Asincroni ed eolico

[Rudolph]

Di nuovo ciao a tutti.

Volevoporre qualche domanda riguardo ai motori asincroni usati come alternatore. Ci sono qui sul forum esperti in materia, credo possa essere una discussione utile, per quanto già affrontata in passato.

Su tutti i forum del minieolico faidate ne viene sconsigliato l'uso (degli asincroni). Eppure tutte le grandi turbine utilizzano la soluzione asincrono-moltiplicatore-passo variabile.

Presumo che sia il passo variabile a fare la differenza. Ora, poichè nella turbina che sto costruendo con un mio amico, noi vogliamo implementarlo, la soluzione asincrono torna prepotentemente alla ribalta, essendo di gran lunga quella col costo più basso, e soprattutto con meno problemi di marcatura CE e tutto l'annesso e connesso per il grid-connect.

Mi sono documentato su come eccitare l'asincrono con dei condensatori e come dimensionare gli stessi. Ho visto che ci sono 2 configurazioni usate, una chiamata C-C-C ed una chiamata C-2C. Nella prima i condensatori sono 3 uguali, uno per fase collegati a delta, nella seconda sono due, uno doppio dell'altro. Un mio amico ingegnere americano mi ha detto che la C-2C è più adatta, ma non i ha spiegato perchè. Qualcuno può farlo?


L'altro dubbio riguarda la necessità di togliere il carico prima di fermare l'alternatore e non metterlo prima che sia andato a regime. Il problema è facilmente risolvibile dal controller o dal plc che controllerà il passo pale, ma anche qui se qualcuno volesse mi piacerebbe sapere il perchè, e di preciso in che ordine si deve svolgere questa operazione.


Ultimo ma non per ultimo: che potenza in uscita è lecito aspettarsi da un motore trifase di potenza data, ed a che regime è preferibile "stabilizzarlo"? Che succede a regimi (troppo) superiori?

Grazie infinite.

[s_mach2]

Il grande problema dei generatori asincroni autoeccitati con condensatori sono le brusche variazioni di tensione, tanto che è necessario utilizzare condensatori in carta impregnata piuttosto che condensatori elettrolitici (esploderebbero alla minima variazione di tensione).
Ciò spiega perché è necessario togliere il carico prima di fermare l'alternatore e non metterlo prima che sia andato a regime. Questo problema è però risolvibile col sistema raddrizzatore-batterie-inverter, grazie al quale risolveresti anche il problema di variazione della frequenza al variare del n° di giri della turbina.
La connessione c2c consente di prelevare da una sola fase potenza reattiva. E' consigliata per potenze intorno al Kw e garantisce un'alta efficienza.

N.b. Le grandi turbine (vapore, turbogas) usano generatori SINCRONI, così come le grandi turbine eoliche.

A presto. ">

[Rudolph]

Grazie Mach. Credo di aver afferrato.

[Rudolph]

Però scusa, a questo punto allora non vedo ostacoli insormontabili...

Avendo come obiettivo il grid connect, l'asincrono bello e pronto è anni luce più economico, robusto ed affidabile di un alternatore a flusso assiale...

Dove sta l'inghippo? Non può essere solo un problema di variazioni brusche di tensione, quelli sono risolvibili con pochi euro...

[mariomaggi]

Rudolph,

CITAZIONE

Che succede a regimi (troppo) superiori?

quando si ha uno scorrimento troppo elevato, la frequenza delle correnti rotoriche aumenta.
Conti della serva per far capire il concetto: l'elica fornisce una potenza meccanica di 15 kW a 800 rpm.
Il generatore asincrono a 12 poli ha una velocita' di sincronismo di 500 rpm, e puo' funzionare per esempio a 530 rpm nelle migliori condizioni, a scorrimento nominale. In queste condizioni il generatore assorbe per esempio 11 kW meccanici ed eroga 10 kW elettrici (se il cosfi e' buono).
Aumentando la velocita' e quindi anche la potenza meccanica introdotta nel generatore, questo e' in grado di erogare solo la potenza nominale piu' l'eventuale sovraccarico transitorio, se la densita' di flusso lo consente. La potenza fornita in piu' (15-10) = 5 kW finisce in perdite meccaniche ed elettriche nel generatore. Circa 1 kW sara' distribuito nei lamierini, nel rame di statore, nell'attrito sui cuscinetti, nell'attrito con l'aria che si scalda, nei campi magnetici dispersi. Ben 4 kW finiranno nel rotore, che essendo interno ha poche possibilita' di raffreddarsi bene, se non attraverso l'albero o irradiando calore verso lo statore. E' abbastanza facile calcolare il volume del solo rotore, e di conseguenza il suo peso.
Prova a calcolare quale temperatura verra' raggiunta dal rotore dopo pochi minuti di funzionamento, con una potenza di 4 kW continuativi da dissipare.
E' chiaro che i cuscinetti ne soffrono molto, anche perche' si dilata proprio l'anello interno prima di quello esterno. Quindi il generatore perde in affidabilita', si rischia il blocco meccanico per rottura dei cuscinetti.
Quanto costa cambiare i cuscinetti su un aerogeneratore? Meglio mettere un sincrono, non ha questi problemi, pesa meno a parita' di potenza ed ha un rendimento migliore.

