ES2247364T3 - Instalacion de energia eolica con generador anular. - Google Patents
Instalacion de energia eolica con generador anular.Info
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Abstract
Instalación de energía eólica con un generador síncrono o generador anular, que presenta un estator (10), en el que en el contorno interior o exterior están conformadas ranuras (12) distanciadas entre sí para el alojamiento de un devanado de estator, caracterizada porque el generador dispone de una potencia de más de 100 kW, y en el interior de una ranura están dispuestos al menos dos conductores uno sobre otro, y el devanado está arrollado de modo pasante sin interrupción.
Description
Instalación de energía eólica con generador
anular.
La presente invención se refiere a una
instalación de energía eólica con un generador que presenta un
estator, en el que en el contorno interior o exterior están
conformadas ranuras distanciadas entre sí para el alojamiento de un
devanado del estator. Este tipo de instalaciones de energía eólica
son conocidas y son fabricadas y comercializadas por la empresa
ENERCON. Adicionalmente, por ejemplo, el documento GB2149595 muestra
un alternador de un automóvil en el que el estator está arrollado en
un devanado ininterrumpido.
Un procedimiento conocido para la fabricación de
devanados de estator en generadores comprende el uso de las
denominadas bobinas moldeadas. Estas bobinas moldeadas son devanados
individuales del devanado del estator adaptados ya en su forma a las
ranuras y a las distancias entre ranuras del estator, que en primer
lugar se introducen individualmente en las ranuras, y a continuación
se unen entre sí.
Sin embargo, las instalaciones de energía eólica
están sometidas siempre durante el funcionamiento a cargas elevadas.
A medida que aumenta la velocidad del viento, aumenta la potencia de
la instalación de energía eólica, si bien también lo hace al mismo
tiempo la carga mecánica. De ello se deriva que la solicitación de
la instalación de energía eólica se incremente al mismo tiempo
fundamentalmente desde el punto de vista mecánico y eléctrico. A
elevadas velocidades del viento, la solicitación mecánica de la
instalación es elevada, y al mismo tiempo se genera mucha
electricidad, de manera que también la solicitación de los
componentes eléctricos es elevada.
En particular, en este caso está especialmente
solicitado el generador de la instalación de energía eólica que está
sometido a solicitaciones mecánicas y eléctricas. A partir de esta
combinación se producen problemas, si, por ejemplo, como
consecuencia de corrientes eléctricas generadas elevadas, la
temperatura en la región del generador es asimismo elevada, y como
consecuencia de la solicitación mecánica se solicitan uniones entre
los componentes individuales con oscilaciones. En caso de que por
medio de la dilatación térmica se llegue a una holgura o a un
aflojamiento insignificante, entonces las cargas mecánicas pueden
llevar en este caso a un fallo o incluso pueden provocar daños.
En caso de que esta avería se refiera al devanado
del estator, o bien a una fase del mismo, entonces no tiene lugar al
menos esta fase para la generación de energía. Adicionalmente se
genera una carga asimétrica adicional en el generador, ya que esta
fase actúa como consecuencia de la interrupción del mismo modo que
en el funcionamiento al ralentí. En este caso no se tienen en cuenta
los daños mecánicos por medio de componentes sueltos y libremente
móviles, como los manguitos de unión.
Con un estator arrollado en seis fases de un
generador con 72 polos resultan 432 bobinas moldeadas, que están
unidas entre sí por medio de 864 puntos de unión. Estos puntos de
unión están realizados habitualmente como uniones atornilladas,
apretadas o soldadas.
Teniendo en cuenta las probabilidades
estadísticas (que pueden ser pequeñas), a partir del elevado número
de puntos de unión y de las alteraciones de carga permanentes,
resulta que incluso en el caso de una fabricación cuidadosa de la
unión entre las bobinas moldeadas existe en este caso una fuente de
averías considerable. En este caso, en las observaciones existentes
sólo se tiene en cuenta un estator. El aspecto de la fabricación en
serie pone de manifiesto la probabilidad real de una avería de este
tipo.
Así pues, el objetivo de la presente invención es
proporcionar un estator con un devanado, en el que los problemas
mencionados anteriormente al menos se reduzcan.
