ES2198966T3 - Motor acimutal para plantas de energia eolica. - Google Patents

Motor acimutal para plantas de energia eolica.

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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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