Ciao
Mario

[Rudolph]

Grazie Mario,

Avendo pale a passo variabile che quindi non permettono in alcun caso il raggiungimento di velocità superiori ad un valore x preimpostato (che possiamo supporre essere quello di massima efficienza), il problema sarebbe risolto?

[s_mach2]

un'altra considerazione:
nel "grid connect" non è necessario eccitare il gen asincrono con i condensatori in quanto è la rete stessa a fornire la potenza reattiva per generare il flusso magnetico; questo è un enorme vantaggio dei gen asincroni
poiché, in questo modo, la corrente generata è già perfettamente in fase con la rete (a prescindere dal regime di rotazione). Il generatore deve però necessariamente ruotare a una frequenza maggiore di 50 Hz/coppie polari (scorrimento >1), poiché è la rete che impone la velocità del campo magnetico rotante; se ruotasse più piano si avrebbe uno scorrimento negativo e lo statore comincerebbe a "succhiare" dalla rete anche potenza attiva e funzionerebbe da motore! E' questo il motivo percui i gen asincroni non sono molto adatti in campo eolico: paradossalmente, in assenza di vento, le eliche ruoterebbero lo stesso alimentate dalla rete.

Il problema, quindi, non è solo impedire alle pale di ruotare troppo velocemente ma anche impedire di ruotare al di sotto di una certa velocità.

[Rudolph]

Il grid conncet come intendi tu però si può fare solo con l'ausilio di un quadro per il parallelo rete. Non ce ne sono per piccole potenze e costano un botto.

Invece la conversione "AC_DC_AC" mediante ponte a diodi ed inverter è più semplice e ti permette di fregartene della reattiva (l'inverter omologato la tiene sotto un certo valore).

Di fatto fai lavorare l'asincrono in isola, il che ti risolve anche il problema del funzionamento come motore.

[s_mach2]

Ok, avevo capito male...mi ha tratto in inganno una frase di Mario quando parlava di scorrimento: è vero che a frequenze elevate le perdite nel ferro aumentano (ma secondo me la variazione di frequenza è minima e quindi rende il fenomeno trascurabile), lo scorrimento rimane comunque lo stesso dal momento che usi condensatori per generare il c.m.
Credo anche che i problemi di alta temperatura li troveresti anche col sincrono, anzi, in quel caso, correresti il rischio di superare la "temperatura di Curie" oltre la quale si avrebbe una smagnetizzazione spontanea dei magneti (specie quelli ad alto B residuo come Neodimio-ferro-boro).

Col gen asincrono autoeccitato, piuttosto, potresti avere un'altro tipo di problema: il banco di condesatori è normalmente dimensionato per erogare , con la max efficienza , una data potenza a una data frequenza (i gruppetti elettrogeni a benzina funzionano così e vanno benissimo, ma il num. di giri è mantenuto costante), se ti discosti troppo da tali parametri, il rendimento del gen crollerebbe (es: con poco vento le pale girano lentamente, la frequenza della corrente generata è bassa, i condensatori non ce la fanno a generare flusso magnetico: l'alternatore produce molto meno di quanto produrrebbe, alle stesse condizioni, un generatore sincrono a magneti permanenti).

[Rudolph]

Non ho bisogno di potenza a bassi giri. Mi va benissimo anche un cut-in elevato, sui 5 m/s. quando si opera in grid-connect le piccole potenze non interessano. Quelle van bene per caricare una batteria, che più lentamente si carica meglio è.

Quindi il problema del "bassi giri" non si pone nemmeno.
Per gli alti giri la soluzione è il passo variabile.