Este objetivo se alcanza con una instalación de
energía eólica del tipo mencionado al comienzo por medio de un
devanado del estator conformado de modo pasante. Gracias a ello se
prescinde en particular de medios de unión entre las secciones
individuales del devanado de un estator.
En una forma de realización preferida de la
invención se arrollan todas las fases en el estator de modo pasante,
respectivamente.
Para poder compensar los efectos Kelvin en los
devanados individuales, los devanados se fabrican a partir de al
menos dos haces de conductores, existiendo en cada haz de
conductores una pluralidad de conductores aislados entre sí. Este
haz de conductores se introduce en una secuencia prefijada en
ranuras del estator, y la secuencia se modifica a distancias
igualmente prefijadas, de manera que, de modo alternativo, cada uno
de los haces de conductores es afectado por estos efectos de un modo
lo más uniforme posible. Por medio de esta influencia uniforme de
todos los haces de conductores de una fase se puede prescindir de
medidas de compensación.
Para facilitar el manejo del estator durante la
fabricación del devanado, y para crear una situación adecuada desde
el punto de vista de la psicología de trabajo, el estator se sujeta
en un dispositivo de rodamiento, en el que las ranuras están a una
altura de trabajo adecuada para la fabricación del devanado, y
permite una rotación del estator en la dirección del contorno una
medida deseada. Esto se puede llevar a cabo preferentemente usando
un accionamiento por motor.
En una variante especialmente preferida de la
invención está previsto además al menos un dispositivo portante para
llevar al menos una bobina con hilo para devanado. Este dispositivo
portante permite el manejo del hilo para devanado, por ejemplo en
forma de haces de conductores, cuya longitud está medida según la
invención de tal manera que la fase se puede arrollar en el estator
de modo pasante. La longitud requerida para ello de los haces de
conductores lleva a un peso considerable que ya no se puede manejar
de un modo manual.
En una forma de realización especialmente
preferida se manejan respectivamente dos tambores con hilo para
devanado por tarjetas, para de esta manera poder manejar al mismo
tiempo los dos haces de conductores, y un dispositivo portante lleva
tres parejas de los tambores con hilo para devanado, de manera que
usando un dispositivo portante de este tipo se puede arrollar un
sistema de tres fases con dos haces de conductores por fases,
respectivamente, en el estator.
En una variante especialmente preferida de la
invención, los tambores están dispuestos con el hilo para devanado
alrededor de un eje de giro central del dispositivo portante de modo
giratorio a su alrededor. Por medio de esta disposición es posible
compensar una torsión de los haces de conductores producida a partir
del giro del estator en el dispositivo de sujeción por medio de un
giro solidario correspondiente de los tambores en los dispositivos
portantes.
Otras formas de realización ventajosas de la
invención están indicadas en las reivindicaciones subordinadas.
A continuación se explica la invención con más
detalle a partir de las figuras. Se muestra:
Figura 1 de modo simplificado, un estator de un
generador anular en un dispositivo de sujeción;
Figura 2 una sección transversal a través de un
haz de conductores;
Fig. 3a una parte de las ranuras del estator
según la invención con haces de conductores insertados;
Fig. 3b una parte de las ranuras del estator
según la invención (alternativa) con haces de conductores
insertados;
Fig. 3c una construcción conocida de un devanado
de estator;
Fig. 3d una construcción conforme a la invención
de un devanado de un estator;
Fig. 4 de modo simplificado, un dispositivo
portante conforme a la invención en una vista lateral;
Fig. 5 una vista frontal de un dispositivo
portante; y
Fig. 6 la disposición de dispositivos portantes y
de un estator para la fabricación de un devanado de estator conforme
a la invención.
En la Figura 1, el símbolo de referencia 10
designa el estator, que en el contorno interior presenta ranuras 12
que se extienden en la dirección axial. Esta es la forma de
construcción más habitual de un generador. El rotor (no
representado) se encuentra en el interior del estator 10. Esta forma
de construcción se designa como rotor interior. Alternativamente,
las ranuras 12, en el caso de un denominado rotor exterior, en el
que el rotor rodea al estator 10, pueden estar previstas en el
contorno exterior del estator. Las ranuras 12 están representadas en
la figura de modo aumentado. El estator 10 está sujeto en un
dispositivo de sujeción 14, que está sobre el suelo, y con ello
sujeta al estator 10, y en particular a las ranuras 12 a una altura
que conforma una posición de trabajo adecuada desde el punto de
vista de la psicología del trabajo.
