgimenti cortocircuitati di rotore (macchina a induzione). La
frequenza di questo voltaggio dipende dalla velocità del rotore. Se il rotore è
fermo questa frequenza è uguale alla frequenza di rete (sincrona): il sistema
lavora come un trasformatore con una uscita in corto circuito. Grazie alla
corrente di rotore e al campo nel traferro si sviluppano forze tangenziali sui
conduttori del rotore. Alla velocità di sincronismo il rotore “vede” un campo B
statico, perciò la corrente di rotore si annulla e con essa la coppia.
Se si applica una coppia motrice (accelerante) il rotore supera la velocità di
sincronismo. Per s<0 la macchina si comporta da generatore.
n = rpm
r pm s
s m
s
s
Lo scorrimento s normalmente è molto contenuto
(<5%). Nonostante si operi a velocità pressoché
costante l’elasticità della curva permette, in
alcune turbine eoliche di piccola taglia, di
accoppiare direttamente il generatore alla
rete (ciò che non avviene per i generatori
sincroni).
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Il generatore asincrono
Circuito equivalente di una macchina a
induzione: c’è una resistenza variabile con lo
scorrimento R’2/s. Essa diventa negativa nei
generatori
M
2
s sp
Mp
sp s
kpV 2 1
Mp
2 L1
sp
R2 '
L1
Caratteristica meccanica: coppia M al variare dello scorrimento s
iμ è la corrente di
magnetizzazione del
circuito magnetico che
dev’essere fornita dalla
rete, consumando
potenza reattiva
nell’induttanza L1h
Lh 2
1
L1L2
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Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile
Controllo dello scorrimento
La resistenza degli avvolgimenti di rotore R’2
determina il valore della velocità di massima coppia
e la pendenza della curva di coppia in
corrispondenza della velocità di sincronismo:
l’elasticità di funzionamento durante il carico. A
parità di coppia è possibile raggiungere l’equilibrio
in diverse velocità di rotazione.
Per esempio il sistema Optislip di Vestas adotta
questa soluzione.
sp
R2 '
L1
kpV 2 1
Mp
2 L1
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Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile
Numero di poli variabile
Per poter lavorare a 2 velocità di sincronismo con
uno stesso generatore, si possono usare le
macchine a numero di coppie polari p variabili
Esempio di avvolgimenti di statore con numero
di poli variabili da 8 a 4
In questi casi si usa il rotore a gabbia di
scoiattolo
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Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile
Controllo di velocità con un
convertitore allo statore
La velocità di una macchina a
induzione può essere variata se la
rotazione della macchina può essere
impostata indipendentemente dalla
frequenza di rete. Questo si fa
usando convertitori di frequenza: un
raddrizzatore- invertitore (inverter)
AC-DC-AC permette di regolare
frequenze e tensioni disaccoppiando
la macchina dalla pulsazione di rete.
Il convertitore lato generatore deve
anche fornire potenza reattiva al
generatore.
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V
Controllo di tensione
Per mantenere la coppia max
const si modula la tensione
entro i limiti di progetto
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Il generatore asincrono: tecniche per la velocità variabile
Convertitore bidirezionale: in regime supersincrono il rotore eroga potenza in rete, in
regime sub-sincrono il rotore assorbe dalla
rete. PWM bidirezionali: sia raddrizzatori sia
inverter.
Controllo di velocità con un convertitore al rotore: il
concetto DFIG (Double Feed Induction Generator)
Questi sistemi operano in un range di velocità di circa ±30% (fino a
±50%) rispetto alla velocità di sincronismo. Il loro vantaggio è che
l’elettronica di potenza deve convertire solo un 20-30% della potenza
totale. Lo statore alimenta la rete in ogni caso, mentre il rotore può
anche assorbire potenza dalla rete: si può controllare la potenza
reattiva grazie alla capacità dei convertitori PWM di controllare la fase
di tensione e corrente.
