ES2593317T3 - Procedimiento y dispositivo para la determinación indirecta de los parámetros dinámicos de una instalación eólica o hidráulica - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para la determinación indirecta de los parámetros dinámicos de una instalación eólica o hidráulica Download PDF

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Abstract

Dispositivo para la determinacion indirecta de parametros dinamicos de una instalacion (01) eolica o hidraulica que comprende un arbol (05) de rotor, al menos dos sensores (06) de medida directa o indirectamente anexos al arbol (05) de rotor y que giran con el arbol (05) de rotor y una unidad 5 (12) de calculo, caracterizado por que los sensores (06) de medida estan dispuestos con simetria de giro respecto al eje del arbol (05) de rotor y captan respectivamente al menos dos componentes de una magnitud vectorial F original de fuerza y/o aceleracion en un sistema de coordenadas de medida que gira con el eje del arbol (05) de rotor, y por 10 que los sensores (06) de medida para el intercambio de datos estan conectados con la unidad (12) de calculo, en donde la unidad (12) de calculo calcula al menos uno de los siguientes parametros dinamicos: aceleracion angular α, velocidad de rotacion ω y angulo de rotacion φ del arbol (05) de rotor a partir de las magnitudes vectoriales F originales medidas.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para la determinacion indirecta de los parametros dinamicos de una instalacion eolica o hidraulica
La presente invention se refiere a un dispositivo para la determinacion indirecta de los parametros dinamicos de una instalacion eolica o hidraulica segun la reivindicacion 1, que comprende un arbol de rotor, al menos dos sensores de medida, directa o indirectamente anexos al arbol de rotor y que rotan con este, y una unidad de calculo.
La invencion se refiere ademas a un procedimiento para la determinacion indirecta de parametros dinamicos de una instalacion eolica o hidraulica con arbol de rotor segun la reivindicacion 16.
Para el funcionamiento de instalaciones eolicas, la velocidad del rotor es una magnitud de extraordinaria importancia. La velocidad de rotation correcta es igual de relevante para el ajuste del punto de trabajo de maxima eficacia o rendimiento optimo que el control de la velocidad de rotacion maxima a partir de la cual se pueden producir danos mecanicos en el rotor.
En las instalaciones eolicas o hidraulicas del estado de la tecnica, para determinar la velocidad de rotacion se emplean codificadores rotatorios relativos, que miden la velocidad de rotacion de forma directa o bien estan acoplados al arbol del rotor mediante un engranaje. A menudo, la velocidad de rotacion se mide de forma redundante; es decir, se emplean al menos dos codificadores rotatorios relativos que se vigilan mutuamente, de manera que el servicio puede continuar en caso de que falle uno de los codificadores. En muchos casos, dichos codificadores redundantes no son equivalentes. Por ejemplo, con frecuencia se emplea un codificador de alto valor con una resolution comparativamente alta, el cual puede emplearse tambien para la operation del generador. Como codificador redundante resulta indicado entonces un conteo de impulsos sencillo de los dientes de mecanismos de transmision o tornillos con iniciadores. Sin embargo, el contador de impulsos no proporciona information referente al angulo de rotacion del eje de rotor, y en muchos casos es demasiado impreciso para determinar de manera exacta la aceleracion angular.
A partir de los parametros dinamicos de velocidad de rotacion, aceleracion del rotor y angulo del rotor se pueden deducir parametros especificos de la instalacion eolica o hidraulica, los cuales permiten obtener informacion correspondiente a la carga mecanica, la energia electrica extraible, el angulo optimo de orientation del rotor o de las palas del rotor y otros parametros. En el campo del seguimiento del rotor en instalaciones eolicas se han planteado propuestas (por ejemplo, en las descripciones de los documentos DE 197 39 162 A1 y DE 197 39 164 A1) para variar el angulo de calado de las palas del rotor con el fin de facilitar la accion del dispositivo de regulacion para el seguimiento de la gondola del rotor en funcion del angulo del rotor, de modo que se puede efectuar con ello un giro de la gondola con una carga mecanica baja y/o se pueden reducir los momentos de guinada y de cabeceo sobre el bastidor. No obstante, para estos nuevos procedimientos de regulation es necesario determinar con precision el angulo de rotacion del rotor. En este contexto, el contador de impulsos al que se ha hecho referencia anteriormente en la presente memoria tiene la gran desventaja de que, debido al bajo numero de impulsos, la velocidad de rotacion solo puede determinarse con tiempos muertos relativamente altos. Solo es posible obtener informacion adicional sobre la velocidad de rotacion con la llegada de un nuevo flanco de la rueda dentada. Ademas, resulta dificil determinar el angulo de rotacion del rotor y, en particular, el exceso de velocidad de rotacion se detecta con retraso, ya que no es posible captar una aceleracion angular con rapidez.
Otra desventaja de los codificadores rotatorios del estado de la tecnica es que generalmente estan alojados en la parte estacionaria de la gondola de la instalacion eolica o hidraulica. Para gestionar el funcionamiento y para controlar el generador tambien son necesarios los parametros medidos en la parte en rotacion de la gondola, por ejemplo, para el sistema de regulacion del calado de las palas. En caso de exceso de velocidad de rotacion, el dispositivo de calculo para la gestion del funcionamiento lleva a cabo una marcha de seguridad, en la que se debe dar una orden correspondiente al sistema de control del angulo de calado de las palas a traves de los anillos colectores situados entre la gondola y el arbol. Con ello aumentan las posibilidades de error y se producen perdidas innecesarias de tiempo debido al complejo enrutamiento de senales, lo cual pone en riesgo la instalacion eolica o hidraulica.
Asimismo, se conoce la utilizacion de un sensor de aceleracion que esta integrado en el buje o en el arbol del rotor. Sin embargo, este tiene el inconveniente de que en las fuerzas de aceleracion medidas por dicho tipo de sensor, la fuerza centrifuga y la fuerza de la gravedad se solapan, por lo que se deben adoptar las correspondientes medidas de filtration, complejas y costosas, para separar las componentes vectoriales individuales de la aceleracion medida. En este caso se producen de nuevo retrasos en el registro de los parametros dinamicos de velocidad de rotacion, aceleracion angular y angulo de rotacion, retrasos que pueden afectar negativamente a las operaciones de control.
Se conocen ademas procedimientos para el registro de parametros dinamicos que, a partir de las senales de aceleracion de un codificador que funciona segun el principio de Ferraris y de un codificador rotatorio relativo sencillo adicional, obtienen una senal correspondiente a la velocidad de rotacion que presenta poco ruido y un tiempo muerto bajo. Debido a la alta calidad que se puede alcanzar, dichos procedimientos se emplean por ejemplo en maquinas herramienta. Los sensores de aceleracion de tipo Ferraris se basan en la induction de corrientes parasitas y miden unicamente la aceleracion relativa entre el material de la corriente parasita y la unidad de detection. Sus
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dimensiones relativamente grandes y la costosa electronica de evaluacion suponen en muchos casos una desventaja. Por ello, dichos procedimientos no se pueden transferir sin mas a instalaciones eolicas o hidraulicas, puesto que los sensores Ferraris solo pueden integrarse en el arbol del rotor con un gran esfuerzo, y en el arbol solamente se dispone de una senal necesaria del codificador de rotacion con una frecuencia de muestreo baja, ya que esta se debe transmitir de la gondola al arbol a traves del sistema de control del funcionamiento.
Partiendo de este estado de la tecnica, es objeto de la presente invencion proponer un dispositivo y un procedimiento para la determinacion indirecta de parametros dinamicos de una instalacion eolica, cuyo objetivo es, con un esfuerzo constructivo relativamente bajo, gran libertad de mantenimiento, gran precision de medida (incluso con bajas velocidades de rotacion), precio bajo, gran robustez y bajo coste, medir parametros dinamicos como, por ejemplo, el angulo de rotacion, la velocidad de rotacion y la aceleracion angular de una instalacion eolica o hidraulica, y superar los mencionados inconvenientes del estado de la tecnica.
