ES2198966T3 - Motor acimutal para plantas de energia eolica. - Google Patents
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Abstract
Planta de energía eólica con una caja de maquinaria que alberga un rotor con al menos una pala de rotor, y un dispositivo de ajuste para el ajuste de la caja de la maquinaria para la orientación deseada del rotor en la dirección del viento, caracterizada porque el dispositivo de ajuste presenta como motor (1) al menos un motor asincrónico trifásico (5), que se solicita con una corriente trifásica para el ajuste de la caja de la maquinaria, y durante el tiempo de parada de la caja de la maquinaria se solicita de forma temporal o completamente con una corriente continua.
Description
Motor acimutal para plantas de energía
eólica.
Las plantas de energía eólica tienen normalmente
un motor activo para el seguimiento de la dirección del viento.
Este motor hace girar la caja de la maquinaria de la planta de
energía eólica de tal forma que las palas del rotor se orientan en
la dirección del viento. Este motor necesario para el seguimiento
de la dirección del viento es normalmente un motor acimutal, que se
encuentra normalmente, junto con los correspondientes soportes
acimutales, entre la cabeza de la torre y la caja de la maquinaria.
En plantas de energía eólica pequeñas es suficiente con un motor
ajustable, mientras que las plantas de energía eólica más grandes
están equipadas por regla general con varios motores
acimutales.
Durante el seguimiento de la dirección del viento
de la caja de la maquinaria, un sistema de medición del aire de
servicio proporciona un valor medio para la dirección del viento
durante un espacio de tiempo determinado, por ejemplo 10 segundos.
Este valor medio se compara siempre con la posición acimutal
momentánea de la caja de la maquinaria. Tan pronto como una
desviación sobrepasa un valor determinado, la caja de la maquinaria
se reajusta convenientemente de modo que la desviación de la
dirección del viento del rotor, el ángulo de guiñada, sea lo más
bajo posible para evitar así pérdidas de potencia. En
"Windkraftanlagen" ("Plantas de energía eólica"), de Erich
Hau, 2ª edición, 1995, páginas 268 y siguientes, así como en las
páginas 316 y siguientes, se describe cómo se realiza un
seguimiento de la dirección del viento en las plantas de energía
eólica conocidas.
Por el documento US 4.966.525 A se conoce una
planta de energía eólica con las características del preámbulo de
la reivindicación 1. Por el documento US 5.374.885 A se conoce un
dispositivo de accionamiento para una máquina textil en el cual se
emplea un motor asincrónico como motor de accionamiento, y que se
frena sin desgaste mediante solicitación con corriente continua.
Por el documento US 5.198.734 A se conoce un motor
"Backspinning" con el cual se ajusta una tensión continua para
el motor mediante un ondulador para frenar el motor hasta que se
queda parado. Por el libro "Windkraftanlagen" ("Plantas de
energía eólica") de R. Gasch, 1999, B.G. Teubner, Stuttgart,
páginas 72 y 90, se conoce cómo se ajusta una planta de energía
eólica mediante un sistema de seguimiento pasivo o por medio de un
sistema activo de un motor de guiñada eléctrico o también
hidráulico.
En las plantas de energía eólica conocidas hasta
la fecha, un seguimiento de la dirección del viento accionado por
motor de la caja de la maquinaria, el sistema de ajuste acimutal,
asume la tarea de orientar el rotor y la caja de la maquinaria
automáticamente según la dirección del viento. Desde el punto de
vista funcional, el seguimiento de la dirección del viento es un
conjunto autónomo. Desde el punto de vista constructivo, constituye
la transición de la caja de la maquinaria a la cabeza de la torre.
Sus componentes están integrados en parte en la caja de la
maquinaria y en parte en la cabeza de la torre. El sistema completo
del seguimiento de la dirección del viento consta de los siguientes
componentes: motor ajustable, frenos de parada, dispositivo de
enclavamiento, soporte acimutal y sistema de regulación. Estos
componentes funcionan de la siguiente manera.
Para el motor ajustable, de forma similar a lo
que ocurre con el motor ajustable de la palas del rotor, existe la
alternativa entre un sistema hidráulico o eléctrico. Ambas
realizaciones son habituales en las plantas de energía eólica. Las
plantas pequeñas disponen, en la mayoría de los casos, de motores
eléctricos de accionamiento sin regulación. En las plantas grandes
predominan los motores hidráulicos de accionamiento ajustables.