Puesto que un estator 10 de este tipo de un
generador anular presenta un diámetro de varios metros, y de modo
correspondiente, un peso elevado, el estator 10 está alojado de modo
giratorio sobre cojinetes de pivote 16, y puede ser girado, por
ejemplo, en la dirección de la flecha una medida deseada, para
llevar a las ranuras 12 que se han de trabajar a la posición
deseada. Este giro del estator 10 se puede realizar, evidentemente,
usando un motor de accionamiento (no representado).
En la Figura 2 está representado un haz de
conductores 20, que está formado por una pluralidad de conductores
22 individuales, que se introducen como haz en las ranuras (símbolo
de referencia 12 en la Figura 1). En este caso, los conductores 22
individuales están aislados entre sí por medio de un
revestimiento.
La conformación de haces de conductores 20 a
partir de conductores 22 individuales tiene la ventaja de que estos
haces de conductores no están fijos en su forma de sección
transversal, sino que se pueden modificar, de manera que, por un
lado, son guiados a través de una abertura de ranura relativamente
estrecha, si bien por otro lado, por medio de la conformación
correspondiente, pueden rellenar en la mayor medida posible la
sección transversal ancha de la ranura, para conseguir un buen
factor de llenado de la ranura (símbolo de referencia 12 en la
Figura 1).
La Figura 3 muestra una sección desarrollada del
contorno interior del estator 10. Las ranuras 12 están dispuestas en
este caso de modo horizontal una junto a otra. En las ranuras 12
están insertados los haces de conductores, que en este caso están
representados de modo simplificado como haces de conductores 20
redondos. Dos de estos haces de conductores 20, respectivamente, son
unidos para formar un devanado de una fase. Éste está representado
en la figura por medio de nervios 24 que unen respectivamente dos de
los haces de conductores 20. Según esto, de modo correspondiente a
la representación en esta figura, en cada ranura están introducidos
dos devanados. Para una vista más sencilla, los haces de conductores
individuales están numerados de abajo a arriba con números 1 - 4.
Para diferenciar las fases individuales del sistema de seis fases
aquí representado, éstas están indicadas por debajo de la ranura con
los símbolos de referencia P1 - P6.
En la figura se puede reconocer fácilmente que
los haces de conductores 1 y 2 conforman en todo momento el primer
devanado, mientras que los haces de conductores 3 y 4 conforman en
todo momento el segundo devanado, que está introducido en la ranura
12 correspondiente.
En la Figura 3a, comenzando con la observación a
la izquierda, están representadas las fases P1 - P6 una junto a otra
en orden ascendente, y la secuencia de los haces de conductores está
indicada por medio de los símbolos de referencia 4, 3, 2, 1. Después
de la ranura 12 con la fase P6 se vuelve a repetir esta secuencia de
fases empezando de nuevo con P1. En la segunda ranura 12
representada en esta figura con la fase P5 se modifica ahora el
orden de los haces de conductores 20. El primer devanado dispuesto
abajo en la ranura 12 sigue estando formado, ciertamente, por los
haces de conductores 1 y 2, si bien éstos están intercambiados en su
orden. Del mismo modo, el segundo devanado sigue estando formado por
los haces de conductores 20 designados con los números 3 y 4, si
bien éstos están intercambiados en su orden, igualmente. La fase P6
dispuesta junto a ellos vuelve a presentar la secuencia ya conocida
de los haces de conductores.
En la parte derecha de esta Figura se vuelven a
representar las fases P1 - P6. Adicionalmente a la inversión de los
haces de conductores 20 designados con 1 y 2 o bien con 3 y 4 de la
fase P5, en este caso, los haces de conductores de la fase P3 están
representados intercambiados, asimismo. Evidentemente, los haces de
conductores 20 designados con 1 y 2 conforman el primer devanado, y
los haces de conductores 20 designados con 3 y 4 conforman el
segundo devanado de esta fase, si bien en el interior del devanado
está intercambiada de nuevo la posición de los haces de
conductores.