Dicho objeto se logra mediante un dispositivo segun la reivindicacion 1 y un procedimiento segun la reivindicacion 16.
Las reivindicaciones dependientes tienen por objeto realizaciones ventajosas de la invencion.
El dispositivo para la determinacion indirecta de parametros dinamicos esta previsto para una instalacion eolica o hidraulica provista de un arbol de rotor, al menos dos sensores de medida que estan dispuestos directa o indirectamente en el arbol de rotor y que rotan con el arbol de rotor, y una unidad de calculo. El dispositivo segun la invencion se caracteriza por el hecho de que los sensores de medida estan dispuestos simetricamente en torno al arbol de rotor y captan respectivamente al menos dos componentes de una magnitud vectorial original fuerza y/o aceleracion en un sistema de coordenadas de medida que gira con el arbol del rotor, y por el hecho de que los sensores de medida para el intercambio de datos estan conectados con la unidad de calculo, en donde la unidad de calculo calcula al menos uno de los siguientes parametros dinamicos: aceleracion angular, velocidad de rotacion y angulo de rotacion del arbol de rotor a partir de las magnitudes vectoriales originales medidas. Por lo tanto, el dispositivo segun la invencion comprende al menos dos sensores de medida directa o indirectamente anexos al arbol de rotor. Los sensores de medida pueden estar por lo tanto conectados de forma directa, es decir, alojados directamente en el arbol del rotor o anexos a este, o de forma indirecta, es decir, mediante un componente que gira con el arbol del rotor como, por ejemplo, el ala del rotor, en conexion con el arbol del rotor, de modo que giran con este. La simetria se refiere a una simetria del punto de gravedad geometrico, de modo que el punto de gravedad de la disposition de sensores coincide con el eje del arbol del rotor. Esto significa que el centro de gravedad geometrico de los sensores de medida coincide con el eje del arbol del rotor, que los sensores de medida tienen la misma separation radial con respecto al eje del rotor, y que cada sensor de medida presenta identicas separaciones angulares desde el eje del rotor hasta los respectivos sensores de medida adyacentes.
La simetria anteriormente caracterizada de los sensores de medida desempena un papel esencial, tal como se describe a continuation. Las fuerzas y/o aceleraciones medidas por los sensores constan de diversas componentes: la fuerza correspondiente al peso (fuerza de gravedad), la fuerza centrifuga y la fuerza de aceleracion del rotor. Para evaluar las fuerzas dinamicas, debe ser posible separar estas tres componentes de la fuerza. Esto se facilita con una disposicion simetrica, puesto que solo en una disposicion simetrica coinciden las fuerzas centrifugas vectoriales y las fuerzas de aceleracion del rotor de tal modo que se anulan entre si cuando se suman adecuadamente. Dicha disposicion posibilita, por lo tanto, la extraction de la fuerza de gravedad de las otras dos componentes de fuerza, de modo que, debido a la mencionada geometria y al conocimiento de la posicion relativa de cada uno de los sensores de medida, es posible deducir los parametros dinamicos deseados a partir de las fuerzas resultantes mediante un procedimiento adecuado. Es posible, ademas, tener en cuenta y calcular determinadas disimetrias, como las que aparecen como tolerancias de construction en la disposicion de los sensores, en forma de errores de medida sistematicos en la determinacion de los parametros dinamicos.
Dado que el dispositivo de la presente invencion solo mide parametros indirectos como aceleracion o fuerzas, este no esta sometido a ningun desgaste mecanico significativo (como es el caso, por ejemplo, de codificadores rotatorios relativos mecanicos), requiere poco mantenimiento y puede llevar a cabo la medicion de las fuerzas dinamicas con una gran precision. Por otro lado, los sensores de medida correspondientes se pueden adquirir a precios muy bajos, son conocidos desde hace mucho, por ejemplo, en el sector del automovil, y se pueden alojar en las posiciones deseadas del arbol del rotor, en el buje del rotor, en el sistema de accionamiento de las palas del rotor, o incluso en las palas del rotor. Los sensores de medida se disponen para ello en la parte en rotacion de la instalacion energetica. La unidad de calculo que recibe las senales de los sensores de medida puede estar dispuesta en la parte en rotacion o en la parte estacionaria de la instalacion energetica. Dicha unidad analiza las senales de cada uno de los sensores de medida y, utilizando la simetria de la fuerza de aceleracion y de la fuerza centrifuga, determina los parametros dinamicos. La unidad de calculo puede transmitir informaciones especificas a unidades de control superiores que, haciendo uso de los parametros dinamicos, pueden llevar a cabo un control, por ejemplo, del angulo de calado de las palas del rotor, del sentido de rotacion del eje del rotor, de la carga mecanica del rotor, de la orientation de la gondola y de otros parametros. Debe mencionarse en este punto que el concepto de control comprende tambien una regulation de la instalacion energetica.
En una forma de realization preferida, se preven sensores de medida como sensores de aceleracion. Los sensores de aceleracion se pueden adquirir a precios muy economicos tambien en forma de sensores semiconductores. Es importante que los sensores de aceleracion puedan medir y evaluar fuerzas de aceleracion en al menos dos
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dimensiones, debiendo ser las dimensiones ortogonales al eje de rotacion del arbol del rotor. De forma alternativa a la utilizacion de un sensor de medida multidimensional, se pueden disponer tambien varios sensores medidores unidimensionales en una serie de sensores, de modo que, por ejemplo, un sensor de medida mide principalmente la fuerza centrifuga y otro sensor de medida mide principalmente la fuerza de aceleracion rotacional. Resulta especialmente sencilla en este caso una disposicion en la que las componentes de aceleracion individuales estan dispuestas en posiciones ortogonales entre si para facilitar una sencilla separation de las componentes vectoriales.
En una forma de realization alternativa, los sensores de medida estan dispuestos como sensores de fuerza. Los sensores de fuerza se diferencian de los sensores de aceleracion en que estan conectados a una masa, de modo que se puede realizar una sencilla conversion entre valores de aceleracion y valores de fuerza teniendo en cuenta la masa acelerada. Por lo demas, para la realizacion de dichos sensores tiene validez lo arriba indicado.
En principio, la disposicion preferida de los sensores de medida es en la parte en rotacion de la instalacion energetica. En una forma de realizacion especialmente optima, los sensores de medida estan integrados en el arbol de rotor o anexos a este. De ese modo, los sensores de medida pueden estar dispuestos, por ejemplo, dentro de la gondola en el arbol en rotacion, o anexos al buje. Esto permite acceder facilmente a los sensores de medida, que pueden sustituirse facilmente, por ejemplo, cuando se producen fallos tecnicos.
En otra posible realizacion, los sensores de medida estan integrados en un sistema de regulacion del calado de una pala de rotor, especialmente en un sistema de accionamiento del sistema de regulation del calado. Cada pala de rotor posee su propio sistema de regulacion del calado, que determina la position angular de la pala de rotor con respecto al eje longitudinal de la pala. Puesto que la posicion angular de la pala es un parametro decisivo que se debe controlar en funcion de los parametros dinamicos, resulta evidente integrar los sensores de medida en el sistema de accionamiento del regulador de calado. De este modo se obtiene un numero de sensores de medida especialmente ventajoso. El numero de sensores de medida se corresponde ventajosamente con el numero de palas de rotor, especialmente porque las palas de rotor estan dispuestas de forma simetrica alrededor del eje del rotor.
Es asimismo perfectamente concebible que los sensores de medida esten integrados en las palas de rotor individuales. Esto tiene especialmente la ventaja de que se pueden alojar en una separacion radial con respecto al eje del rotor que se puede determinar previamente. Dado que las dimensiones de las aceleraciones y fuerzas de aceleracion que se generan estan directamente relacionadas con la separacion radial del sensor de medida con respecto al eje del rotor, se pueden alcanzar precisiones de medida muy elevadas disponiendo los sensores de medida en la pala de rotor, especialmente cuando los sensores de medida se disponen en las puntas de las palas de rotor.
