ES2292497T3 - Generador sincrono. - Google Patents
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Abstract
Generador síncrono (SM) que gira lentamente, especialmente, generador anular para una instalación de energía eólica con: - un rotor, - un estator que circunda el rotor, en el que el rotor presenta, al menos, un arrollamiento de corriente trifásica (U1, V1, W1; U2, V2, W2), y las tensiones (UG) inducidas en el estator en el diagrama temporal de tensión, están configuradas básicamente de forma trapezoidal, caracterizado porque - una unidad de compensación que se compone de condensadores, inductancias y resistencias de amortiguación, que están unidas con el estator para aplicar una corriente (iC) capacitiva en el estator y/o para generar una parte de la potencia de excitación del generador (SM) mediante una corriente capacitiva (iC), en el que la unidad de compensación facilita una potencia de sobreoscilación a un rectificador conectado a continuación del generador (SM).
Description
Generador síncrono.
Las máquinas eléctricas que giran lentamente,
por ejemplo, generadores anulares, como se usan en las instalaciones
de energía eólica de la empresa Enercon de los tipos
E-33, E-40, E-12 y
E-66, requieren mucha potencia de excitación.
Asimismo, la potencia de excitación necesaria aumenta con el número
de polos, con distancia creciente y con la altura de la potencia
reactiva.
Los generadores anulares del tipo mencionado al
principio tienen, por ejemplo 72 u 84 polos. El grado de efectividad
de los generadores accionados directamente para el uso en el ámbito
de la energía eólica debería ser el máximo posible, puesto que, a
ser posible, deben estar en funcionamiento 24 horas al día.
Los generadores anulares que funcionan
lentamente para instalaciones de energía eólica como, por ejemplo,
los del tipo E-66 de la empresa Enercon, funcionan
en el régimen de revoluciones de 10 a 22 rpm. Un generador anular
de este tipo está construido, por ejemplo, con 72 polos (36 pares de
polos) y genera, de este modo, una frecuencia de 6 a 13,2 Hz.
Un generador anular de este tipo se compone de
un rotor, a través de cuyos arrollamientos se genera la potencia de
excitación y un estator que circunda el rotor. La compensación de la
potencia reactiva o una sobrecompensación del estator con
condensadores es muy costosa, puesto que la frecuencia - como se ha
descrito previamente - es muy baja.
La corriente del condensador se calcula, en
general, según la fórmula
i_{c} = c
\cdot
\frac{du}{dt}
Para tensiones sinusoidales (como en el caso de
los generadores conocidos) se obtiene asimismo una corriente de
condensador de
i_{c} = U
\cdot 2 \cdot \pi \cdot f \cdot
C
La corriente de condensador se determina por la
tensión, la capacidad de los condensadores y la frecuencia
adjunta.
Con una frecuencia de generador de, por ejemplo,
6 a 13,2 Hz, lamentablemente sólo se ajusta una pequeña corriente
de condensador respecto a una frecuencia convencional de 50 ó 60 Hz.
Esta corriente de condensador sinusoidal tiene un desplazamiento de
fase de 90º respecto a la corriente efectiva, pero fluye en un rango
de 180º y origina pérdidas de cobre aumentadas en el arrollamiento
del estator.
Del documento DE4218298 se conoce un sistema de
generador excitado permanentemente, en el que un generador síncrono
presenta un campo magnético rotante, que puede regularse mediante un
detector de tensión para registrar la tensión de salida del
generador síncrono excitado permanentemente y un comparador para
comparar la tensión registrada mediante el detector de tensión con
una tensión de referencia que puede ajustarse mediante un mecanismo
de ajuste de tensión.
Del documento US-A5773964 se
conoce una regulación para una máquina de autoluz.
Del propio documento DE19729034A1 se conoce un
generador síncrono que gira lentamente para una instalación de
energía eólica, con un rotor, un estator que circunda el rotor, en
el que el estator presenta, al menos, un arrollamiento de corriente
trifásica y en el que las tensiones inducidas en el estator están
configuradas, básicamente, de forma trapezoidal en el diagrama de
tiempo de tensión.