Circuito equivalente
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Generatori di turbine eoliche
Configurazioni tipiche di turbine eoliche
A) Generatore a induzione a gabbia di scoiattolo direttamente
connesso alla rete (il collegamento diretto non si presta ai
sincroni, per la loro eccessiva rigidezza di accoppiamento alla
rete). C’è il moltiplicatore di giri.
B) Generatore a induzione a rotore avvolto a scorrimento
variabile: si controlla la resistenza di rotore (es. sistema Optislip).
C’è il moltiplicatore di giri.
C) Generatore a induzione a doppia alimentazione (DFIG). E’
con il moltiplicatore di giri.
D) Generatore (sincrono o asincrono) con statore alimentato
tramite convertitore di potenza, con o senza moltiplicatore di
giri. La soluzione direct drive è usata solo per i sincroni, più
adatti ai grandi diametri.
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Generatori di turbine eoliche
Generatore asincrono (a induzione):
•Generatore a gabbia di scoiattolo
•Generatore a rotore avvolto:
A scorrimento variabile
Doppia alimentazione (DFIG)
Generatore sincrono
•Generatore a rotore avvolto:
Brushless
Con contatti striscianti
•Generatore a magneti permanenti
Rendimento inferiore (-2/5%)
Robusto ed economico (come motore è il leader)
Funziona a induzione e necessita di potenza reattiva
dalla rete: per le scale più grandi è accompagnato da
batterie di condensatori variabili (manutenzione
aggiuntiva)
Permette l’accoppiamento diretto alla rete, senza
convertitori (oscillazioni torsionali ridotte)
E’ usato soprattutto in piccole turbine regolate a stallo
passivo
Possibile funzionamento come motore
Possibile variazione del numero di poli
La versione DFIG pur con lo svantaggio dei contatti
striscianti, ha caratteristiche interessanti: conversione
di potenza parziale e controllo di potenza reattiva
Per questioni costruttive non si presta alla modalità
direct drive
Rendimento elevato (le grandi macchine fino al 95%)
anche grazie alla capacità di produrre potenza reattiva
E’ più complicata meccanicamente e costosa
L’eccitazione magnetica può essere ottenuta anche con
magneti permanenti
Ha bisogno di un raddrizzatore-invertitore AC-DC-AC
con sistema di sincronizzazione, per la sua rigidezza di
accoppiamento diretto alla rete.
Per essere avviato deve affidarsi al rotore eolico (solo
in casi isolati funziona temporaneamente come motore a
induzione)
Si presta a un elevato numero di poli (traferri non
troppo ridotti)
La versione a magneti permanenti è più efficiente
(senza perdite di eccitazione) ma necessita di un
convertitore di potenza totale e i magneti sono costosi e
smagnetizzabili ad alte temperature
La brushless a rotore avvolto: niente attriti ma
peggiore dinamica di controllo (il controllo della corrente
di eccitazione è meno pronto)
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Generatori di turbine eoliche: soluzioni particolari
Direct drive
Non c'è il moltiplicatore di giri nel treno di
trasmissione. Ciò riduce i costi di manutenzione e
aumenta l'efficienza. Normalmente sono a velocità
variabile, poiché fanno uso di convertitori di
frequenza per disaccoppiarli dalla frequenza di rete.
Per una ragionevole utilizzazione della macchina la
loro frequenza nominale non dovrebbe essere troppo
inferiore a quella di rete. Perciò il generatore deve
avere un grande numero di poli. Questo conduce ad
un peso maggiore per unità di potenza. Infatti le
dimensioni delle macchine elettriche sono connesse
alla coppia trasmessa.
A causa di questioni costruttive solo i sincroni sono
usati come direct drive. Gli asincroni sono invece
sempre associati a cambi di velocità.
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Generatori anche a più di 80 poli
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Generatori di turbine eoliche: soluzioni particolari
Generatori ad asse verticale
Macchina sincrona
assiale a magneti
permanenti: elevata
coppia per unità di volume
Problemi di vibrazioni
torsionali
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Pag. 18