Si los sensores de medida se disponen dentro de las palas de rotor individuales, es perfectamente concebible integrar varios sensores de medida en una unica pala de rotor a diferentes distancias respecto al eje del rotor. De ese modo se obtienen varios grupos de sensores de medida dispuestos simetricamente e integrados respectivamente en las palas de rotor con diferentes separaciones radiales respecto al eje del rotor. Esto se puede aprovechar especialmente para utilizar los sensores de medida mas alejados del eje del rotor para determinar los parametros dinamicos cuando las velocidades de rotacion son bajas y para utilizar los sensores de medida situados mas cerca del eje del rotor para velocidades de rotacion mas altas, con el fin de lograr una calidad uniformemente alta de los parametros dinamicos calculados. Ademas, los diferentes valores medidos se pueden combinar entre si de modo que se obtiene en conjunto una mayor precision en la determination de los parametros dinamicos, por ejemplo, para compensar errores de medida sistematicos, o con el fin de lograr una mayor exactitud de resolution de los parametros dinamicos mediante un analisis de errores.
Los sensores de aceleracion estan disponibles como chips integrados, compactos y economicos, pudiendose utilizar, por ejemplo, componentes que ya se emplean en grandes cantidades en el sector del automovil. Dichos sensores estan disponibles en modalidades que pueden detectar las aceleraciones de traslacion en tres ejes ortogonales de forma simultanea, pero tambien se pueden emplear sensores segun la invention que miden menos planos, empleandose en caso necesario un mayor numero de sensores. Con al menos dos sensores capaces de medir respectivamente en dos direcciones, se pueden separar de forma altamente dinamica las fuerzas centrifugas y las fuerzas de aceleracion angular con respecto a la fuerza de gravedad.
De forma tipica, la transmision de las senales de los sensores de medida a la unidad de calculo se lleva a cabo por cable, es decir, se disponen conexiones electricas que transmiten los parametros medidos a la unidad de calculo. En este caso, puede surgir la dificultad de que, si la unidad esta dispuesta en la zona estacionaria de la instalacion energetica, las senales de los sensores de medida en rotacion deben ser transmitidas a traves de anillos colectores o de otros puntos de transmision de senal que comunican electricamente los componentes rotatorios de la instalacion con componentes estacionarios de esta. Para ello, puede ser ventajoso que los sensores de medida transmitan los datos de medicion a la unidad de calculo de forma inalambrica. Para la transmision inalambrica, lo mas sencillo es realizar una conexion por ondas electromagneticas. Sin embargo, tambien se pueden concebir otras tecnicas de transmision como, por ejemplo, tecnicas de transmision por infrarrojos, por ultrasonidos, o similares.
De este modo se garantiza una alta production de datos y una baja tasa de errores de la transmision de senal.
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Para solucionar los problemas anteriormente mencionados en la transmision de senales de la zona en rotacion de la instalacion energetica a la zona estacionaria, puede ser posible de forma ventajosa disponer la unidad de calculo en la zona en rotacion de la instalacion eolica o hidraulica, especialmente en el buje del rotor o anexa a este. Es ventajoso asimismo disponer la unidad de calculo igualmente en la zona en rotacion de la instalacion energetica en el caso de instalaciones en las que el dispositivo segun la invencion influye en la regulacion del calado de las palas. De ese modo, las senales de medida se pueden transmitir directamente desde los sensores de medida en rotacion a la unidad de calculo tambien en rotacion sin que resulte necesario transmitir las senales de la zona en rotacion a la zona estacionaria de la instalacion energetica.
Si la unidad de calculo se aloja en la zona en rotacion de la instalacion, esta se puede disponer en cualquier posicion de dicha zona. Es posible de forma ventajosa integrar la unidad de calculo en un sistema de regulacion del angulo de calado de una pala de rotor, especialmente en un sistema de accionamiento de un sistema de regulacion del angulo de calado. Es ademas concebible disponer no una unica unidad de calculo, sino tantas unidades de calculo como palas de rotor tenga la instalacion, las cuales determinan los parametros dinamicos de forma redundante. De ese modo es concebible un montaje totalmente simetrico de todos los sistemas de regulacion del angulo de calado de las palas, de manera que cada sensor de cada ala del rotor transmite su informacion de forma simetrica a todos los sistemas de regulacion del angulo de calado de las palas de la instalacion electrica. Gracias a la alta simetria del dispositivo se pueden ahorrar, por una parte, costes de montaje y de production y, por otra, se puede reducir adicionalmente la probabilidad de fallos debido a la alta redundancia de las unidades de calculo.
Despues del calculo de los parametros dinamicos, estos se pueden utilizar de forma ventajosa para controlar la instalacion de aprovechamiento de energia. Para ello es posible, de forma ventajosa, conectar la unidad de calculo con al menos una unidad de control superior de la instalacion eolica o hidraulica para el intercambio de datos. La unidad de control superior puede servir para controlar parametros relevantes para el funcionamiento de la instalacion de aprovechamiento de energia. Para la transmision de datos se pueden utilizar a su vez conexiones de datos por cable, asi como conexiones inalambricas de datos en forma de conexiones por radio, conexiones por infrarrojos o similares.
Si los parametros dinamicos calculados por la unidad de calculo se transmiten a una unidad de control superior, es posible de forma ventajosa que la unidad de control superior controle parametros de posicion tales como el angulo de calado de las palas del rotor, la elevation de la gondola o el acimut de la gondola en funcion de los datos de la unidad de calculo. Especialmente en el caso de los aerogeneradores, los parametros mencionados son los parametros que determinan su funcionamiento, puesto que proporcionan la orientation optima del rotor respecto al viento. Dichos tres parametros determinan los grados de libertad fundamentales del rotor y hacen posible un optimo aprovechamiento de la energia eolica. A partir de los parametros dinamicos calculados por la instalacion segun la invencion se logra por lo tanto un optimo aprovechamiento de la energia.
De forma alternativa a y en combination con la variante arriba mencionada de una conexion de la unidad de calculo con una unidad de control superior, la unidad de calculo tambien se puede conectar con al menos un sistema de control del angulo de calado de las palas del rotor para el intercambio de datos. Un parametro fundamental de funcionamiento para determinar el comportamiento dinamico de un aerogenerador es el calado de la pala del rotor. Si se calculan los parametros dinamicos con ayuda de la instalacion segun la invencion, a partir de dichos parametros calculados se puede modificar directamente el ajuste correspondiente al calado de cada pala del rotor. Para ello es posible, de forma ventajosa, que la unidad de calculo este conectada con al menos un sistema de regulacion del calado de las palas, especialmente con todos.
La conexion de la unidad de calculo con el sistema de regulacion del calado de las palas para el intercambio de datos se puede realizar a su vez tanto con cables como de forma inalambrica. En particular, una conexion de datos inalambrica entre la unidad de calculo y la unidad de control superior y/o el sistema de regulacion del calado de las palas tiene la ventaja de que se suprime la conexion electrica entre la parte en rotacion y la parte estacionaria de la instalacion energetica mediante, por ejemplo, anillos colectores. De este modo se obtiene una mayor frecuencia de senal, mayor fiabilidad y menor coste de mantenimiento que con conexiones mecanicas de datos mediante cables que se llevan a cabo principalmente a traves de anillos colectores.
La instalacion segun la invencion utiliza fundamentalmente sensores de fuerza y/o de aceleracion para la medicion indirecta de los parametros dinamicos. Sin embargo, es perfectamente concebible disponer al menos otro sensor de medida dentro de la instalacion, el cual esta conectado con la unidad de calculo y mide los parametros dinamicos de modo directo o indirecto. Este sensor de medida adicional puede ser uno de los sensores de medida mencionados en la description del estado de la tecnica, especialmente un codificador rotatorio relativo o un contador de impulsos optoelectronico. Este sensor de medida adicional sirve, por una parte, para la medicion de referencia (por ejemplo, para la elimination de errores de medida sistematicos y para aumentar la exactitud de medicion) y, por otra parte, para aumentar la seguridad del funcionamiento gracias a la redundancia.
