ES2358711A1 - Método para parar un aerogenerador en dos etapas. - Google Patents
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Abstract
Método para parar un aerogenerador en dos etapas, teniendo el aerogenerador un control de "paso variable", un rotor con al menos una pala (11), un disco mecánico (31) en el eje de alta velocidad, un sistema de "paso variable" (21, 23, 25) para ajustar el ángulo de paso de la pala, que incluye: a) una primera usando el sistema de "paso variable" (21, 23, 25) para reducir la velocidad rotor; b) una segunda etapa usando tanto el sistema de "paso variable" (21, 23, 25) como el freno mecánico (31) para parar el rotor. La segunda etapa empieza cuando se cumple una de las siguientes condiciones: la velocidad rotacional del eje de alta velocidad está por debajo de un valor predefinido So; el de un tiempo To predefinido desde el comienzo de la primera etapa; se alcanza un nivel predefinido Tlo del par motor en el eje de alta velocidad.
Description
Método para parar un aerogenerador en dos
etapas.
La invención se refiere a un método para parar
un aerogenerador y más en particular a un método para parar un
aerogenerador usando medios de frenado aerodinámicos y
mecánicos.
Los aerogeneradores son dispositivos que
convierten energía mecánica en energía eléctrica. Un aerogenerador
típico incluye una góndola montada sobre una torre que alberga un
tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un
generador eléctrico.
La eficiencia de un aerogenerador depende de
muchos factores. Uno de ellos es la orientación de las palas del
rotor respecto a la dirección de la corriente del viento que es
controlada normalmente por un sistema de regulación de paso que
permite ajustar el ángulo de paso de las palas del rotor para
mantener la velocidad del rotor en un valor constante o dentro de un
rango dado. En otro caso, especialmente con altas velocidades de
viento, la carga del rotor excedería los límites establecidos por la
resistencia estructural del aerogenerador.
Hay dos métodos básicos para controlar la
potencia de un aerogenerador cambiando el ángulo de paso de las
palas del rotor: el método de control de "paso variable" y el
método de control por "pérdida". En el método de control de
"paso variable" el ángulo de paso de las palas del rotor se
cambia hacia un menor ángulo de ataque para reducir la potencia
capturada y hacia un mayor ángulo de ataque para incrementar la
potencia capturada. Este método permite un control preciso y estable
de la potencia aerodinámica capturada y de la velocidad del
rotor.
La parada de un aerogenerador es una de las
operaciones más críticas porque implica grandes cargas para los
componentes del aerogenerador.
En términos generales, en los aerogeneradores
con control de "paso variable", la operación de parada incluye
el paso de girar las palas con el borde de salida apuntando en la
dirección del viento hasta que alcanzan su posición de bandera pero
se conocen métodos de parada muy diferentes como los
siguientes.
EP 1 701 034 A2 describe un método para parar el
rotor de un aerogenerador cuando los ángulos de las palas están en
la posición operacional y la torre está inclinada en la dirección
del viento según el cual los ángulos de las palas del rotor se
ajustan desde la posición operacional a la posición de bandera de
manera que, en un primer paso, los ángulos de las palas se giran a
una primera velocidad angular de manera que el rotor se frene y, en
un segundo paso, se reduce la velocidad angular de manera que
mientras se encuentra en la posición operacional, el rotor actúa
para suavizar el movimiento de péndulo de la torre contra el
viento.
US 2007/0116572 A1 describe un método para
frenar un aerogenerador que incluye el control selectivo del ángulo
de paso de al menos una pala del rotor respecto a la dirección del
viento en función de un parámetro de diseño de un componente del
aerogenerador para facilitar la reducción de la fuerza inducida en
el componente del aerogenerador como resultado del frenado.
La parada de un aerogenerador puede ser llevada
a cabo utilizando diferentes medios específicos de frenado que
pueden ser agrupados en dos categorías: frenos mecánicos y frenos
aerodinámicos tales como frenos neumáticos, flaps en el borde de
ataque o puntas giratorias.