Però non ditemi che i problemi son solo questi 2, perchè è troppo bello per essere vero ">
Quanto al peso, è vero un sincrono pesa di meno, ma costa di più... Un asincrono lo trovo ovunque, anche a costo zero magari con un cuscinetto da cambiare o gli avvolgimenti da rifare. Con 150 Euro si tira su un 10 Kw che prenderlo sincrono (usati non si trovano) ci vogliono 800 Euro.

Per quanto riguarda il discorso smagnetizzazione del nucleo, in che situazione capita? Con l'inverter che aggiunge il carico solo a 240volts, di fatto il generatore non parte mai con il arico attivo. Presumo che la stessa cosa succederebbe in fase di "rallentamento". Questo basta a evitare la smagnetizzazione, o devo prevedere nella programmazione del plc una fase di "carica" del rotore con corrente continua per qualche secondo?

[s_mach2]

La smagnetizzazione riguarda i magneti permanenti quando sono sottoposti a temperature molto elevate, quindi riguarderebbe i sincroni (ma se sono progettati bene, in termini di raffreddamento, il problema non sussiste nemmeno li).
Per l'asincrono autoeccitato non mi risulta che ci sia un problema di smagnetizzazione se non nello start-up, quando si ha bisogno di una minima magnetizzazione residua per avviare il ciclo di generazione. Se quella viene meno non produci niente ma onestamente non so come si fa a generarla. Da quello che so una piccolissima magnetizzazione del rotore è sempre presente...

In base alle tue considerazioni, non vedo il motivo percui il gen asincrono non dovrebbe andare bene...
Apettiamo fiduciosi che qualcuno ci dia una spiegazione scientificamente valida...

Ciao.

[mariomaggi]

s_mach2,

CITAZIONE

Ok, avevo capito male...mi ha tratto in inganno una frase di Mario quando parlava di scorrimento: è vero che a frequenze elevate le perdite nel ferro aumentano (ma secondo me la variazione di frequenza è minima e quindi rende il fenomeno trascurabile), lo scorrimento rimane comunque lo stesso dal momento che usi condensatori per generare il c.m.

io non ho parlato di perdite nel ferro, e' una tua deduzione.

Lo scorrimento rimane lo stesso?

Ciao
Mario

[s_mach2]

Se autoeccito un generatore asincrono, la frequenza del flusso magnetico è strettamente legata alla velocità del rotore, visto che è la stessa corrente indotta dal rotore a caricare i condensatori che (per loro natura) tendono a sfasare la corrente in anticipo rispetto alla tensione e a fornire la potenza reattiva necessaria per generare il campo magnetico rotante. Ora se prendiamo un gen a 2 poli, se il rotore ruota a 50Hz il c.m.r. ruoterà a 50Hz meno lo scorrimento analogamente se il rotore ruota a 100 Hz il c.m.r. ruoterà a circa 100Hz meno lo scorrimento: il gen produrrà corrente a frequenze rispettivamente di 50 e 100Hz circa. Secondo me quindi lo scorrimento (inteso come ("velocità c.m.r."-"vel.rotore")/"velocità c.m.r.")), alle diverse velocità del rotore, dovrebbe rimanere pressoché lo stesso (se mi sbaglio vi prego di segnalarmelo).

Quanto alle perdite nel ferro, credevo che Mario attribuisse a ciò il possibile surriscaldamento del gen asincrono alle alte frequenze, in quanto (se ricordo bene) solo le perdite nel ferro sono legate alla frequenza (ma questo vale anche per il gen sincrono).

Credo (e chiedo conferma) che il maggiore riscaldamento dall'asincrono rispetto al sincrono dipenda dal fatto che sul rotore circola corrente (e quindi dipende dall'effetto joule, indipendente dalla frequenza e quindi dalla velocità di rotazione del rotore).

Ciao ciao.

[Rudolph]

Ma lo scorrimento è misurato in % o in rpm assoluti?

[mariomaggi]

s_mach2,

CITAZIONE

Ora se prendiamo un gen a 2 poli, se il rotore ruota a 50Hz il c.m.r. ruoterà a 50Hz meno lo scorrimento

No, prova a rileggere e correggi quanto hai scritto

CITAZIONE

Secondo me quindi lo scorrimento ...., alle diverse velocità del rotore, dovrebbe rimanere pressoché lo stesso (se mi sbaglio vi prego di segnalarmelo).

Si, solo se ragioni a carico costante e temperatura costante del rotore.