La invencion se refiere ademas a un procedimiento para la determination indirecta de parametros dinamicos de una instalacion eolica o hidraulica con arbol de rotor. En el procedimiento segun la invencion se llevan a cabo las siguientes etapas:
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- Medicion de al menos dos componentes de una magnitud vectorial original de fuerza y/o aceleracion en un sistema de coordenadas de medida local que gira con el eje del rotor mediante dos sensores de medida respectivos dispuestos de forma simetrica alrededor del eje del rotor y que giran con el;
- transmision de los datos de medicion a la unidad de calculo;
- calculo de al menos uno de los siguientes parametros dinamicos: aceleracion angular, velocidad de rotacion y angulo de rotacion del eje del rotor a partir de las magnitudes vectoriales originales por parte de la unidad de calculo.
En otras palabras, en cada uno de los sensores de medida dispuestos simetricamente se fija un sistema de coordenadas de medida local con al menos dos dimensiones en un plano ortogonal respecto al eje del rotor, en el cual se miden las magnitudes vectoriales de fuerza y/o aceleracion. Dichos sistemas de coordenadas de medida locales giran sin cambiar su posicion con respecto a la disposicion del sensor de medida y giran con respecto al rotor, de modo que sus vectores de base varian en posicion y tiempo con el angulo de rotacion del rotor con respecto a un sistema de coordenadas estacionario. Los datos de medicion del sistema de coordenadas de medida captados se transmiten a una unidad de calculo. Dentro de la unidad de calculo se calculan los parametros dinamicos a partir de las magnitudes vectoriales originales teniendo en cuenta la disposicion relativa de los sensores de medida individuales entre si. Se debe recalcar nuevamente que una alta exactitud de la simetria en la disposicion de los sensores de medida es decisiva para la exactitud de los parametros dinamicos a calcular. Solamente mediante una simetria suficientemente alta de la disposicion espacial es posible superponer la fuerza centrifuga y la fuerza de aceleracion angular a partir de las magnitudes vectoriales originales de modo que se compensen mutuamente con una disposicion simetrica de los sensores para poder calcular las fuerzas de peso. Puesto que la direccion del peso es sin embargo conocida desde el principio, mediante dichos componentes fijos se puede determinar la fuerza centrifuga y la de aceleracion y, a partir de estas, extraer los parametros dinamicos mediante multiples posibilidades. Sin embargo, es perfectamente concebible tener en cuenta ciertas disimetrias de la disposicion de los sensores de medida (debidas, por ejemplo, a tolerancias de fabricacion) como errores sistematicos en un procedimiento de correccion.
En una posible variante del procedimiento segun la invencion arriba propuesto, para la medicion de los parametros dinamicos se pueden usar al menos dos grupos de sensores de medida dispuestos simetricamente con diferentes separaciones radiales. Para ello se pueden tener en cuenta las magnitudes vectoriales de cada grupo en el calculo de los parametros dinamicos. Asi por ejemplo, es posible proporcionar varios grupos de sensores de medida con diferentes separaciones radiales respecto al eje del rotor para reducir el ruido de los parametros calculados y mejorar la precision total.
La transmision de los datos de medicion a la unidad de calculo puede tener lugar en principio del modo deseado, y normalmente se realizara mediante conexiones por cable. De forma especialmente ventajosa, en el procedimiento se preve que la transmision de los datos de medicion a la unidad de calculo tenga lugar de forma inalambrica, para garantizar una transmision rapida, sin problemas, sin necesidad de mantenimiento y segura de los datos, especialmente en la transicion de la zona en rotacion a la zona estacionaria de la instalacion energetica.
Ademas, puede ser ventajoso tener en cuenta en el procedimiento segun la invencion el parametro de medida de al menos otro sensor de medida que determina el parametro de medida de forma directa o indirecta. Por ejemplo, un sensor de velocidad de rotacion directo conectado mecanicamente al eje del rotor a traves de un engranaje puede calcular la velocidad de rotacion, por ejemplo, mediante un tacogenerador, un codificador rotatorio relativo, un sensor de efecto Hall o similares. El procedimiento puede utilizar esta informacion de medida adicional para mejorar la exactitud de los parametros calculados de forma indirecta, para eliminar fuentes de errores debidos al sistema o para aprovechar una alta redundancia con el fin de aumentar la seguridad del funcionamiento.
En principio, el procedimiento mediante el cual la unidad de calculo calcula los parametros dinamicos a partir de los parametros calculados fuerza y/o aceleracion de los sensores de medida individuales puede ser un procedimiento cualquiera. Parece especialmente ventajoso sin embargo el siguiente procedimiento:
Se fija a cada sensor un sistema de coordenadas de medida local (r, ^) que gira con el eje del rotor. Dentro de dicho sistema de coordenadas de medida local, las magnitudes vectoriales originales se captan mediante dos componentes de base Fr, Ftp en el sistema de coordenadas de medida local
(r, ^). Se fija, ademas, un sistema de coordenadas de referencia (X', Y) que gira con el eje del rotor, y el calculo de los parametros dinamicos a partir de las magnitudes vectoriales originales comprende las siguientes etapas:
- Representacion de la magnitud vectorial F original de cada sensor de medida mediante al menos dos componentes base medidas Fr, Fp de la magnitud vectorial F en el sistema de coordenadas de medida local (r, ^) en movimiento del sensor de medida;
- transformacion de las componentes base medidas Fr, Fp de los sistemas de coordenadas de medida al sistema de coordenadas de referencia (X', Y);
- suma vectorial de las componentes base transformadas medidas Frx, Fpy' en el sistema de coordenadas de referencia (X’, Y) para calcular los vectores suma Frx, Fpy, que determinan el vector correspondiente al peso Fg
- calculo del vector resultante Fres mediante sustraccion del vector peso Fg a la magnitud vectorial F original medida de cada sensor de medida Fres =F-Fg;
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- representacion del vector resultante Fres mediante las componentes base Fr, Fq del sistema de coordenadas de medida (r, q) de cada sensor de medida;
- extraccion de las componentes radial Frres y tangencial Fqres de la magnitud vectorial original F.
En otras palabras, mediante el procedimiento de medida realizado predominantemente con software que tiene lugar en la unidad de calculo se llevan a cabo las siguientes etapas: Las componentes vectoriales originales de cada sensor de medida se registran en un sistema de coordenadas de medida que gira con el rotor, y que, de forma estacionaria respecto al sensor de medida, registra sus fuerzas medidas. Dado que la posicion relativa de los sensores de medida entre si se conoce a partir del montaje, se introduce un sistema de coordenadas de referencia (X’, Y) especialmente en uno de los sensores de medida, sistema que gira asimismo con este sensor de medida, y los vectores de fuerza medidos del resto de sensores de medida se pasan al sistema de coordenadas de referencia (X, Y) mediante transformation de bases. En este punto, todos los vectores de fuerza medidos se hallan en el sistema de coordenadas de referencia (X, Y), y se pueden representar con ayuda de vectores de unidad de dicho sistema de coordenadas de referencia. Debido a la simetria de los sensores de medida instalados, las componentes de aceleracion y de fuerza centrifuga de las fuerzas individuales de sensores de medida individuales se cancelan entre si. De este modo, una suma de las fuerzas medidas individuales de los sensores de medida dentro del sistema de coordinadas de referencia proporciona un vector fuerza resultante que indica exactamente la direction del peso, correspondiendo su modulo exactamente a n-veces los n sensores de medida. Por lo tanto, se puede calcular la posicion y el modulo del peso para cada uno de los sensores de medida. Para cada uno de los sensores de medida se puede determinar asi un vector resultante Fres, que se puede calcular sustrayendo la fuerza medida del sensor de medida F y la fuerza correspondiente al peso Fg recien medida: Fres =F-Fg. Este vector resultante Fres esta compuesto por dos componentes: la fuerza centrifuga y la fuerza de aceleracion angular. Si, por ejemplo, se escogen habilmente los sistemas de coordenadas de medida de modo que un vector de base del sistema de coordenadas de medida senale en direccion radial r, es decir, en el sentido de la fuerza centrifuga, y un vector de base en direccion tangencial, es decir, en el sentido del vector de la aceleracion angular q, es posible representar el vector fuerza resultante Fres mediante ambos vectores de base del sistema de coordenadas de medida Fr y Fq. De este modo se obtienen para cada sensor de medida dos componentes vectoriales, Fobs y Fqres, que indican la fuerza centrifuga y la aceleracion angular del sensor de medida. En el caso ideal, Fobs y Fqres de cada sensor de medida tienen el mismo modulo.