Para evitar que el momento de guiñada alrededor
del eje de rotación se deba mantener tras realizarse el
seguimiento de los motores de accionamiento, es necesario un
bloqueo del giro o un freno de guiñada. En caso contrario,
difícilmente se podría garantizar la durabilidad de los grupos
motopropulsores o del engranaje antepuesto. Para las plantas
pequeñas es suficiente en la mayoría de los casos con un bloqueo
del giro en el soporte acimutal, mientras que para las plantas
grandes se suelen utilizar varios frenos de parada desbloqueables.
Estos frenos actúan sobre un anillo de freno en el lado interior de
la torre, o al revés, sobre un anillo en la caja de la maquinaria.
Durante el proceso de seguimiento actúan uno o dos frenos
acimutales para garantizar la necesaria atenuación de la dinámica
de ajuste. El motor ajustable debe disponerse de forma que pueda
actuar en contra de esta atenuación del rozamiento. El soporte
acimutal o el soporte de la cabeza de la torre se realiza
normalmente como un rodamiento.
En la figura 7 aparece representada una vista en
sección parcial de un sistema conocido de seguimiento de la
dirección del viento con motor eléctrico ajustable Westinghaus
WTG-0600.
Durante el funcionamiento de una planta de
energía eólica con vientos turbulentos, dependiendo del ángulo de
giro del rotor, aparecen fuerzas muy elevadas acompañadas de picos
de carga muy elevados y frecuentes en los motores acimutales.
Si se ha dispuesto más de un motor acimutal, se
produce además una asimetría muy elevada en los diferentes motores.
Estos motores poseen una multiplicación por medio de un engranaje
de aproximadamente 15.000. La más mínima desviación en el dentado
del perímetro del soporte de la torre produce asimetrías muy
fuertes si se coloca más de un motor, por ejemplo cuatro motores
acimutales, en el perímetro del soporte de la torre con dentado
integrado. Debido a la elevada multiplicación del engranaje, estas
pequeñas desviaciones en el lado de entrada del motor equivalen a
entre 15 y 20 revoluciones en el lado de salida.
En consecuencia, esto significa que durante y
después de cada proceso de giro de la caja de la maquinaria, en la
medida de lo posible, toda la carga y todo el par se debe
distribuir uniformemente al mismo tiempo a los diferentes motores.
Además, en caso de cargas acimutales muy fuertes durante los
tiempos de parada con cargas muy elevadas, los motores deberán
ceder y permitir un ligero giro de la caja de la maquinaria para
que se pueda ajustar la correspondiente descarga.
Asimismo, durante el seguimiento del viento por
parte de la caja de la maquinaria de la planta de energía eólica,
con fuertes turbulencias aparecen también pares muy elevados. Estos
excitan los motores acimutales de tal modo que los motores vibran
el uno contra el otro. Los engranajes, con una relación de
multiplicación muy elevada, reaccionan como un muelle, y la
consecuencia de ello es que se producen grandes fluctuaciones en
los pares de los diferentes motores.
El objetivo de la invención es mejorar el motor
acimutal para plantas de energía eólica de modo que los problemas
anteriormente indicados queden subsanados, se obtenga un motor
acimutal sencillo desde el punto de vista constructivo, se
garantice una distribución uniforme de la carga para cada motor
acimutal y se eviten fluctuaciones en los pares de los diferentes
motores.
Según la invención, se propone una planta de
energía eólica según la reivindicación 1. En las reivindicaciones
secundarias 2 a 5 se describen perfeccionamientos ventajosos.
La planta de energía eólica según la invención,
con una caja de maquinaria que alberga un rotor con al menos una
pala de rotor, se caracteriza porque el dispositivo de ajuste para
el ajuste de la caja de la maquinaria, según la correspondiente
dirección del viento como motor acimutal, presenta como mínimo un
motor asincrónico trifásico que, durante el ajuste de la caja de la
maquinaria, es accionado con corriente trifásica, y durante el
tiempo de parada de la caja de la maquinaria, es accionado total o
parcialmente con corriente trifásica.
Según el proceso de ajuste mediante corriente
trifásica, el motor se desconecta, de modo que ya no genera ningún
par. Para proporcionar también un efecto de frenado del motor de
accionamiento y seguir consiguiendo el suficiente par de frenado
durante el tiempo de parada al aparecer picos de carga, el motor
asincrónico trifásico, inmediatamente después de separarse de la
red de corriente trifásica, se solicita con una corriente continua.
Esta corriente continua genera un campo magnético estacionario en
el motor asincrónico, el cual se frena inmediatamente. El suministro
de corriente continua permanece igual dentro de lo posible durante
todo el tiempo de parada.