La razón para esta inversión se puede reconocer
cuando se pone de manifiesto que las líneas de campo magnéticas no
sólo se extienden en la dirección longitudinal de los lados 26 que
limitan lateralmente las ranuras 12, sino también a través de las
ranuras entre dos lados 26 con diferente polaridad. Gracias a ello
se produce un efecto Kelvin en los haces de conductores 20
individuales dependiendo de su posición en la ranura 12.
En caso de que se intercambie ahora la posición
de los haces de conductores en distancias determinadas, los dos
haces de conductores 20 de un devanado son sometidos
correspondientemente de modo alternativo a este efecto, de manera
que eligiendo de un modo adecuado la posición de intercambio y la
frecuencia, los dos haces de conductores 20 de una fase están
sometidos a este efecto aproximadamente de un modo uniforme, de
manera que no fluyen las corrientes de compensación significativas
que resultan de una solicitación no uniforme, y con ello se puede
entregar la máxima corriente posible por parte del generador.
La Figura 3b muestra, así pues, la representación
de las ranuras del estator con devanados de estator o conductores
del estator introducidos en su interior, pudiéndose reconocer que
las ranuras del estator están rellenadas en su mayor parte con los
devanados, y pudiéndose reconocer también la dirección de flujo de
corriente en los conductores (punta de la flecha, cruz de la
flecha). Adicionalmente, la disposición de las fases está modificada
respecto a la Figura 3a, para poner también de manifiesto el cambio
en el sentido de arrollado. Sin embargo, la representación según la
Figura 3b también pone de manifiesto que más del 80%,
preferentemente más del 95%, del espacio total de la ranura del
estator está rellenado con devanados, y con ello la proporción de
aire en la ranura del estator es extraordinariamente reducida.
La Figura 3c muestra una parte de un devanado
fabricado de modo convencional, si bien sin la representación del
estator y de las ranuras en las que está introducido el devanado. El
devanado está formado en este caso a partir de bobinas moldeadas 40,
que presentan dos espiras. Estas espiras 41, 42 están representada
desplazadas entre sí para poder ser reconocidas más fácilmente. En
la ranura (no representada en esta figura), éstas están dispuestas,
evidentemente, exactamente una sobre otra.
Están representadas tres bobinas moldeadas 40 de
una fase. La distancia se deriva del hecho de que entre las bobinas
moldeadas de esta fase están dispuestas de modo alternativo bobinas
moldeadas del resto de fases del estator, si bien no están
representadas en la figura. La unión de las bobinas moldeadas 40 de
una fase entre sí se puede llevar a cabo por medio de uniones
soldadas o bien por medio de uniones
atornilladas-apretadas u otras técnicas
similares.
Estas uniones representadas en la Fig. 3c son
fuentes potenciales de averías.
La Figura 3d muestra la realización conforme a la
invención de una fase arrollada de modo pasante. También en este
caso está representada de nuevo una parte del devanado de una fase
de modo correspondiente a la representación de la Fig. 3b. En este
caso, las espiras 41, 42 individuales están representadas asimismo
desplazadas entre sí para poner de manifiesto el tipo de
realización.
En esta forma de realización se puede reconocer
rápidamente que las transiciones representadas como fuentes
potenciales de averías en la Fig. 3b están eliminadas en esta
invención. De este modo ya no se puede producir una interrupción en
las transiciones entre las secciones de devanado individuales.
La Figura 4 muestra un dispositivo portante 30
para los haces de conductores usados como hilos para devanado en la
vista lateral. Un armazón de base 31 en forma de "L" ocasiona
una posición segura de todo el dispositivo 30 portante. Una placa
portante 32 está unida por medio de un cojinete de pivote 33 con el
armazón de base 31. En la placa portante 32 están fijados brazos
portantes 34 que recorren desde el centro de la placa portante 32
una sección prefijada hacia la periferia de la placa portante 32, y
se extienden una longitud prefijada fundamentalmente de modo
horizontal desde la placa portante 32.