Si se calculan las componentes de fuerza individuales correspondientes a la fuerza centrifuga y a la de aceleracion, para el calculo final de los parametros dinamicos se pueden seguir los siguientes pasos:
- Calculo del angulo de rotation q con respecto al sistema de coordenadas de referencia (X' Y) mediante la siguiente relation: q=arg(Fy, Fx.);
- calculo de la velocidad de rotacion y de la aceleracion angular a partir de la ley w=dq/df, a=w/df.
Por ejemplo, es posible calcular el angulo de rotacion q a partir de la relacion q=atan(|Fy| |F<0 conforme a la representacion vectorial mostrada en la Fig. 5.
El angulo de rotacion q se obtiene de ese modo mediante la combination de los vectores de fuerzas individuales de cada sensor de medida en el sistema de coordenadas de referencia (X, F). Como ya se ha indicado anteriormente, la fuerza centrifuga y las fuerzas de aceleracion se anulan entre si debido a la simetria. Se obtienen asi las fuerzas compuestas del conjunto de n sensores de medida que corresponden a n veces el peso Fg y cuyo sentido es hacia el centro de la tierra, es decir, una direccion previamente conocida. Las fuerzas individuales de los sensores de medida se pueden representar mediante vectores unitarios del sistema de coordenadas de referencia ex, ey, que se pueden sumar para obtener vectores globales Fx', Fy cuyos angulos respectivos determinan precisamente el angulo de rotacion q. A partir del angulo de rotacion q se obtiene la velocidad de rotacion w mediante diferenciacion en funcion del tiempo del angulo de rotacion q, y la aceleracion angular a mediante diferenciacion en el tiempo de la velocidad de rotacion w. Se puede utilizar cualquier procedimiento para el calculo de la velocidad de rotacion y de la aceleracion angular; puede llevarse a cabo, por ejemplo, mediante diferenciacion numerica de valores discretos en el tiempo.
De forma alternativa y combinable con el procedimiento arriba indicado para el calculo del angulo de rotacion, la velocidad de rotacion y la aceleracion angular, la velocidad de rotacion w tambien se puede determinar directamente a partir de las fuerzas centrifugas mediante la relacion w=V|Fnes|/m ■ r, donde r indica la distancia radial del sensor de medida con respecto al eje del rotor, y m la masa de referencia en que se basa el sensor de medida de fuerzas. Si se determina la velocidad de rotacion a partir de la formula de la fuerza centrifuga, se pueden determinar por ejemplo el angulo de rotacion q integrando la velocidad de rotacion w y la aceleracion angular a diferenciando la velocidad de rotacion w. Tambien en este caso, las operaciones matematicas se pueden realizar del modo que se desee, aunque de forma ventajosa se pueden llevar a cabo con ayuda de procedimientos numericos adecuados, por ejemplo, con valores discretos en el tiempo.
De forma igualmente alternativa o combinable con los procedimientos arriba mencionados para el calculo de los parametros dinamicos, la aceleracion angular a se puede determinar con respecto al sistema de coordenadas de referencia (X', Y) mediante la relacion a=|Fqres|/m ■ r. A partir de la aceleracion angular asi calculada a se pueden calcular la velocidad de rotacion w y el angulo de rotacion q mediante integration. Tambien en este caso se puede utilizar cualquier procedimiento de integracion deseado, siendo especialmente ventajoso sin embargo el uso de integracion numerica de valores muestreados discretos en el tiempo.
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En la parte anterior se han bosquejado tres posibilidades para calcular analfticamente los tres parametros dinamicos <p, w, a, en donde, en cada caso, se calcula de forma directa un parametro dinamico, y los otros dos se pueden calcular mediante integration o diferenciacion. De forma especialmente ventajosa, los tres procedimientos se pueden realizar de forma paralela e independiente entre si y combinarse de forma adecuada para minimizar errores. De ese modo se puede evaluar la calidad de los parametros dinamicos calculados mediante el calculo del vector suma de las componentes tangencial - Fqres y/o radial Frres. Debido a la simetria de las componentes tangencial y radial, que indican la fuerza centrifuga y la aceleracion angular, idealmente estas deberian resultar cero. Un vector resultante que no es igual a cero es indicativo de un error, que puede deberse al propio sistema y se puede eliminar por lo tanto de forma sistematica.
En el marco del procedimiento segun la invention, los parametros dinamicos calculados por la unidad de calculo se pueden transferir ademas, de forma ventajosa, a una unidad de control superior que, a partir de parametros dinamicos, realiza el control de parametros de position tales como el calado de las palas del rotor, la elevation de la gondola y el acimut de la gondola. De este modo, los parametros dinamicos resultan utiles en la instalacion de aprovechamiento de energia como parametros de entrada para la determination directa de parametros base fundamentales para la orientacion del rotor en la corriente de viento o de agua.
De forma alternativa o combinada con la transmision de los parametros dinamicos a una unidad de control superior, los parametros dinamicos individuales se pueden transmitir tambien de forma directa al sistema de regulation del calado de una pala de rotor para modificar el ajuste de calado de la pala del rotor del aerogenerador.
En la parte anterior se ha aludido a distintas pautas de integracion y de diferenciacion, cuyo calculo se puede realizar segun se desee. Sin embargo, las operaciones matematicas necesarias para los calculos, en especial la diferenciacion y/o la integracion, se pueden llevar a cabo de forma especialmente ventajosa mediante un procedimiento numerico iterativo. Para ello resulta ventajoso utilizar valores discretos en el tiempo y emplearlos, por ejemplo mediante procedimientos numericos habituales como el cociente central de diferencias para la diferenciacion o procedimientos de Runge-Kutta o similares en el caso de la integracion numerica para realizar las operaciones matematicas.
Si, por ejemplo, en la instalacion segun la invencion se preve otro sensor de medida para el calculo directo o indirecto de parametros dinamicos, el procedimiento puede utilizar en el marco de la determinacion numerica iterativa de los parametros de medida el parametro de medida del sensor de medicion directa para corregir los parametros dinamicos calculados mediante la medicion indirecta. De este modo se puede garantizar, por una parte, una mayor seguridad frente a fallos debido a la redundancia y, por otra, se puede mejorar la precision de la determinacion de los parametros dinamicos mediante otros sensores de medida. Especialmente, los procedimientos de integracion destacan por sus continuas desviaciones, que se pueden corregir de forma adecuada mediante el parametro de medida del sensor de medida adicional.
