Como os geradores síncronos de ímã permanente são usados em turbinas eólicas
A tecnologia síncrona de ímã permanente é amplamente utilizada em máquinas elétricas modernas, desde motores industriais até geradores de energia eólica.
Numa turbina eólica, contudo, a máquina de íman permanente normalmente funciona como um gerador e não como um motor. Por esta razão, o termo Gerador Síncrono de Imã Permanente (PMSG) é mais preciso do que PMSM quando se discute a principal unidade de geração de energia dentro de uma turbina eólica.
Os princípios eletromagnéticos estão intimamente relacionados, mas a direção da conversão de energia é diferente.
Um PMSM converte energia elétrica em rotação mecânica. Um PMSG faz o oposto: o trem de força giratório da turbina eólica fornece energia mecânica ao gerador, que a converte em energia elétrica.
A compreensão desta distinção torna muito mais fácil ver onde a tecnologia de ímanes permanentes se enquadra nos modernos sistemas de energia eólica.
Onde fica o gerador de ímã permanente em uma turbina eólica?
O vento gira as pás e o rotor da turbina.
Essa rotação mecânica deve então ser convertida em eletricidade pelo gerador.
Existem dois arranjos amplos de transmissão.
Turbinas Eólicas Engrenadas
Em um sistema de transmissão com engrenagens, o rotor da turbina gira de forma relativamente lenta.
Uma caixa de engrenagens aumenta a velocidade de rotação antes que a energia mecânica chegue ao gerador.
Isso permite que o gerador opere a uma velocidade de rotação mais alta que o rotor da turbina.
A finalidade da caixa de engrenagens é, portanto, atender aos requisitos de velocidade mecânica do rotor e do gerador. Não deve ser simplesmente descrito como “correspondência à frequência da rede”, porque as turbinas modernas de velocidade variável normalmente utilizam electrónica de potência entre o gerador e a rede.
Turbinas Eólicas de Acionamento Direto
Um sistema de acionamento direto remove a caixa de câmbio principal.
O gerador está conectado muito mais diretamente ao rotor da turbina e, portanto, tem que operar a uma velocidade muito mais baixa enquanto produz alto torque.
Isto altera significativamente o design do gerador.
Os geradores de ímã permanente de acionamento direto geralmente têm diâmetro maior e usam vários pólos magnéticos para que a saída elétrica útil possa ser produzida em baixa velocidade de rotação.
Por que usar ímãs permanentes?
Um gerador síncrono de ímã permanente cria seu campo magnético de rotor com ímãs permanentes em vez de um enrolamento de excitação do rotor.
Isto oferece várias características úteis para aplicações de energia eólica.
Sem corrente de excitação do rotor
Como o campo magnético é produzido por ímãs permanentes, o rotor não necessita de um sistema de excitação elétrica separado.
Isto pode reduzir as perdas elétricas do rotor e simplificar parte da estrutura do gerador.
Adequado para projetos de baixa velocidade e alto torque
Máquinas de ímã permanente podem ser projetadas com muitos pólos e alta densidade de torque.
Isto é particularmente relevante para sistemas eólicos de acionamento direto, onde a velocidade do gerador é baixa e o torque mecânico é alto.
Compatível com operação de velocidade variável
A velocidade do vento muda continuamente.
Operar a turbina em velocidade variável pode permitir que o rotor permaneça mais próximo de sua condição operacional aerodinâmica preferida em uma ampla gama de condições de vento.
Geradores de ímã permanente são comumente usados com conversores eletrônicos de potência total, permitindo que a frequência do gerador varie independentemente da frequência da rede.
Isso torna possível a operação em velocidade variável sem exigir que o rotor mecânico funcione em uma velocidade síncrona fixa ligada diretamente à rede.
Qual é a função do conversor de energia?
O gerador é apenas uma parte do sistema elétrico da turbina eólica.
Em muitas turbinas eólicas de ímã permanente, a energia elétrica do gerador passa por um conversor CA/CC/CA de grande escala antes de chegar à rede.
Este conversor executa várias funções importantes.
Ele permite que o gerador opere em velocidade variável, converte a saída do gerador de frequência variável em energia elétrica compatível com a rede e fornece controle sobre a potência ativa e reativa nos terminais da turbina.
Esta distinção é importante porque a capacidade de suporte da rede não deve ser atribuída aos próprios ímanes permanentes.
O gerador produz energia elétrica, enquanto o conversor e o sistema de controle da turbina gerenciam como essa energia é entregue à rede.
Direct Drive não significa "sempre melhor"
A remoção da caixa de câmbio pode reduzir o número de componentes do sistema de transmissão e eliminar um subsistema mecânico importante.
Isso pode ser atraente onde o acesso para manutenção é difícil.
No entanto, os geradores de acionamento direto também trazem os seus próprios desafios de engenharia.
Um gerador de baixa velocidade geralmente precisa de uma estrutura eletromagnética maior para produzir o torque necessário. Os sistemas de acionamento direto de ímã permanente também podem usar quantidades significativas de material magnético de terras raras.