CITAZIONE

Credo (e chiedo conferma) che il maggiore riscaldamento dall'asincrono rispetto al sincrono dipenda dal fatto che sul rotore circola corrente (e quindi dipende dall'effetto joule, indipendente dalla frequenza e quindi dalla velocità di rotazione del rotore).

Si, se ti riferisci ai soli sincroni a magneti permanenti. Nei sincroni a poli salienti c'e' passaggio di corrente nel rotore per ottenere l'eccitazione.

Rudolph,

CITAZIONE

Ma lo scorrimento è misurato in % o in rpm assoluti?

Lo scorrimento si misura in rpm assoluti o altra unita' di misura della velocita'
Lo scorrimento percentuale si misura ovviamente in %

Ciao
Mario

[Ispas.Calin-Ionut]

Salve a tutti !
Anche io cosi come Rudolph cerco di studiare,proggetare per poi costruire una machina eolica che furnisce energia elettrica alla rete.Le mie idee si aggirano intorno ad un 12 metri di diametri-20 kw di potenza-e forse un 380 V di tensione.Secondo a quanto ho studiato fino adesso (e ce tanto di studiare ">) ),per quello che voglio io l'asincrono e il piu adatto tipo di generatore !
Rudolph,per capire i consigli che ti si devono dare-certo a tua richiesta-e non per forza da me che non sono un specialista,e meglio precisare piu chiaro lo scopo della machina eolica e le dimensioni a quale pensi di costruirla.Perche dipende da questi fattori che poi adottare le soluzioni piu addate.Perche asincrono ? I migliori costrutori di generatori eolici sono considerati i Danesi.Infatti il primo generatore eolico e nato li nel 1904.Anche gli americani la riconoscono.E loro utilisano asincrono.
Se ho capito bene vorresti fare un asincrono conettato ala rete,e fornire l'energia prodotta.I condensatori non ti servono a nulla.Anche utilisati,sarrebbero utili in caso di " isola "-independentemente dalla rete,e comunque non ti darebbero la frequenza della rete in quanto lo so.
Asincrono utilisa pochissima corente dalla rete per creare il flusso magnetico rotante del statore.Questa e la causa sine-qua-non per il funzionamento del asincrono.E questo e un vantaggio:la rete a quale fornisci la corrente non vuole che nel caso di guasto della rete (tempeste,fulmini,etc) la tua machina fornisse corente-mettendo in pericolo gli adetti alla riparazione della rete stessa.Poi a diferenza del sincrono a un margine piu elevato di rotazioni al minuto (scorrimento).
Ti chiedevi Rudolph perche tutti i piccoli impiantisti ti sconsigliavano l'asincrono.Le hai detto lo scopo del tuo progetto ? A una centrale eolica piccola il migliore e secondo me l'alternatore a flusso asiale-ma per caricare baterie. Per fornire in rete e necersario l'inverter che a dimensioni piu grandi cominciano ad avere un prezo alto e rendimento piu basso (a venti appena sopra il cut-in un inventer di capacita piu elevata sottoutilizato il rendimento e piu basso).
Nel proggetare e meglio capire che un funzionamento a regimi piu basse del'elica,e del generatore portano ad un miglior utiliso,meno costi di mantenimento,ed una vita piu lunga .Ma questo porta implicitamente a prezzi piu alti.Parlo dei generatori "direct-drive" senza cambiatori di giri.Cosi il rotore del generatore ha lo stesso numero di giri del elica di cui si puo colegare diretamente.Secondo me la progetazione della machina dovrebbe partire dal generatore.Per essere un direct-drive dovrebbe avere non 2 poli-che secondo me e la peggior scelta (almeno 6 poli per un utiliso con cambiatore di giri) ma a dirittura decine di poli.Per il rotore credo che il migliore e il tipo a gabbia di scoiatolo-che come motore ha l'impedimento al aviamento di aver un corente di spunto di 8-10 volte superiore a quella nominale,ma come generatore non ha questi problemi.
Mariomaqqi ha ricordatto del problema del "sopraalimentaggio"-se posso chiamarlo cosi del generatore.In quello che so io il problema incontrato nel mercato e addiritura vice versa nel senso che ci sono produttori che vendono machine con un generatore impresionante (per neofiti)-ma con un elica sottodimensionata.Il problema si risolve cosi:
Prima di tutto l'elica va dimensionata secondo capacita del generatore,e nel suo profilo aerodinamico si terra conto che oltre una certa velocita entrera nel cosi detto "stall"-perqui oltre una certa velocita del vento-l'elica ferma il suo incrementare velocita angolare.E il cosi detto "pitch to stall".
Seconda via e quella della "active furling" in qualle intera nacela e girata da un piccolo motore in tal modo che mette l'elica paralella al vento.Ovvio questa e anche la via di mettere l'elica sotto vento.
Quando invece la rotazione del elica vanno al di sotto della velocita del campo magnetico rotante del statore-ce un comutatore automatizato che scolega la machina dalla rete impedendola di diventare un motore di una grande ventola.Questo distacco puo essere fatto anche in regime di urgenza quando le rotazioni della elica superano una certa cifra-che puo mettere in pericolo l'incolumnita del generatore.Senza il campo magnetico del statore datto dalla rete il generatore non avra piu corrente e tendera di girare piu veloce,ma comunque gia prima le rotazioni devono essere limitate dal profillo aerodinamico del elica.Tramite il PLC il "cervello"-colegato anche ai sensori di velocita e direzione del vento (disposti sopra nacela) si potrebbero controlare tutte queste cose.
La soluzione del passo variabile sarebbe forse troppo costosa al di sotto di una certa dimensione della machina-io uno ad un 12/20 non lo farrei.Se pero la vuoi fare mi sembra piu semplice quella centrifugale con palline.Il valore cut-in piu basso vuol dire sfruttare anche le velocita piu basse del vento con implicita crescita del rendimento.
Ripetto,non sono un specialista,e forse non ho "centrato" il quello che vuoi fare.Anche io ho tanto da imparare ! ">
In bocca al lupo con il tuo piano,
Calin-Ionut