En estas secciones que se extienden de modo
horizontal de los brazos portantes 34 están fijados de modo
giratorio tambores 36 con los haces de conductores usados como hilo
de devanado.
Entre la sección vertical que se extiende
paralela a la placa portante 32 del brazo portante 34 y su sección
que se extiende horizontalmente está previsto un cojinete de pivote
(no representado). Este cojinete de pivote actúa conjuntamente con
un accionamiento 35, y permite un giro de la sección horizontal del
brazo portante 34 alrededor de su eje longitudinal conjuntamente con
los tambores 36 dispuestos en él. Gracias a ello se puede actuar
contra una torsión que se genera al arrollar el devanado del estator
entre los haces de conductores de este devanado.
La figura 5 muestra una vista frontal de este
dispositivo portante 30. Aquí se representa un armazón de base 31
que se estrecha desde la base hacia la punta. Para incrementar la
estabilidad están previstos dos travesaños 38 y 39.
En el armazón de base 31, la placa portante 32
está dispuesta de modo giratorio, en la placa portante 32 están
dispuestos respectivamente tres brazos portantes 34 desplazados
respectivamente un mismo ángulo (120º), en cuyos brazos de extensión
que se extienden fundamentalmente de modo horizontal están fijados
respectivamente dos tambores 36 para los haces de conductores. Por
medio del alojamiento giratorio de la placa portante 32 y de los
tambores 36 unidos de modo fijo con él por medio de los brazos
portantes 34 se puede girar por medio de un segundo motor
37.
37.
Al fabricar el devanado en el estator 10 se
introduce cada haz de conductores 20 en una ranura 12, se dobla en
el extremo de la ranura 12 en la cabeza del devanado, y se guía
hasta una ranura 12 nueva que se extiende de modo paralelo en la
cabeza de devanado. A continuación se vuelve a doblar el haz de
conductores 20 de tal manera que se puede introducir en esta ranura
12. En la salida de la ranura 12 se vuelve a doblar el haz de
conductores 20 en la cabeza de devanado de tal manera que puede ser
guiado a la siguiente ranura 12. Gracias a ello también se produce,
evidentemente, en el haz de conductores 20 que se extiende hacia el
tambor 36, una torsión correspondiente.
Los tambores 36 están dispuestos por parejas en
las secciones horizontales de los brazos portantes 34. Puesto que
estas secciones horizontales se pueden girar por medio de
accionamiento 35 alrededor de su eje longitudinal, los tambores 36
giran de modo solidario. De esta manera se puede actuar contra una
torsión del haz de conductores por medio del giro del brazo portante
34 correspondiente.
Un segundo accionamiento 37 está dispuesto entre
el armazón de base 31 y la placa portante 32, y permite una rotación
de la placa portante 32 con todos los brazos portantes 34 y los
tambores 36 dispuestos sobre ella, para llevar a cabo asimismo la
rotación del estator 10 en el dispositivo se sujeción del estator
14, y de este modo evitar una torsión de los haces de
conductores.
La Figura 6 muestra de un modo simplificado y sin
haces de hilos entre los dispositivos portantes 30 y el estator 10
la disposición de dos dispositivos portantes 30 y un estator 10 que
se ha de arrollar. El estator 10 está alojado en un dispositivo de
sujeción 14, y se puede girar en la dirección del contorno
(dirección de la flecha). Puesto que cada uno de los dispositivos
portantes 30 presenta asimismo tambores 36 alojados de modo
giratorio, estos pueden realizar el giro del estator con éste por
medio de un giro correspondiente, o lo pueden seguir. Así pues, por
medio de una preparación de dos dispositivos portantes 30 con tres
parejas de tambores cada uno de ellos se pueden arrollar al mismo
tiempo seis fases en un estator.