Para evitar fluctuaciones no deseadas en los
pares, se ha previsto un control del par según la invención. El
frenado del motor asincrónico trifásico se puede ajustar por
ejemplo linealmente con la ayuda de la altura de la corriente
continua. De este modo se consigue un control sencillo del par para
los motores acimutales de las plantas de energía eólica durante el
tiempo de parada real.
Asimismo, si el dispositivo de ajuste presenta
varios motores asincrónicos trifásicos, dichos motores
asincrónicos trifásicos se acoplan eléctricamente en realimentación
con la ayuda de un transformador de corriente, de modo que el único
accionamiento queda estabilizado y se elimina el efecto elástico no
deseado que hasta ahora se producía.
La invención se explica a continuación con más
detalle sobre la base de un ejemplo de realización en los dibujos.
Estos muestran:
Figura 1 una disposición esquemática de cuatro
motores acimutales de un dispositivo de ajuste en la caja de la
maquinaria;
Figura 2 una curva característica del par/número
de revoluciones de un motor asincrónico trifásico;
Figura 3 la curva característica de un motor
asincrónico trifásico en funcionamiento con corriente continua;
Figura 4 una representación alternativa de la
figura 3;
Figura 5 un diagrama de bloque del acoplamiento
de un transformador de corriente de dos motores acimutales
asincrónicos;
Figura 6 un esquema de conexiones de un motor
acimutal;
Figura 7 una vista en sección parcial de un
seguimiento de la dirección del viento con un motor eléctrico
ajustable.
Las plantas de energía eólica tienen normalmente
un motor activo para el seguimiento de la dirección del viento.
Este motor hace girar la cabeza de la maquinaria de la planta de
energía eólica de tal forma que las palas del rotor se orientan de
forma óptima en la dirección del viento.
El motor activo para el seguimiento de la
dirección del viento es un motor acimutal 1 con su correspondiente
soporte acimutal 2, y se encuentra por regla general entre la
cabeza de la torre y la caja de la maquinaria. En las plantas de
energía eólica pequeñas suele ser suficiente con un motor acimutal,
mientras que las plantas de energía eólica más grandes están
equipados por regla general con varios motores acimutales, por
ejemplo cuatro motores, tal como se representa en la figura 1. Los
cuatro motores 1 están distribuidos uniformemente por el perímetro
de la cabeza de la torre 3 (también es posible una distribución no
uniforme).
Durante el funcionamiento de una planta de
energía eólica con vientos turbulentos, dependiendo del ángulo de
giro del rotor, aparecen fuerzas muy elevadas acompañadas de picos
de carga muy elevados y frecuentes en los motores acimutales.
Si el dispositivo de ajuste para el ajuste de la
cabeza de la maquinaria presenta más de un motor acimutal 1, se
produce además una asimetría muy elevada en los diferentes motores
1. Estos motores poseen un engranaje de multiplicación 4 (el
engranaje no aparece representado) de aproximadamente 15.000. La
más mínima desviación en el dentado del engranaje de multiplicación
en el perímetro del soporte de la torre produce asimetrías muy
fuertes si se coloca más de un motor en el perímetro del soporte de
la torre con dentado integrado. Debido a la elevada multiplicación
del engranaje, estas pequeñas desviaciones en el lado de entrada
del motor equivalen a entre 15 y 20 revoluciones en el lado de
salida.
Esto significa que, durante y después de cada
proceso de giro de la cabeza de la torre, toda la carga/el par se
debe distribuir uniformemente a los diferentes motores. Además, en
caso de cargas acimutales muy fuertes durante los tiempos de parada
(de la cabeza de la torre), con cargas muy elevadas, los motores
deberán ceder y permitir un ligero giro de la cabeza de la
maquinaria.
Cada motor acimutal 1 presenta un motor propio 5,
y los motores están conectados entre sí y se controlan de forma
común. Si durante el seguimiento de la dirección del viento por
parte de la cabeza de la maquinaria de la planta de energía eólica
aparecen pares fuertes debido a fuertes turbulencias, estos pares
excitan los motores acimutales de tal modo que los motores vibran
el uno contra el otro o son propensos a vibraciones. Los engranajes
4, con una relación de multiplicación muy elevada, reaccionan como
un muelle, y la consecuencia de ello es que se producen grandes
fluctuaciones en los pares de los diferentes motores.