Del artículo de Kundu P; Tandon A. K.:
"Capacitor self-excited
double-armarture synchronous generator for enhanced
power output", proceedings of IEEE Tencon '98. IEEE Region 10
International Conference on Global Connectivity in Energy,
Computer, Communication and Control, Nueva York, EE.UU., 17 de
diciembre de 1998, volumen 2, páginas 391-397,
XP-000878343 se conoce un generador en el que el
generador presenta un rotor y un estator que circunda el rotor, y
el estator presenta un arrollamiento de corriente trifásica, que
aplica una corriente capacitaria.
Del artículo de Mohamadein A.L; Yousef H.A;
Dessouky Y.G: "Series-connected
self-excited synchronous generator: Steady state
and transient behaviours", IEEE Trans. on Energy Conversion, IEEE
Inc., Nueva York, EE.UU., diciembre de 1998, tomo 14, núm. 4,
páginas 1108-1114, XP-000931931 se
conoce un generador síncrono autoexcitado en el que los
arrollamientos del estator y del rotor están conectados en serie
mediante condensadores de excitación.
El objetivo de la presente invención consiste en
mejorar el grado de efectividad de generadores accionados
directamente del tipo descrito anteriormente y evitar las
desventajas descritas anteriormente.
\newpage
Para alcanzar el objetivo planteado, según la
invención, se propone un generador síncrono que gira lentamente con
las características de la reivindicación 1. Variantes ventajosas se
describen en las reivindicaciones subordinadas.
La invención se basas en la premisa tecnológica,
que aplica un parte de la potencia de excitación del
genera-
dor - no como hasta ahora - sólo del rotor (o de su arrollamiento), sino también del generador o de su arrollamiento de corriente trifásica.
dor - no como hasta ahora - sólo del rotor (o de su arrollamiento), sino también del generador o de su arrollamiento de corriente trifásica.
Preferentemente, el estator se excita con una
corriente capacitiva.
La tensión inducida en el estator no está
configurada de forma sinusoidal, sino en forma de un trapecio (fig.
3). La corriente de condensador capacitiva fluye, en caso de
tensión trapezoidal, sólo durante el flanco positivo o negativo de
la tensión según la fórmula
i_{c} = c
\cdot
\frac{du}{dt}
Los impulsos de corriente que se generan, tienen
una frecuencia de aprox. 100 a 180, preferentemente, 130 Hz. Con
ello, se obtiene una amplitud de corriente, que es aprox. superior
en el factor 10, que en el caso de una tensión sinusoidal.
Otra ventaja importante del generador según la
invención es también que la corriente capacitiva fluye al principio
de toda la semioscilación. Esto significa que la corriente
capacitiva corresponde al 100% de la corriente de excitación, que
puede reducirse conforme al rotor. Además, esta corriente carga el
arrollamiento del estator sólo cuando ninguna corriente de carga
grande carga el arrollamiento (fig. 4).
De forma conveniente se propone configurar el
estator del generador con (al menos) dos arrollamientos de corriente
trifásica, que se componen, a su vez, de un arrollamiento de tres
fases. Asimismo, los arrollamientos de corriente trifásica están
desplazados en un ángulo de fase de 30º (fig. 5).
En el caso de esta disposición tras 30º empieza
la siguiente fase con una nueva oscilación. La fig. 6 representa
este contexto en 360º.
La fig. 7 muestra sobre el eje temporal las
corrientes de excitación capacitiva en el estator de los dos
sistemas de corriente trifásica. Se reconoce que cada 30º
eléctricamente se suministra un nuevo impulso de corriente desde
los condensadores (véase la fig. 5). Este filtro está diseñado de
forma que suministra las puntas de corriente capacitivas para el
estator del generador, además de las corrientes requeridas por las
sobreoscilaciones que requiere el rectificador de corriente.
