ES2292497T3 - Generador sincrono. - Google Patents

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.

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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.

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.