Para garantizar una distribución uniforme de las
cargas durante el tiempo en que la caja de la maquinaria no gira,
la invención propone emplear como motores de accionamiento para el
motor acimutal un motor asincrónico trifásico como maquinaria de
accionamiento asincrónico, cuya curva característica de par/número
de revoluciones aparece representada en la figura 2. M_{A}
significa par inicial, y M_{K} significa momento de cabeceo.
Tras el proceso de ajuste de la caja de la
maquinaria, los cuatro motores asincrónicos trifásicos (ASM) se
desconectan, de modo que no generan ningún par más. Para frenar los
motores de modo uniforme y obtener también tras ello un momento de
frenado, los motores se solicitan justo después de separarse de la
red de corriente trifásica, a ser posible inmediatamente, con una
corriente continua (ver figura 6a). Esta corriente continua genera
un campo magnético estacionario en los motores (maquinaria
asincrónica), que se frenan inmediatamente. Este suministro de
corriente continua permanece igual dentro de lo posible durante
todo el tiempo de parada, y su amplitud se puede regular.
Tras el proceso de ajuste, los motores ASM se
solicitan por medio de un dispositivo de regulación (representado
en la figura 6b) con una corriente continua regulada. Los
movimientos lentos de giro de la cabeza de la torre, provocados por
ráfagas de viento asimétricas, son únicamente amortiguados por una
pequeña corriente continua (aproximadamente el 10% de la corriente
nominal), pero se admiten. Los movimientos de giro más rápidos se
evitan mediante una corriente continua de una altura adecuada, y
con ello también un momento de frenado elevado. En caso de
movimientos de giro muy rápidos, la corriente continua asciende
hasta la corriente nominal del motor.
La curva característica del par/número de
revoluciones de un motor asincrónico en funcionamiento con
corriente continua aparece representada en la figura 3. El motor de
accionamiento no genera ningún par en estado de parada con la
magnetización de la corriente continua. Sin embargo, con un número
de revoluciones ascendente (hasta aproximadamente el 6% del número
de revoluciones nominal), el par generado asciende de forma lineal,
y ello de forma simétrica en los dos sentidos del giro. Según esta
curva característica, la carga que aparece también se distribuye
de modo uniforme a todos los motores acimutales, y siempre se
ajusta un equilibrio de forma pasiva.
Para controlar los pares de los motores
acimutales, la pendiente de la curva de frenado se puede ajustar de
forma lineal con la altura de la corriente continua. Esto aparece
representado en la figura 4. De este modo se consigue un control
sencillo de los pares para los motores acimutales de las plantas de
energía eólica durante el tiempo de parada real.
Asimismo, es conveniente acoplar los diferentes
motores de los motores acimutales con la ayuda de un transformador
de corriente. Este transformador aparece representado en la figura
5. Las siglas ASM significan aquí maquinaria asincrónica. Una
realimentación sencilla del tipo que aparece representado
estabiliza los motores.
La figura 7 muestra una vista en sección parcial
de un sistema conocido de seguimiento de la dirección del viento
con motor eléctrico ajustable tal como se conoce por el libro de
Erich Hau "Windkraftanlagen" ("Plantas de energía
eólica"), editorial Springer, Berlín-Heidelberg,
1996, páginas 268 - 271.
Claims (5)
1. Planta de energía eólica con una caja de
maquinaria que alberga un rotor con al menos una pala de rotor, y
un dispositivo de ajuste para el ajuste de la caja de la
maquinaria para la orientación deseada del rotor en la dirección
del viento, caracterizada porque el dispositivo de ajuste
presenta como motor (1) al menos un motor asincrónico trifásico
(5), que se solicita con una corriente trifásica para el ajuste de
la caja de la maquinaria, y durante el tiempo de parada de la caja
de la maquinaria se solicita de forma temporal o completamente con
una corriente continua.
2. Planta de energía eólica según la
reivindicación 1, caracterizada porque el motor asincrónico
trifásico (5), tras desconectarse la corriente trifásica para el
frenado, se solicita con la corriente continua.
3. Planta de energía eólica según la
reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el frenado del
motor asincrónico trifásico (5) al final del proceso de ajuste se
controla por medio de la altura de la corriente continua.
4. Planta de energía eólica según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
dispositivo de ajuste presenta varios motores asincrónicos
trifásicos (5) que están acoplados entre sí.
5. Planta de energía eólica según la
reivindicación 4, caracterizada porque los motores
asincrónicos trifásicos (5) están acoplados entre sí eléctricamente
por medio de un transformador de corriente.
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