Las ventajas de la solución según la invención
también pueden mostrarse mediante comparaciones con los generadores
actuales, en los que la potencia de excitación se genera sólo
mediante el rotor. En la solución actual de la generación de la
potencia de excitación mediante el rotor resulta sólo en aprox. un
20% de pérdidas de inducción. Esto significa, según la fórmula P =
i^{2} \cdot R(100% + 20% = 1,2), pérdidas de 1,2^{2}. A
esta proporción de pérdida no puede renunciarse con los generadores
actuales, porque las zapatas polares no pueden tener una distancia
interminable entre sí y la pérdida del 20% puede generarse a través
de zapatas polares que se encuentran una junto a la otra, y la
pérdida magnética de una zapata polar va directamente a la otra a
través de la holgura entre las zapatas polares.
No obstante, si se genera potencia de excitación
también a través del estator, ya no aparecen pérdidas en esta parte
generada de la potencia de excitación. Esto también significa que la
parte de la potencia de excitación generada a través del estator
asciende hasta el 100% de la potencia. En total, la potencia de
excitación del rotor puede retroceder algo, de forma que la
proporción de pérdida a través de la potencia de excitación del
estator retrocede debido a su libertad de pérdida. Mediante el
retroceso de la potencia de excitación del rotor, se reduce no
obstante también la inductancia de dispersión, de forma que el 20%
de la proporción de pérdida, que hasta ahora se generaba, se reduce
de nuevo.
La fig. 8 muestra un diagrama de bloque de una
instalación de energía eólica con una máquina síncrona y un
ondulador conectado a continuación.
La fig. 9 muestra un esquema de diagrama de
bloque de una instalación de energía eólica según la invención, en
el que una red de capacidad está conectada en la conexión de punto
neutro a los arrollamientos de un sistema de corriente trifásica
sencillo.
Otra ventaja de la solución según la invención
también se desprende de la fig. 14. La fig. 14 muestra la corriente
de excitación necesaria mediante la potencia entregada del
generador. La curva superior muestra la necesidad de excitación sin
filtro. La curva inferior con aprox. 20% de corriente de excitación
reducida muestra el funcionamiento con la solución según la
invención.
Una reducción de la corriente de excitación en
aprox. 20% genera una potencia de excitación menor en aprox. 36% en
la rueda polar. Esto representa una gran reducción de la potencia de
pérdida de la rueda polar. De este modo, es posible aumentar la
potencia del generador. Ya que con generadores con revoluciones
nominales de aprox. 20 rpm las revoluciones y, de este modo, la
d\varphi/dt o la inducción B en la holgura determinan,
principalmente, la dimensión. De este modo, la potencia nominal de
los generadores actuales, como en el caso de instalaciones de
energía eólica del tipo E-66 de la empresa Enercon
(potencia nominal 1,5 MW) se incrementa a 1.800 kW.
La fig. 1 muestra un generador (máquina síncrona
SM) con un sistema de corriente trifásica de tres fases, al que
está conectado un rectificador. Al sistema de conductor de tres
fases esta conectada una red de capacidad, que se compone de tres
capacidades en conexión triangular. La tensión U_{G} se encuentra
entre los conductores individuales del arrollamiento de corriente
trifásica. Con una tensión de conductor sinusoidal se genera una
corriente sinusoidal i_{C} desplazada, como se representa en la
fig. 2.
La fig. 3 muestra la corriente de condensador
con una tensión trapezoidal. La fig. 4 muestra el curso de la
corriente de condensador i_{C}, así como el curso de la corriente
de carga i_{L} en el diagrama temporal de corriente.
La fig. 5 muestra la estructura de un generador
síncrono (generador anular), que se compone de, al menos, dos
sistemas de corriente trifásica, en el que cada sistema de corriente
trifásica dispone de tres arrollamientos de corriente trifásica.
Ambos sistemas de corriente trifásica están desplazados al menos,
aprox. 30º entre sí. Esto se muestra mediante las figuras 10 y 11.
La fig. 10 muestra en sección un extracto parcial de un generador
síncrono que gira lentamente según la invención. Asimismo, el rotor
rota dentro del estator.