En los aerogeneradores con multiplicadora de
tres etapas, los frenos mecánicos (típicamente frenos de disco) se
colocan normalmente en el eje de alta velocidad porque el par motor
es relativamente bajo en él. Cuando más bajo sea el par motor, menor
será el freno de disco. En aerogeneradores sin multiplicadora o con
multiplicadora de únicamente dos etapas el par motor será más alto y
consecuentemente es necesario que el freno de disco sea más
grande.
Los aerogeneradores modernos necesitan métodos
de parada optimizados y la presente invención está orientada a la
atención de esa demanda.
Un objeto de la invención es proporcionar un
método para parar un aerogenerador con control de "paso
variable" que permita la reducción del tamaño del freno
mecánico.
Este y otros objetos de la presente invención se
consiguen proporcionando un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" que comprende un rotor con al menos
una pala, un disco mecánico en el eje de alta velocidad, un sistema
de "paso variable" para ajustar el ángulo de paso de la pala,
que incluye:
- Una primera etapa usando el sistema de "paso
variable" para reducir la velocidad del rotor.
- Una segunda etapa usando tanto el sistema de
"paso variable" como el freno mecánico para parar el
rotor.
En diferentes realizaciones, la segunda etapa
empieza cuando la velocidad rotacional del eje de alta velocidad
está por debajo de un valor predefinido So, ó cuando transcurre un
tiempo To desde el comienzo de la primera etapa, ó cuando se llega a
un nivel predefinido Tlo del par motor en el eje de alta velocidad.
En todos los casos, se consigue un método que puede ser implementado
con un freno mecánico con un limitado par de frenado.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en
relación con las figuras que se acompañan.
La Figura 1 es un diagrama del bloques del
método de esta invención.
Los aerogenerador modernos con control de
"paso variable" usan estrategias operacionales dirigidas a
evitar todo lo posible paradas que reduzcan la producción de
energía.
En todo caso, las regulaciones administrativas
de muchas jurisdicciones exigen que los aerogeneradores dispongan
de al menos dos sistemas de freno capaces de controlar la velocidad
del rotor por lo que los aerogeneradores modernos disponen, por un
lado, de las funcionalidades de freno aerodinámico del sistema de
control de "paso variable" y, por otro lado, de medios
específico de frenado tales como un freno mecánico de disco
colocado en el eje de alta
velocidad.
velocidad.
Ambos sistemas de frenado pueden ser usados de
muy diferentes maneras en las operaciones de parada de los
aerogeneradores.
El método de parada según una realización
preferente de la presente invención que es particularmente
aplicable a una parada de emergencia se lleva a cabo en dos
etapas:
- En la primera etapa, las palas comienzan a
girar hacia la posición de bandera al iniciarse la operación de
parada. Así pues, en esta etapa solo se usa un freno
aerodinámico.
- En la segunda etapa, las palas continúan
girando hacia la posición de bandera y el freno mecánico se activa
cuando se llega a una velocidad rotacional predefinida, So, en el
eje de alta velocidad. Así pues, en esta etapa se usan tanto un
freno aerodinámico como un freno mecánico.
Dependiendo de la capacidad del freno de disco y
de dicha velocidad rotacional predeterminada, So, del eje de alta
velocidad el tiempo necesario para parar completamente el
aerogenerador variará al igual que el calor generado (que tiene que
ser evacuado) en tal evento (al lado de las tensiones y temperaturas
en el disco). Es particularmente importante tomar en consideración
que si la temperatura es muy alta el efecto de frenado decrece y
entonces la temperatura aumenta aún más, de manera similar a lo que
sucede cuando uno conduce un coche usando los frenos continuamente
en lugar del motor para frenar y al final los frenos llegan a estar
tan calientes que no son capaces de parar el coche.
Una vez que se alcanza dicha velocidad
rotacional predeterminada, So, en un disco típico, el grupo
hidráulico puede necesitar 0.1 segundos para empezar a aplicar
presión y 0.3 segundos más (0.4 segundos en total) para alcanzar el
par de frenado establecido. En caso de un freno de disco activado
eléctricamente o neumáticamente, los tiempos de reacción son
diferentes.