Los sensores de medida, que miden fuerzas o aceleraciones, registran sobre todo los cambios de la fuerza y de la aceleracion ocasionados por la rotation del arbol del rotor. Sin embargo, una instalacion eolica o hidraulica esta sometida a otras influencias dinamicas, denominadas en adelante estados dinamicos secundarios, tales como la presion del flujo, rachas de viento o inundaciones. Estos cambios de carga repentinos sobre el rotor de la instalacion energetica dan lugar a oscilaciones, flexiones u otros cambios dinamicos del conjunto de la instalacion energetica, que se reflejan igualmente en los datos de medicion de los sensores de medida. En un posible ejemplo de realization, a partir de los datos de medicion de los sensores de medida se calculan informaciones adicionales sobre el estado dinamico secundario de la instalacion eolica o hidraulica, especialmente comportamientos de oscilaciones, flexiones y similares. Esto se puede conseguir, por ejemplo, mediante analisis de Fourier de los datos de medicion, siendo posibles tambien otras opciones de analisis, para extraer parametros de perturbacion de la serie por lo demas predominantemente armonica de datos de medicion. De ese modo, se pueden analizar a partir de los datos de medicion estados dinamicos secundarios tales como carga de flexion, oscilaciones de la torre de la gondola, etc. Es concebible ademas utilizar dichos datos obtenidos adicionales acerca del estado dinamico secundario para el control del sistema de regulacion del calado de las palas o del conjunto de la instalacion energetica. Para ello, se pueden transferir los datos obtenidos acerca del estado dinamico secundario a una unidad de control superior o a los sistemas de regulacion del calado de las palas.
A continuation, se describe mas detalladamente la invencion a partir de ejemplos unicamente ilustrativos representados en las siguientes figuras:
Fig. 1 Proyeccion esquematica en tres vistas que representa la disposicion de los sensores de medida dentro de un aerogenerador segun una forma de realizacion;
Fig. 2 Representation esquematica de otra posible disposition de sensores de medida segun otra forma de realizacion;
Fig. 3 Representa posibles diagramas de bloques de una forma de realizacion de la instalacion de medicion;
Fig. 4 Representa la posicion de los sistemas de coordenadas de medida, de los sistemas de coordenadas de referencia y de un sistema de coordenadas absoluto de una forma de realizacion;
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Fig. 5 Representa etapas de proceso para la determinacion de los parametros dinamicos a partir de las magnitudes vectoriales segun un ejemplo de realization de la invention;
Fig. 6 Representa la disposition de las fuerzas de medida radiales y tangenciales de una forma de realizacion;
Fig. 7 Representa un diagrama de bloques de un procedimiento numerico para el calculo de los parametros dinamicos de una forma de realizacion.
La Fig. 1 muestra, en una proyeccion esquematica en tres vistas, la disposicion de sensores 06 dentro de un aerogenerador 01. La Fig. 1a muestra una vista en alzado del aerogenerador 01, la Fig. 1b una vista de perfil y la Fig. 1c una vista en planta. El aerogenerador 01 consta de una torre 02, sobre la que esta dispuesta de forma giratoria una gondola 03. Dicha gondola 03 se puede mover, como se representa mediante las flechas de movimiento 09 y 10, tanto en el plano horizontal (acimut de la gondola) como en el plano vertical (elevation de la gondola) para orientar el eje del rotor en la direction del viento. Dentro de la gondola 03 esta alojado el arbol 05 del rotor. El buje del arbol 05 del rotor consta de tres palas 04 de rotor. Es posible modificar el angulo 08 de calado de las palas de rotor, es decir, el angulo de ataque (calado) de la pala de rotor hacia el viento, es decir, con respecto al eje de la pala de rotor. Para ello se definen los tres grados de libertad fundamentales del aerogenerador 01: Calado 08 de la pala del rotor, elevacion 09 de la gondola y acimut 10 de la gondola. En la disposicion representada, los sensores 06 de medida se alojan en la raiz de la pala de rotor, es decir, en el sistema de regulation del calado de la pala. Estos miden la velocidad de rotation del rotor de forma indirecta determinando las fuerzas presentes, compuestas por la fuerza centrifuga, la fuerza de aceleracion y la fuerza de gravedad.
La Fig. 2 muestra un aerogenerador 01, que consta igualmente de una torre 02, una gondola 03, un rotor con eje 05 de rotor y tres palas 04 de rotor. En este caso, los sensores 06 de medida estan dispuestos en las puntas de la pala de rotor, de modo que los sensores 06 de medida pueden captar fuerzas intensas incluso con velocidades de rotacion bajas. Esta disposicion de los sensores de medida 06 con una gran separation radial respecto al eje del arbol 05 de rotor mejora la precision, especialmente para velocidades de rotacion bajas, pero tambien se puede combinar con otra serie de sensores de medida, dispuestos con poca separacion radial respecto al eje de rotor, para calcular, por ejemplo, errores de medida y mejorar la precision de los parametros dinamicos a calcular.
La Fig. 3a y la Fig. 3b muestran diagramas de bloques que representan el montaje fundamental de la instalacion para el calculo de los parametros dinamicos. En la Fig. 3a, la instalacion comprende tres sensores 11 de fuerza que estan conectados con una unidad 12 de calculo mediante conexiones 18 de datos que conectan el sensor de medida con la unidad de calculo. Dentro de la unidad 12 de calculo, a partir de los valores vectoriales de fuerza se determinan los parametros dinamicos velocidad de rotacion, aceleracion angular y angulo de rotacion, y se transfieren mediante una conexion 19 de datos que conecta la unidad de calculo con un sistema 13 de regulacion del angulo de calado de las palas al sistema 13 de regulacion del angulo de calado de las palas, que ajusta el angulo de ataque de la pala de rotor a partir de los parametros dinamicos calculados.
La Fig. 3b muestra otro ejemplo de realizacion de una instalacion que comprende tres sensores 11 de fuerza que comunican los sensores de medida con la unidad 12 de calculo mediante tres conexiones 18 de datos. Ademas, dentro de la instalacion se aloja un sensor 17 de medicion directa que comunica una conexion 24 de datos para la transmision de los parametros determinados directamente (velocidad de rotacion, aceleracion angular o angulo de rotacion) con la unidad 12 de calculo. La unidad 12 de calculo esta conectada a una unidad 16 de control superior mediante una conexion 20 de datos. Dicha unidad 16 de control superior puede ajustar los tres parametros base (acimut de la gondola, elevacion de la gondola y angulo de calado de la gondola), y esta conectada mediante una conexion 21 de datos con el sistema 13 de regulacion del angulo de calado de la pala, mediante una conexion 22 de datos con el sistema 14 de regulacion de la elevacion, y mediante una conexion 23 de datos con el sistema 15 de regulacion del acimut. Los parametros dinamicos calculados indirectamente por los sensores 11 de medida y los parametros dinamicos calculados directamente, que se obtienen mediante el sensor 17 de medida, se recopilan y analizan en la unidad 12 de calculo para determinar con alta precision la velocidad de rotacion, la aceleracion angular y el angulo de rotacion. A partir de estos datos, que se transfieren al sistema de control 16 superior a traves de la conexion 20 de datos, se ajustan valores optimos para el calado de las palas, la elevacion y el acimut de la gondola de un aerogenerador.
La Fig. 4 muestra los sistemas de coordenadas en los que se basa el procedimiento de calculo, que se pueden utilizar con fines de transformation vectorial y de geometria vectorial para calcular los parametros dinamicos de la instalacion de aprovechamiento de energia a partir de las magnitudes vectoriales originales calculadas de cada sensor de medida individual. En la Fig. 4 se disponen tres sensores 06 de medida en position simetrica al eje del arbol 05 del rotor. Cada uno de dichos sensores 1, 2, 3 de medida posee un sistema de coordenadas de medida local que comprende respectivamente los dos vectores base r y q. Dentro de cada sistema de coordenadas de medida se mide la fuerza global F, que se puede representar descomponiendo los vectores base Fr y F<p. De este modo, para el sensor 3 de medida, por ejemplo, el parametro medido F3 se representa mediante el parametro radial F3r y el parametro tangencial F3q. Se ha introducido ademas un sistema de coordenadas de referencia X' Y que gira igualmente con los sensores de medida. Existe ademas un sistema de coordenadas fijo global X, Y. Entre el sistema de coordenadas fijo X, Y y el sistema de coordenadas de referencia en rotacion X' Y se puede definir el angulo de rotacion q. El sistema de coordenadas de referencia X' Y coincide en la disposicion representada en la Fig. 4 justamente con el sistema de coordenadas de medida local ri, qi del sensor 1 de medida.