É por isso que as arquiteturas de turbinas eólicas com engrenagens e com acionamento direto continuam a existir.
A escolha apropriada depende da classificação da turbina, da velocidade do rotor, do projeto do gerador, do peso, da estratégia de manutenção, do custo do material e da economia geral do sistema.
Onde a tecnologia de ímã permanente Axial-Flux se encaixa
A maioria das pessoas associa grandes geradores eólicos a máquinas de fluxo radial, mas a tecnologia de ímã permanente de fluxo axial também é relevante para projetos de geradores compactos e especializados.
Em uma máquina de fluxo axial, o fluxo magnético viaja principalmente ao longo do eixo do motor ou gerador, em vez de radialmente através de uma estrutura cilíndrica convencional.
A arquitetura pode oferecer alta densidade de torque e comprimento axial relativamente curto.
Para geradores de acionamento direto menores ou aplicações onde o empacotamento e a densidade de torque são importantes, vale a pena considerar a tecnologia de fluxo axial.
A Jiangnan Electric atualmente desenvolve máquinas de fluxo axial de ímã permanente, além de produtos PMSM convencionais. A linha de fluxo axial publicada pela empresa cobre diversas configurações de tensão, velocidade, resfriamento e montagem.
A mesma plataforma eletromagnética pode ser relevante para o desenvolvimento de motores e geradores, mas um produto motorizado não deve ser automaticamente apresentado como um gerador eólico sem validação eletromagnética, térmica e mecânica específica da aplicação.
Aplicações de energia eólica elétrica e de ímã permanente em Jiangnan
atualmente fabrica várias famílias de motores síncronos de ímã permanente, incluindo PMSMs convencionais, projetos de baixa velocidade e alto torque e máquinas de ímã permanente de fluxo axial.
Algumas das plataformas de produtos existentes demonstram características que também são importantes no desenvolvimento de geradores de energia eólica.
Por exemplo, a plataforma JNPM520-45 da Jiangnan tem potência nominal de 45 kW e 245 rpm com torque nominal de 1.754 N·m. Embora desenvolvido para uma aplicação industrial de acionamento direto, em vez de ser apresentado aqui como um gerador de turbina eólica, a combinação de baixa velocidade e alto torque ilustra o tipo de desafio de projeto eletromagnético também encontrado em sistemas de geração de acionamento direto.
O portfólio de fluxo axial da Jiangnan também inclui máquinas de ímã permanente projetadas em torno de estruturas axiais compactas e operação com velocidade variável.
O site atual da empresa lista adicionalmente produtos de ímã permanente para aplicações de energia eólica de baixa velocidade e de pequena e média escala.
Para um projeto real de energia eólica, entretanto, o processo de seleção deve começar com os requisitos do gerador, em vez de escolher um motor existente apenas pela potência nominal.
Que informações são necessárias para um projeto de gerador de energia eólica?
Antes de avaliar um gerador de ímã permanente, diversas condições operacionais precisam ser definidas.
Informações importantes incluem:
- saída elétrica nominal;
- velocidade nominal e máxima do rotor;
- torque contínuo e de pico;
- tensão de saída necessária;
- faixa de frequência do gerador;
- método de resfriamento;
- arranjo de montagem;
- eixo ou interface de acionamento direto;
- condições ambientais esperadas;
- nível de proteção;
- topologia do conversor;
- serviço operacional contínuo.
Para um projeto de acionamento direto, a velocidade e o torque do rotor são especialmente importantes porque o gerador deve lidar com a carga da turbina sem depender de uma caixa de engrenagens de alta relação.
Para sistemas de energia eólica de pequeno e médio porte, a embalagem, o peso do gerador, o custo do conversor e os requisitos de manutenção também podem afetar fortemente o projeto final.
PMSM ou PMSG: a terminologia é importante
Os motores síncronos de ímã permanente e os geradores síncronos de ímã permanente são baseados em princípios eletromagnéticos intimamente relacionados.
Mas as suas funções operacionais são diferentes.
Um PMSM normalmente converte energia elétrica em saída mecânica.
Um PMSG converte a entrada mecânica em energia elétrica.
Nas turbinas eólicas, a principal máquina de conversão de energia é, portanto, descrita com mais precisão como um PMSG.
Para os clientes que desenvolvem equipamentos de energia eólica, a questão importante não é simplesmente se um PMSM existente pode ser instalado numa turbina.
A abordagem correta é definir primeiro a velocidade, o torque, a tensão, as condições térmicas, a interface mecânica e o sistema conversor necessários do gerador e, em seguida, projetar ou selecionar a máquina de ímã permanente de acordo com esses requisitos.
Isenção de responsabilidade
As informações neste artigo são fornecidas apenas para referência geral. As especificações do produto, o desempenho, as opções de configuração e a adequação devem ser avaliadas detalhadamente para a aplicação pretendida e as condições operacionais reais. Antes de selecionar, comprar ou usar um produto, confirme os detalhes relevantes com a Jiangnan Electric e consulte a documentação técnica aplicável e as especificações acordadas. Este artigo não substitui instruções específicas do produto ou uma avaliação profissional de engenharia.