[Rudolph]

Grazie Calin, le mie osservazioni:

la configurazione che hai proposto tu è quella che di solito ho visto usare nel mini idroelettrico, dove si eccita l'asincrono mediante rete e poi lo si mette in parallelo con un apposito quadro elettrico.

Il punto è che questi quadri elettrici devono essere omologati, e non ne vengono prodotti per piccole potenze.

Da qui la mia intenzione di eccitare l'asincrono con i condensatori, raddrizzare la corrente con un ponte a diodi, e mandare tutto ad un inverter omologato. Tra l'altro ultimamente questa soluzione sta prendendo piede anche per il microhidro.

Parlando di costi, per 12 KW io per ora ho questi dati IVA compresa:

- Inverter: 7200 €, in blocco unico conforme alla normativa
- Motore asincrono 6 poli + condensatori +moltiplicatore dimensionato per 12 KW: circa 700 Euro, ma se riesco a rimediare il motore di seconda mano o a riavvolgerne uno, anche meno.
- Pale in vetroresina: prevediamo di star dentro i 150 Euro a pala, totale 450 Euro
- Torre 15 metri zincata a caldo + tiranti: 500 Euro
- 8 plinti in cemento 1x1x1 metri (2.2 tonnellateognuno ): 300 Euro
- PLC: 120 Euro ( http://www.cubloc.com )
- Attuatore lineare per controllo pitch +meccanica di controllo: 200 Euro
- Cuscinetti e pezzi vari in metallo: 100 Euro
- Cavi: 200 Euro
- Quadro di controllo e resistenze: 400 Euro

Totale: circa 10.500 Euro, facciamo 11.000 per stare tranquilli.

Siamo comunque SOTTO a 1.000 Euro al KW!!!!!

con 1.500 Ore di produzione (e una turbina a pitch variabile ne fa sempre di più se il sito non fa schifo, ed il mio sito ha oltre 7 m/s di media...) e scambio sul posto, sono circa 3.000 Euro all'anno esentasse. Te la ripaghi in 4 anni contando gli imprevisti.


Adesso proviamo a fare i conti mettendone due (depotenziate a 10KW per non superare i 20KW totali) ed arrivando ai 25.000 KWh annui, per cui al guadagno bisogna aggiungere anche circa 3.000 Euro di certificato verde. Esentasse anche quelle (non mi ricordo se i CV sono con IVA o senza)

E poi una volta che la meccanica per fare il passo variabile è collaudata e funzionante su un 10 KW, se voglio salire fino a 20 KW il vantaggio del motore asincrono sull'alternatore assiale è ancora più evidente, perchè è relativamente facile scalare le dimensioni, mentre l'assiale va riprogettato da zero.
E l'inverter da 20 KW costa SEMPRE 7.200 Euro...