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En referencia a los vectores representados en la Fig. 4, en la Fig. 5 se bosqueja un posible proceso para determinar las fuerzas de aceleracion y centrifugas a partir de las fuerzas globales captadas por los sensores de medida 1 a 3. Las fuerzas individuales Fi, F2 y F3 de los sensores de medida 1 a 3 contienen tres componentes de fuerza: la fuerza centrifuga, la fuerza de aceleracion angular y el peso.
En el caso representado en la Fig. 4, el rotor gira muy lentamente, de modo que el peso constituye el parametro dominante. A partir de los sistemas de coordenadas de medida individuales, en la Fig. 5 se obtienen en una primera etapa las fuerzas medidas individuales Fi, F2 y F3 con ayuda de los vectores unitarios de los sistemas de coordenadas de medida Fir, Fif, ...
En una segunda etapa, con ayuda de una transformacion de coordenadas basada en el conocimiento de la posicion relativa de los sensores de medida individuales, se representan los vectores de fuerza medidos en el sistema de coordenadas de referencia ri, tyi, que coincide con el sistema de coordenadas X', Y'. De este modo se obtiene una representacion de los vectores de fuerza medidos Fi, F2, F3 con ayuda de los vectores de base Fir, Fif, F2ir, F2if, y F3ir, F3if.
Si se suman en este sistema de coordenadas de referencia los tres vectores de fuerza medidos Fi, F2, F3 para obtener un vector total, las fuerzas de aceleracion y centrifugas se anulan respectivamente debido a la simetria, de modo que el vector suma proporciona exactamente tres veces el vector peso 3 Fg, lo cual se representa en una tercera etapa de la Fig. 5. Si se superponen los vectores de base radiales individuales Fir, F2ir, F3ir, se puede definir un vector total Fx o bien, a partir de Fi<f>, F2if>, F3if, un vector total Fy. El angulo de rotacion del rotor ty describe el angulo entre Fx y el vector 3 Fg, o bien entre Fy y 3 Fg, y se puede calcular por ejemplo a partir de arg(ty)=|Fy|/| Fxl A partir de la tercera etapa del procedimiento descrito en la Fig. 5 se puede calcular por lo tanto el modulo y posicion del vector peso Fg.
Ahora se puede sustraer este vector peso Fg de las fuerzas calculadas individuales Fi, F2, F3, obteniendose asi tres vectores resultantes Fresi, Fres2 y Fres3 que describen respectivamente solo la influencia de las fuerzas de aceleracion y centrifugas. Estos vectores resultantes individuales se pueden expresar respectivamente en los sistemas de coordenadas individuales de nuevo con ayuda de los vectores de base, lo cual se representa en la quinta etapa de la Fig. 5. De este modo se obtiene directamente la direccion y el modulo de las fuerzas centrifugas Firres, F2rres y F3rres y de las fuerzas de aceleracion Fibres, F2<?res y F3fres.
Finalmente, dichas fuerzas se representan de nuevo en la sexta etapa de la Fig. 5, donde llama la atencion su simetria. Para determinar la calidad de las fuerzas calculadas, estas se pueden sumar, de modo que de forma ideal el vector suma es igual a cero. Si el vector suma no es igual a cero, su modulo y posicion se pueden utilizar para calcular errores sistematicos.
En la Fig. 6, en otro diagrama, se representa la posicion y el modulo de la fuerza centrifuga Fr y de la fuerza de aceleracion Ff. El sensor 06 de medida posee una masa m y se desvia del sistema de coordenadas absolutas X, Y en el valor correspondiente al angulo del rotor ty. El sensor 06 de medida gira alrededor del eje 05 de rotor. La velocidad de rotacion se puede determinar, por ejemplo mediante el valor F, y la masa y el radio del sensor de medida, segun la formula w=V|F|/m ■ r. Ademas se puede calcular la aceleracion angular a partir de la relacion a=|F?|/m ■ r.
La Fig. 7 muestra, en un diagrama de bloques, una posible realizacion para el calculo de la velocidad de rotacion a partir de la aceleracion angular calculada Ff. La aceleracion angular calculada Ff se divide mediante los elementos P 25 de control por el radio y la masa, obteniendose asi la aceleracion angular a. Con ayuda de los elementos I 26 de control se integra una vez la aceleracion angular a para calcular la velocidad de rotacion w, y se vuelve a integrar para obtener el angulo de rotacion ty. Debido a la integracion, se obtiene una deriva de los angulos de rotacion y de la serial de velocidad de rotacion, que requieren una correction. Dicha correction se puede llevar a cabo, por ejemplo, mediante un angulo de posicion medido con ayuda de un sensor de medida de medicion directa. Por lo tanto, ademas de la aceleracion angular medida, se puede utilizar, por ejemplo, el angulo de rotacion tyMess deducido a partir de la fuerza de peso medida como parametro de entrada para el observador. El modelo de perturbaciones descrito mediante un integrador abierto de un observador de correccion reproduce el error de medida de la aceleracion Aa. Estos dos parametros Aa y Aty se pueden considerar para la correccion dentro de la estructura 27 del observador como sistema de evaluation para determinar la velocidad de rotacion medida WMess optima. De este modo se puede establecer, por ejemplo, una igualdad de observador segun el siguiente esquema:

Claims (26)

10
15 2.
3.
20
4.
25
5.
30
6.
35
7.
40
8.
45
9.
50
10.
55
11.
60
12.
13.
REIVINDICACIONES
Dispositivo para la determination indirecta de parametros dinamicos de una instalacion (01) eolica o hidraulica que comprende un arbol (05) de rotor, al menos dos sensores (06) de medida directa o indirectamente anexos al arbol (05) de rotor y que giran con el arbol (05) de rotor y una unidad (12) de calculo, caracterizado por que
los sensores (06) de medida estan dispuestos con simetria de giro respecto al eje del arbol (05) de rotor y captan respectivamente al menos dos componentes de una magnitud vectorial F original de fuerza y/o aceleracion en un sistema de coordenadas de medida que gira con el eje del arbol (05) de rotor, y por que los sensores (06) de medida para el intercambio de datos estan conectados con la unidad (12) de calculo, en donde la unidad (12) de calculo calcula al menos uno de los siguientes parametros dinamicos: aceleracion angular a, velocidad de rotation w y angulo de rotation 9 del arbol (05) de rotor a partir de las magnitudes vectoriales F originales medidas.
Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que
los sensores (06) de medida son sensores de aceleracion.
Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que
los sensores (06) de medida son sensores (11) de fuerza.
Dispositivo segun las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que
los sensores (06) de medida estan integrados en el arbol (05) de rotor, especialmente en el buje del rotor.
Dispositivo segun las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que
cada sensor (06) de medida esta integrado en un sistema (13) de regulation del calado de una pala (04) del rotor, especialmente en el sistema de accionamiento del sistema (13) de regulacion del calado de la pala.
Dispositivo segun las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que
cada sensor (06) de medida esta integrado en una pala (04) de rotor.
Dispositivo segun la reivindicacion 6, caracterizado por que
varios sensores (06) de medida estan integrados en una pala (04) de rotor a diferentes distancias del eje del arbol (05) del rotor.
Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que
los sensores (06) de medida transmiten los parametros de medida de forma inalambrica a la unidad (12) de calculo.
Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que
la unidad (12) de calculo esta dispuesta en la parte en rotacion de la instalacion (01) eolica o hidraulica, especialmente en el arbol (05) del rotor o anexa a este, especialmente en el buje del rotor o anexa a este.
Dispositivo segun la reivindicacion 9, caracterizado por que
la unidad (12) de calculo esta integrada en un sistema (13) de regulacion del calado de una pala (04) del rotor, especialmente en un sistema de accionamiento del sistema (13) de regulacion del calado de la pala.
Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que
la unidad (12) de calculo esta conectada con al menos una unidad (16) de control superior de la instalacion eolica o hidraulica (01) para el intercambio de datos.