Además, véase también la fig. 11- dos
arrollamientos de corriente trifásica independientes U_{1},
V_{1}, W_{1}, así como U_{2}, V_{2}, W_{2} están
configurados en el estator. La potencia del generador se divide en
ambos arrollamientos de corriente trifásica (sistemas de corriente
trifásica, de forma que cada sistema de corriente trifásica tiene
que asumir sólo el 50% de la potencia nominal. Ambos sistemas de
corriente trifásica están desplazados en un ángulo eléctrico de 30º
y, de este modo, aislados entre sí eléctrica y mecánicamente
(espacialmente). De este modo, la reactancia X_{D} está aprox.
doblada y, con ello, dividida a la mitad la corriente de
cortocircuito. Esto tiene la ventaja de que, en caso de un posible
cortocircuito en un sistema de corriente trifásica sólo puede
aparecer la mitad de la potencia de cortocircuito. De este modo, es
posible una reducción del par de cortocircuito máximo (cortocircuito
de dos fases, por ejemplo, entre U_{1} y V_{1}) en un 50%
respecto a una disposición de sistema del estado de la técnica.
La fig. 11 muestra en una visión general
sencilla la disposición de las fases individuales de los distintos
sistemas de corriente trifásica mediante una zona de estator
mayor.
La fig. 12 muestra la representación del flujo
magnético en el generador según la invención (rotor -> estator).
Al mismo tiempo, el flujo magnético discurre en el camino directo
desde la cabeza de polo del rotor al estator, de forma regular entre
las ranuras.
La fig. 13 muestra la sección de una góndola de
instalaciones de energía eólica según la invención con un generador
síncrono según la invención. Al mismo tiempo, en el rotor de la
instalación de energía eólica está abridado el rotor del generador
y los rotores están alojados en un muñón del eje. El rotor está
unido sin engranaje y sin árbol directamente con el rotor del
generador del generador síncrono. El rotor del generador se
encuentra dentro del estator del generador, que está abridado
directamente en el muñón del eje. El muñón del eje, como toda la
cuerda de accionamiento alojada junto al generador, se sostiene por
un soporte de máquina.
Mediante la configuración de dos arrollamientos
de corriente trifásica del generador están configurados medios, que
limitan el par de cortocircuito, que aparece en el caso de un
cortocircuito en un arrollamiento del estator, constantemente al
cuádruple máximo del par nominal, preferentemente al doble del par
de giro nominal. El par de de cortocircuito puede ser
constantemente menor que el doble del par nominal. También es
posible configurar el rotor sin una caja de amortiguación o sin un
arrollamiento amortiguador.
Claims (6)
1. Generador síncrono (SM) que gira lentamente,
especialmente, generador anular para una instalación de energía
eólica con:
- -
- un rotor,
- -
- un estator que circunda el rotor, en el que el rotor presenta, al menos, un arrollamiento de corriente trifásica (U_{1}, V_{1}, W_{1}; U_{2}, V_{2}, W_{2}), y las tensiones (U_{G}) inducidas en el estator en el diagrama temporal de tensión, están configuradas básicamente de forma trapezoidal,
- caracterizado porque
- -
- una unidad de compensación que se compone de condensadores, inductancias y resistencias de amortiguación, que están unidas con el estator para aplicar una corriente (i_{C}) capacitiva en el estator y/o para generar una parte de la potencia de excitación del generador (SM) mediante una corriente capacitiva (i_{C}),
en el que la unidad de compensación
facilita una potencia de sobreoscilación a un rectificador conectado
a continuación del generador
(SM).
2. Generador síncrono según la reivindicación 1,
caracterizado porque el generador síncrono (SM) es un
generador multifase y porque entre los conductores de fase
individuales del arrollamiento del estator están configurados
medios para reducir la corriente de excitación.
3. Generador síncrono según la reivindicación 2,
caracterizado porque los medios para reducir la corriente de
excitación están configurados mediante condensadores y/o conexiones
de filtro para facilitar una corriente del estator.
4. Generador síncrono según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
arrollamiento del estator se compone de, al menos, dos sistemas de
corriente trifásica (U_{1}, V_{1}, W_{1}; U_{2}, V_{2},
W_{2}), que están desplazados entre sí 30º.
5. Generador síncrono según la reivindicación 1,
caracterizado porque la unidad de compensación facilita una
sexta sobreoscilación de corriente para el estator.
6. Instalación de energía eólica con un
generador síncrono (SM) según una de las reivindicaciones
precedentes.
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