La selección de la velocidad rotacional
predeterminada, So, del eje de alta velocidad en la que el freno
empezará a actuar está sujeta a las dos limitaciones básicas
siguientes:
- No debe ser muy alta (p.ej por encima del 25%
de la velocidad nominal) porque, en otro caso, la duración de la
aplicación del sistema sería muy larga, con el consiguiente
incremento en la temperatura del disco. Al lado de ello, debido a
la baja capacidad del freno mecánico en comparación con el
aerodinámico, la duración del evento completo de freno no se vería
influenciada.
- No debe ser muy baja (p.ej. por debajo del 5%
de la velocidad nominal) porque, en otro caso, se corre el riesgo
de que tal velocidad no se alcanza nunca en el sentido de la que la
mínima velocidad operativa está por encima de ella.
Un valor apropiado para So puede ser, por
ejemplo, el 10-15% de la velocidad nominal.
En otra realización preferida, el disco mecánico
comienza a actuar cuando transcurre un tiempo predefinido, To, desde
el comienzo de la primera etapa.
Cuando se para el aerogenerador, las palas irán
variando su ángulo de paso hacia la posición de bandera y el freno
debe ser aplicado antes de que las palas alcancen esa posición de
manera que pueda pararse completamente el aerogenerador. Con una
velocidad de variación del ángulo de paso de 10 deg/s y un
movimiento del ángulo de paso de 90º, el valor de To puede ser de 8
segundos. Si la acción de variación del ángulo de paso para parar el
aerogenerador se lleva a cabo en varios pasos o con una velocidad
variable de variación del ángulo de paso, el tiempo de parada puede
ser de 30-40 segundos. Así pues, el freno de disco
debe aplicarse después del transcurso de 8-35
segundos dependiendo del método utilizado para llevar el ángulo de
paso a la posición de bandera.
En otra realización preferente, el disco
mecánico comienza a actuar cuando el nivel del par motor en el eje
de alta velocidad alcanza un valor predefinido Tlo. Este nivel del
par motor puede ser medido en el eje o calculado a partir de la
potencia del generador y su velocidad (si el generador se mantiene
conectado durante la parada).
Dicho nivel de par motor Tlo puede ser alcanzado
incrementado el par motor en el generador momentáneamente o incluso
manteniendo simplemente el generador conectado. En el caso de un
generador de imanes permanentes el sistema puede ser
cortocircuitado para alcanzar un par de frenado. Así mismo la
referencia de potencia puede ser fijada por encima de la potencia
nominal durante un corto período, ya que el sistema eléctrico puede
funcionar con alguna potencia extra durante un período corto.
Un valor apropiado para TLo puede ser el 30 del
par nominal.
En otra realización preferente, el disco
mecánico comienza a actuar cuando se cumple la primera de las
siguientes condiciones: ó bien la velocidad rotacional del eje de
alta velocidad está por debajo de un valor predefinido, So, ó bien
ha transcurrido un tiempo predefinido, To, desde el comienzo de la
primera etapa.
En otra realización preferente, el disco
mecánico comienza a actuar cuando se cumple la primera de las
siguientes condiciones: ó bien la velocidad rotacional del eje de
alta velocidad está por debajo de un valor predefinido, So, ó bien
ha transcurrido un tiempo predefinido, To, desde el comienzo de la
primera etapa, ó bien el nivel del par motor en el eje de alta
velocidad alcanza un valor predefinido Tlo.
El método de parada según la presente invención
puede ser implementado usado los medios de control disponibles en
los aerogeneradores conocidos de velocidad variable, como se muestra
en la Figura 1.
Los medios de control del ángulo de paso
comprenden las palas 11, un actuador 23, una transmisión de ajuste
21 y un dispositivo de control 25. El dispositivo de control 25
recibe datos de entrada del generador 13 y/o otros componentes 15,
17 del aerogenerador y envía datos de salida al actuador 23 para
cambiar la posición angular de las palas 11 de acuerdo con una
reglas predeterminadas. El dispositivo de control 25 también está
conectado al freno de disco 31 para ser capaz de comandar su
activación.