Es obvio que la presente invención no sólo se
puede usar en generadores anulares para instalaciones de energía
eólica, sino fundamentalmente en cualquier máquina síncrona,
teniendo que dejar claro que en este caso no se trata de máquinas
pequeñas, sino de máquinas que disponen de una envergadura
considerable y que tienen potencias conectadas regularmente de
varios 100 kW y más bajo ciertas circunstancias. Para un generador
anular de una instalación de energía eólica es típica, por ejemplo,
una potencia nominal de más de 500 kW, y ya se están probando
también generadores con una potencia nominal de más de 4 MW, y se
emplearán en el futuro. Sólo el estator de la máquina síncrona
descrita pesa varias toneladas; en el caso de generadores anulares
de más de 4 MW, bajo ciertas circunstancias pesa más de 50
toneladas.
Claims (19)
1. Instalación de energía eólica con un generador
síncrono o generador anular, que presenta un estator (10), en el que
en el contorno interior o exterior están conformadas ranuras (12)
distanciadas entre sí para el alojamiento de un devanado de estator,
caracterizada porque el generador dispone de una potencia de
más de 100 kW, y en el interior de una ranura están dispuestos al
menos dos conductores uno sobre otro, y el devanado está arrollado
de modo pasante sin interrupción.
2. Instalación de energía eólica según la
reivindicación 1, caracterizada por medio de un estator (10)
con al menos dos devanados de fase arrollados de modo pasante,
preferentemente devanados de seis fases.
3. Instalación de energía eólica según una de las
reivindicaciones precedentes, en la que en el interior de una ranura
están dispuestos únicamente devanados de una fase.
4. Instalación de energía eólica según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque están
dispuestos devanados de ranuras contiguos de diferentes fases.
5. Instalación de energía eólica según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
devanado de una fase está formado por al menos un haz de
conductores, preferentemente por al menos dos haces de conductores,
estando formado un haz de conductores por una pluralidad de
conductores aislados entre sí.
6. Instalación de energía eólica según la
reivindicación 5, caracterizada porque en una ranura están
dispuestos al menos dos haces de conductores uno sobre otro.
7. Instalación de energía eólica según la
reivindicación 6, caracterizada porque en las ranuras en las
que están dispuestos varios haces de conductores, las capas de los
haces de conductores superiores e inferiores están intercambiadas en
un orden prefijado.
8. Instalación de energía eólica según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque en cada
ranura están introducidos dos devanados que preferentemente se
corresponden con la misma fase.
9. Dispositivo para la fabricación de un estator
de un generador síncrono de una instalación de energía eólica según
una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por
medio de un dispositivo de alojamiento para el estator, en el que el
estator está dispuesto en su contorno, y en el que el estator se
sujeta verticalmente.
10. Dispositivo según la reivindicación 9,
caracterizado por al menos un accionamiento para el giro del
estator en el dispositivo de alojamiento en su dirección de
contorno.
11. Dispositivo según una de las reivindicaciones
9 ó 10, caracterizado por un dispositivo portante separado
del dispositivo de alojamiento (14) para la sujeción de al menos un
tambor con hilo para devanado.
12. Dispositivo según la reivindicación 11,
caracterizado por una disposición por parejas de varios
tambores, estando las parejas de los tambores dispuestas sobre un
círculo imaginario distanciadas de modo uniforme.
13. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado por un dispositivo portante
dispuesto en cada parte frontal del estator.
14. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado por un número de parejas de
tambores igual al número de fases que tienen que arrollarse en el
estator.
15. Dispositivo según la reivindicación 14,
caracterizado porque cada uno de los dispositivos portantes
lleva respectivamente la mitad de los tambores.
16. Dispositivo según una de las reivindicaciones
precedentes, caracterizado por una placa portante dispuesta
fundamentalmente de modo vertical y por brazos portantes que se
extienden desde el centro de la placa portante hacia el exterior
para el alojamiento de los tambores.
17. Dispositivo según la reivindicación 16,
caracterizado por un alojamiento giratorio de la placa
portante.
18. Dispositivo según la reivindicación 17,
caracterizado por un accionamiento para el giro de la placa
portante en la dirección de contorno.
19. Dispositivo según una de las reivindicaciones
16 a 18, caracterizado porque los tambores están dispuestos
en una sección de los brazos portantes (34) que se extiende
fundamentalmente de modo horizontal, y porque la sección que se
extiende de modo horizontal está conformada de modo giratorio
alrededor de su eje longitudinal.
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