Diseño, caracterización y control de una máquina de reluctancia conmutada trabajando en autoexcitación y generando a velocidad variable
- Autores: Sylvia Méndez
- Directores de la Tesis: Abelardo Martínez Iturbe (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Guasch Pesquer (presid.), Jesús Acero Acero (secret.), Francesc Guinjoan (voc.), J. Maixé Altés (voc.), Pedro Andrada Gascón (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La generación mediante energía eólica se ha incrementado en los últimos años, y con ello, el desarrollo de nuevas tecnologías orientadas a la reducción de costos y aumento de la eficiencia.
Esta tesis doctoral se centra en proporcionar un avance tecnológico que permita la reducción de costes de la máquina rotativa utilizada en el sector de la generación mini eólica, trabajando a velocidad variable, así como su control electrónico. Por esta razón, se propone el uso de una máquina de reluctancia conmutada (SRM) como generador AC autoexcitado, adaptado a las condiciones de trabajo de una turbina mini eólica, que sustituya la máquina de imanes permanentes (estandarizada en el mercado) de coste elevado debido a la presencia de imanes.
En la SRM, la generación AC se consigue al conectar un condensador en paralelo con cada fase formando un circuito resonante, donde cada fase se autoexcita gracias al magnetismo residual del circuito magnético, en el instante que la frecuencia mecánica con la que un diente del rotor coincide con un diente del estator, es cercana a la frecuencia del circuito resonante.
Los pocos precedentes bibliográficos ha supuesto un esfuerzo añadido, pero a su vez, un amplio campo en que desarrollar la investigación. Como resultados de este trabajo, se presenta la metodología de diseño del generador de reluctancia conmutada, monofásico de 6 polos, basado tanto en la potencia de salida como en las dimensiones de una mini turbina eólica de 1kW. Dentro de las condiciones de diseño también se encuentra la operación a velocidad variable y sin caja reductora. Para cumplir estas dos condiciones se dispone de dos mecanismos: aumentar el número de polos ó, como se propone en este trabajo, variar la frecuencia de resonancia con el condensador en paralelo, permitiendo un diseño con menor diámetro y compensando con mayor longitud axial, el volumen necesario para conseguir el par, sin necesidad de aumentar el número de polos del generador.
A continuación se presenta la caracterización magnética del diseño utilizando el análisis de elementos finitos (FEA), así como la validación de los datos obtenidos mediante este procedimiento. Con esta información, se desarrolla un simulador en Matlab-Simulink que permite predecir el funcionamiento de la máquina construida bajo diferentes condiciones de trabajo. Además, se presenta el desarrollo de una bancada de ensayos donde se emula el uso del generador dentro de una turbina eólica.
Posteriormente, se presenta la caracterización dinámica del generador autoexcitado usando la técnica de la función descriptiva para el análisis del ciclo límite que se produce cuando el generador trabaja en autoexcitamiento. Se describen las propiedades del ciclo, en las que se basan las técnicas de control propuestas.
Seguidamente, se desarrollan las técnicas de control para el funcionamiento óptimo del sistema. Dentro de estas, se encuentran el algoritmo de ajuste óptimo de las condiciones de generación a la disponibilidad energética del viento, el desarrollo de la electrónica de potencia y de control que permiten su implementación. Asimismo, se presentan los circuitos de extracción de la energía, que optimicen la potencia generada y minimicen el ruido que provoca el rizado del par, propio de este tipo de máquinas. Se muestran los resultados de la aplicación de estas técnicas de control tanto en la plataforma de simulación como en la plataforma de ensayos experimentales. Como consecuencia, las técnicas de control propuestas en esta tesis, proporcionan un sistema de generación minieólica autónomo que puede ser empleado en sitios aislados donde el acceso a fuentes energéticas tradicionales sea reducido.
Finalmente, se presentan las conclusiones de este trabajo y las futuras líneas de investigación.
