Diseño del generador y el convertidor de una turbina eólica marina

Abstract

En este Trabajo Fin de Máster se presenta el diseño de un generador síncrono de imanes permanentes (PMSG) para turbinas eólicas marinas de 5.5 MW de potencia nominal. Antes de comenzar el diseño, se presentan y describen los diferentes elementos que componen un PMSG, donde destacan tres partes principales de las que se desprenden el resto de los componentes: el estator, el rotor y el entrehierro. Además, se determinan los materiales empleados en cada una de estas partes. A continuación, se comienza el diseño siguiendo un proceso iterativo compuesto de diferentes etapas, donde se determinan los principales parámetros geométricos de la máquina eléctrica teniendo en cuenta como criterios fundamentales para el cálculo, minimizar la cantidad de material empleada y optimizar su funcionamiento. Una vez obtenido el diseño y las dimensiones del generador, se desarrollan las ecuaciones que rigen su funcionamiento con el fin de determinar la potencia, tensión y corriente de la máquina diseñada. Se calcula también la eficiencia del generador teniendo en cuenta los diferentes tipos de pérdidas que presenta (magnéticas, eléctricas y mecánicas). Para confirmar que el diseño es correcto, se comprueba que el generador diseñado no se desmagnetiza en el caso de que ocurra un cortocircuito. Finalmente, se realiza un estudio de viabilidad económica de un generador instalado en una turbina eólica marina con una vida útil de 20 años.

This Master's Thesis presents the design of a 5.5 MW permanent magnet synchronous generator (PMSG) for offshore wind turbines. Before beginning the design process, the various components of a PMSG are introduced and described, highlighting three main parts from which the rest of the components derive: the stator, the rotor, and the air gap. The materials used in each of these parts are also defined and selected based on the different models manufactured by the most important companies in the market. The design process follows an iterative approach consisting of several stages, where the main geometric parameters of the electrical machine are determined. The key design criteria are to minimize the amount of material used and to optimize performance. Once the generator's design and dimensions are established, the governing equations are developed to determine the power, voltage, and current of the designed machine. The generator's efficiency is also calculated, taking into account the different types of losses (magnetic, electrical, and mechanical). To ensure the design is robust, it is verified that the generator does not demagnetize in the event of a short circuit. Finally, an economic feasibility study is conducted for a generator installed in an offshore wind turbine with a 20-year service life.