L’ingegneria di Sistema per la progettazione di un generatore eolico efficiente

Dalla rivista:
Energie & Ambiente Oggi

 
Pubblicato il 31 maggio 2012

Una turbina eolica è costituita da tutti i componenti necessari per la conversione elettro-meccanica dell’energia. Le pale della turbina, il generatore e il convertitore elettrico sono i tre principali componenti di un generatore di energia eolica. Il componente più importante tra gli elementi interagenti di una turbina eolica è il generatore che crea l’energia elettrica. L’uscita del generatore alimenta il sottosistema costituito dal convertitore, che regola la potenza elettrica trasferita. La potenza viene poi trasferita alla rete. Alcuni dei componenti elettrici impiegati in questo processo di regolazione e di trasferimento dell’energia includono trasformatori, condensatori, induttori e elettronica di potenza, così come i cavi e bus bar. Gli ingegneri che progettano le turbine eoliche affrontano una sfida importante: determinare con precisione le specifiche dei molteplici singoli componenti – che spesso provengono da produttori diversi – e poi collegarli in un sistema efficiente.
Il software Ansys fornisce strumenti di simulazione che si applicano a tutte le sezioni di un generatore eolico, portando ad un sistema progettato in modo efficiente e ottimizzato nel suo complesso.

Simulazione di Sistema
Senza l’utilizzo di strumenti di simulazione, è quasi impossibile determinare le prestazioni di un complesso sistema eterogeneo, come ad esempio una turbina eolica, che incorpora requisiti di elevate prestazioni necessarie per il sistema elettrico.
Il cuore della metodologia di soluzione proposta da Ansys per i sistemi elettromeccanici è il software Ansys Simplorer.
Grazie a questa tecnologia, l’ingegnere può costruire un sistema complesso interamente utilizzando modelli analitici. Con l’ausilio di modelli dettagliati del metodo degli elementi finiti (FEM) e una vasta gamma di strumenti di simulazione Ansys, gli utenti hanno la capacità di analizzare, ottimizzare e integrare tutti i componenti del complesso sistema “end-to-end”.
Tra questi sono inclusi la progettazione dell’accoppiamento di rete e l’integrazione del controllo della potenza in base a caratteristiche esistenti del generatore elettrico, nonché ammissibili fluttuazioni di potenza e/o la soppressione delle armoniche.
L’impiego di strumenti di simulazione può essere utile per testare condizioni critiche come un corto circuito che potrebbe verificarsi in prossimità (o ad una specifica distanza) del generatore, i carichi termici supportati, o la progettazione di reti per la protezione contro altri effetti, come scariche elettriche.

Altri software Ansys possono essere utilizzati con Simplorer
– Ansys RMxprt è uno strumento specifico per progettare le macchine elettriche rotanti, per modellare il generatore, fissando il dimensionamento iniziale e le prestazioni desiderate, con la preparazione del modello per la simulazione con Maxwell;
– Ansys Maxwell 2-D e 3-D sono strumenti per la simulazione a elementi finiti del generatore;
– Ansys Q3D è un estrattore per l’analisi delle influenze dei parassiti nei e tra i cavi e/o bus bar;
– Ansys Mechanical per l’analisi strutturale;
– CFD Ansys per la determinazione del rapporto della velocità del vento/velocità delle turbine.

Analisi dei componenti del sistema
La capacità di analizzare i sistemi e i componenti è perfettamente integrata nella famiglia di strumenti di simulazione Ansys. Per esempio, è possibile analizzare il carico termico dovuto a, o l’impatto su, i diversi elementi della rete elettrica utilizzando Maxwell 3-D in combinazione con il software Ansys Mechanical. Allo stesso modo, è possibile determinare il feedback per i parametri dipendenti dalla temperatura tramite Maxwell e simulare le deformazioni derivanti con la meccanica strutturale Ansys, o condurre ulteriori studi termici con strumenti di dinamica dei fluidi. Come ulteriore esempio, le forze elettriche tra le rotaie conduttive ed eventuali deformazioni risultanti possono essere determinate combinando Maxwell 3-D con i prodotti di meccanica strutturale Ansys Mechanical.

Applicazioni dell’energia eolica

Generatori
La turbina eolica utilizza vari tipi di generatori, come i generatori sincroni e le macchine a induzione doppiamente alimentate. Gli ingegneri possono analizzare e ottimizzare l’efficienza del dispositivo con strumenti Ansys. Le specifiche del progetto iniziale possono essere inserite in RMxprt insieme ai dati geometrici e ai materiali per ottenere un progetto preliminare, successivamente un circuito equivalente può essere importato in Simplorer. In alternativa, utilizzando le informazioni da RMxprt, è possibile creare automaticamente il modello di generatore di Maxwell in 3-D o 2-D e collegarlo direttamente a Simplorer.
Questo accoppiamento tra i tool Ansys permette di considerare correnti parassite nel generatore creato da operazioni di commutazione nel convertitore.

Convertitori
Sia la conversione da corrente trifase a corrente continua (raddrizzatore) che da corrente continua a corrente trifase ad una frequenza definita (inverter) sono importanti nella progettazione della turbina eolica. Per poter condurre una progettazione e disporre di una capacità di analisi completa, sono disponibili modelli di transistor bipolari a gate isolata (Igbt), interruttori elettronici di potenza a semiconduttore, tiristori di gate turn-off (GTO) e tiristori sono disponibili in Simplorer con diversi livelli di dettaglio. In termini semplici, i dispositivi a semiconduttore rappresentano interruttori di controllo.
A seconda del livello di accuratezza richiesto nell’esaminare il comportamento del dispositivo di commutazione, è possibile applicare in Simplorer modelli di diverso livello di dettaglio così come modelli Spice di valvole a semiconduttore. Per consentire la customizzazione, tool di parametrizzazione degli Igbt consentono di generare il modello appropriato e simularlo in base al datasheet del tipo specifico di Igbt.

Trasformatori
Simplorer consente la simulazione di diversi modelli di trasformatori con relativi schemi circuitali equivalenti. È disponibile l’accoppiamento con Maxwell 2-D e 3-D per una simulazione più dettagliata.

Cavi e bus bar
Con lo strumento Q3D Extractor, è possibile generare rapidamente uno schema di parametri per il circuito equivalente della geometria del cavo 3-D, che possono poi essere importati in Simplorer, dove mantiene il suo collega-produttività. Ciò rende possibile analizzare onde viaggianti, picchi di tensione e effetti parassiti associati.

Controllori
Simplorer inserisce i controllori direttamente nell’interfaccia di simulazione e accoppia questi controllori con gli interruttori elettrici. Ansys Simplorer, se usato come simulatore di sistema in combinazione con RMxprt, Maxwell, Q3D Extractor e i simulatori meccanici e fluidodinamici Ansys, offre una piattaforma efficiente per la simulazione dell’intero sistema elettromeccanico di una turbina eolica. Utilizzando i sistemi di simulazione, i progettisti di turbine eoliche sono in grado di soddisfare i requisiti generali nonché i requisiti specifici per i singoli componenti. Infine, i team R&D possono integrare simulazioni strutturali per la progettazione di sistemi robusti.

Ansys
 



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