Dispositivo segun la reivindicacion 11, caracterizado por que
la unidad (16) de control superior controla parametros de position como el angulo (08) de calado de pala de rotor, la elevation (09) de la gondola o el acimut (10) de la gondola en funcion de datos de la unidad (12) de calculo.
Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
caracterizado por que
la unidad (12) de calculo esta conectada con al menos un sistema (13) de regulacion del calado de una pala (04) del rotor para el intercambio de datos.
14. Dispositivo segun la reivindicacion 12 o 13, caracterizado por que
la unidad (12) de calculo transmite datos de forma inalambrica a la unidad (16) de control superior y/o al sistema (13) de regulacion del calado de pala.
15. Dispositivo segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que
el dispositivo comprende al menos otro sensor (17) de medida que esta conectado con la unidad (12) de calculo y que mide directamente parametros dinamicos.
16. Procedimiento para la determinacion indirecta de parametros dinamicos de una instalacion (01) eolica o hidraulica con arbol (05) de rotor
caracterizado por que
se llevan a cabo las siguientes etapas de procedimiento:
Medicion de al menos dos componentes de una magnitud vectorial F original fuerza y/o aceleracion en un sistema de coordenadas de medida local que gira con el eje del arbol (05) del rotor mediante sensores (06) de medida dispuestos respectivamente al menos con simetria de giro alrededor del eje del arbol (05) de rotor y que rotan con este;
transmision de los datos de medicion a la unidad (12) de calculo;
calculo de al menos uno de los siguientes parametros dinamicos: aceleracion angular a, velocidad de rotacion w y angulo de rotacion 9 del arbol (05) del rotor a partir de las magnitudes vectoriales F originales por parte de la unidad (12) de calculo.
17. Procedimiento segun la reivindicacion 16, caracterizado por que
la medicion de las magnitudes vectoriales F se realiza mediante al menos dos grupos de sensores (06) de medida dispuestos simetricamente con diferentes separaciones radiales, y por que se tienen en cuenta las magnitudes vectoriales F de cada grupo para el calculo de los parametros dinamicos.
18. Procedimiento segun la reivindicacion 16 o 17, caracterizado por que
la transmision de los datos de medicion a la unidad (12) de calculo tiene lugar de forma inalambrica.
19. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado por que
el calculo de los parametros dinamicos tiene en cuenta datos de medicion de al menos otro sensor (17) de medida, en donde el sensor (17) de medida mide directamente los parametros dinamicos.
20. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 19, caracterizado por que
el calculo de los datos de medida del sensor (17) de medicion directa se utiliza para corregir los parametros dinamicos calculados mediante la medicion indirecta.
21. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, caracterizado por que
un sistema de coordenadas de medida local (r, 9) que gira con el eje del rotor se fija a cada sensor (06) de medida, en donde cada sensor (06) de medida capta la magnitud vectorial F original determinando al menos dos componentes base Fr, Fy en el sistema de coordenadas de medida local (r, 9), y se establece un sistema de coordenadas de referencia (X' Y) que gira con el eje del rotor, en donde el calculo del parametro dinamico a partir de la magnitud vectorial F original comprende las siguientes etapas: Representacion de la magnitud vectorial F original de cada sensor (06) de medida mediante al menos dos componentes base medidas Fr, Fy de la magnitud vectorial F en el sistema de coordenadas de medida local (r, 9) en movimiento del sensor (06) de medida;
transformacion de las componentes base medidas Fr, Fy de los sistemas de coordenadas de medida en el sistema de coordenadas de referencia (X’, Y);
suma vectorial de las componentes base transformadas medidas Frx, Fry' en el sistema de coordenadas de referencia (X’, Y) para calcular los vectores suma Fx, Fy' que determinan el vector peso Fg calculo del vector resultante Fres mediante sustraccion del vector peso Fg a la magnitud vectorial F original medida de cada sensor (06) de medida, Fres = F-Fg;
representacion del vector resultante Fres mediante las componentes base Fr, Fy del sistema de coordenadas de medida (r, 9) de cada sensor (06) de medida;
extraccion de las componentes radial Frres y tangencial Fyres de la magnitud vectorial F original.
23.
10
15
24.
20
25.
25
26.
30
27.
35
40 28.
45 29.
50 30.
55
31.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, caracterizado por que
el calculo de los parametros dinamicos comprende ademas las siguientes etapas:
Calculo del angulo de rotacion 9 con respecto al sistema de coordenadas de referencia X’, Y’ a partir de la relacion: ^=arg(F/, Fx);
calculo de la velocidad de rotacion y de la aceleracion angular a partir de la ley w=d^/df, a=dw/df.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 22, caracterizado por que
el calculo de los parametros dinamicos comprende ademas las siguientes etapas:
Calculo de la velocidad de rotacion w con respecto al sistema de coordenadas de referencia (X’, Y’) a partir de la relacion: w=V|Frres|/m ■ r,
calculo del angulo de rotacion y de la aceleracion angular a partir de la ley q = Jwdf, a=dw/df.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 23, caracterizado por que
el calculo de los parametros dinamicos comprende ademas las siguientes etapas:
Calculo de la aceleracion angular a con respecto al sistema de coordenadas de referencia (X', Y) mediante la siguiente relacion: a=|F^res|/m ■ r,
calculo de la velocidad de rotacion y del angulo de rotacion a partir de la ley w = Jadf, q = Jwdf.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 24, caracterizado por que
se evalua la calidad de los parametros dinamicos calculados a partir del modulo del vector suma de las componentes tangencial - F^res y/o radial Frres calculadas.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 25, caracterizado por que
los parametros dinamicos calculados se transmiten de la unidad (12) de calculo a una unidad (16) de control superior que, a partir de los parametros dinamicos, controla parametros de posicion tales como el calado (08) de las palas de rotor, la elevacion (09) de la gondola o el acimut (10) de la gondola.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 25, caracterizado por que
los parametros dinamicos calculados se transmiten de la unidad (12) de calculo a un sistema (13) de regulacion del calado de una pala (04) de rotor que controla el calado (08) de la pala de rotor a partir de los parametros dinamicos.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 22 a 24, caracterizado por que
en el calculo se llevan a cabo las operaciones matematicas necesarias, especialmente diferenciaciones y/o integraciones, mediante un procedimiento numerico iterativo.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 20 a 28, caracterizado por que
en el marco del procedimiento numerico iterativo se utilizan los parametros de medida del sensor (17) de medicion directa para corregir los parametros dinamicos calculados mediante la medicion indirecta.
Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 16 a 29, caracterizado por que
a partir de los datos de medicion por los sensores (06) de medida se calculan informaciones adicionales sobre un estado dinamico secundario de la instalacion (01) eolica o hidraulica, especialmente comportamientos de oscilaciones, flexiones y similares.
Procedimiento segun la reivindicacion 30, caracterizado por que
las informaciones sobre el estado dinamico secundario de la instalacion (01) eolica o hidraulica se transmiten con fines de control a una unidad (16) de control superior o a un sistema (13) de regulacion del calado de las palas de rotor.
imagen1
imagen2
imagen3
Componentes vectoriales originales de las fuerzas F1?
F2, F3, en el sistema de coordenadas de medida en movimiento local
Transformation de coordenadas en el sistema de coordenadas de referencia r1? (pt
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Suma vectorial 3F = Ft + F2 + F3 para la determination del peso F
Determination del vector resultante Fres en el respectivo sistema de coordenadas de medida en movimiento local
Representation del vector resultante Fres mediante vectores de base F*, F* del respectivo sistema de coordenadas de medida en movimiento local
Calculo de las fuerzas radiales y tangenciales 1 ” . 1 ”
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Fuerzas radiales (a escala)
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Fuerzas tangenciales (a escala)
Fig. 5
imagen4
ES08002516.6T 2007-02-14 2008-02-12 Procedimiento y dispositivo para la determinación indirecta de los parámetros dinámicos de una instalación eólica o hidráulica Active ES2593317T3 (es)

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