En una realización preferente dicho dispositivo
de control 25 es un segundo dispositivo de control que trabajará
con seguridad al fallo en caso de una parada de emergencia causada
por un fallo en el primer dispositivo de control.
De acuerdo con el método de esta invención,
cuando el dispositivo de control 25 recibe la señal correspondiente
a una parada de emergencia envía datos de salida al actuador 23
para cambiar la posición de las palas 11 hacia la posición de
bandera. En una segunda etapa, iniciada cuando el dispositivo de
control 25 detecta que la velocidad rotacional del eje de alta
velocidad está por debajo de un valor predefinido So ó cualquiera
de las otras condiciones mencionadas envía una señal de activación
al freno de disco 31.
El método puede ser diseñado de manera que en
caso de fallo en el dispositivo de control se active
automáticamente la operación de parada.
El freno de disco necesario para llevar a cabo
el método de parada según la presente invención no necesita ser un
freno capaz de llevar la turbina a una posición de parada en
cualquier condición y consecuentemente puede ser un disco más
pequeño permitiendo una reducción de costes. En principio, este
freno puede ser diseñado para trabajar solamente en una parada de
emergencia y en una parada de mantenimiento en la que el conjunto
del aerogenerador debe ser elevado durante un cierto tiempo y hay
necesidad de un sistema redundante con el sistema de bloqueo del
rotor.
Aunque la presente invención se ha descrito
enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente
que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro de su
alcance, no considerando éste como limitado por las anteriores
realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones
siguientes.
Claims (7)
1. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" que comprende un rotor con al menos
una pala (11), un disco mecánico (31) en el eje de alta velocidad,
un sistema de "paso variable" (21, 23, 25) para ajustar el
ángulo de paso de la pala, caracterizado porque incluye:
a) una primera etapa usando el sistema de
"paso variable" (21, 23, 25) para reducir la velocidad del
rotor;
b) una segunda etapa usando tanto el sistema de
"paso variable" (21, 23, 25) como el freno mecánico (31) para
parar el rotor.
2. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" según la reivindicación 1,
caracterizado porque la segunda etapa empieza cuando se
cumple una de las siguientes condiciones:
- la velocidad rotacional del eje de alta
velocidad está por debajo de un valor predefinido So;
- el transcurso de un tiempo To predefinido
desde el comienzo de la primera etapa;
- se alcanza un nivel predefinido Tlo del par
motor en el eje de alta velocidad.
3. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" según la reivindicación 1,
caracterizado porque la segunda etapa empieza cuando se
cumple la primera de las siguientes condiciones:
- la velocidad rotacional del eje de alta
velocidad está por debajo de un valor predefinido So;
- el transcurso de un tiempo To predefinido
desde el comienzo de la primera etapa.
4. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" según la reivindicación 1,
caracterizado porque la segunda etapa empieza cuando se
cumple la primera de las siguientes condiciones:
- la velocidad rotacional del eje de alta
velocidad está por debajo de un valor predefinido So;
- el transcurso de un tiempo To predefinido
desde el comienzo de la primera etapa;
- se alcanza un nivel predefinido Tlo del par
motor en el eje de alta velocidad.
5. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" según cualquiera de las
reivindicaciones 2-4, caracterizado porque
dicho valor predefinido So de la velocidad rotacional del eje de
alta velocidad está comprendido en el rango del 10% al 15% de la
velocidad nominal de rotación.
6. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" según cualquiera de las
reivindicaciones 2-4, caracterizado porque
dicho valor predefinido To del tiempo transcurrido desde el
comienzo de la primera etapa está comprendido entre 8 y 35
segundos.
7. Un método para parar un aerogenerador con
control de "paso variable" según cualquiera de las
reivindicaciones 2 y 4, caracterizado porque dicho valor
predefinido TL del nivel de par motor en eje de alta velocidad es el
30% del par motor nominal.
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