ES2612208T3 - Sistema de medición del ángulo de paso para turbina eólica - Google Patents

Abstract

Un sistema de medición del ángulo de paso para una turbina eólica que incorpora una torre (10), una góndola (20) fijada a la misma, un buje (30) fijado de manera rotatoria a la góndola (20) y que define un eje geométrico (32) rotacional principal, al menos una pala (100) fijada rotacionalmente al buje y que define un eje geométrico (110) de paso para su rotación alrededor del mismo, un ángulo de paso de pala que define la posición rotacional de la al menos una pala (100) con respecto al buje (30) alrededor de dicho eje geométrico (100) de paso, que comprende, un primer sensor (130) de velocidad angular que mide una primera velocidad angular (Φ) alrededor de un primer eje geométrico (e1) de sensor, estando el primer sensor (130) de velocidad angular unido de manera fija a la al menos una pala (100) con una primera orientación predeterminada seleccionada para producir una primera proyección del eje geométrico (32) rotacional principal sobre el primer eje geométrico (e1) de sensor, un segundo sensor (140) de la velocidad angular que mide una segunda velocidad anular (ß) alrededor de un segundo eje geométrico (e2) de sensor, estando el segundo sensor (140) de la velocidad angular unido de manera fija a la al menos una pala (100) con una segunda orientación predeterminada seleccionada para producir una segunda proyección del eje geométrico (32) rotacional principal sobre el segundo eje geométrico (e2) de sensor, siendo el primer eje geométrico (e1) de sensor y el segundo eje geométrico (e2) de sensor linealmente independientes, y una primera unidad (160) de cálculo que calcula un ángulo de paso (Θ1C) calculado indicativo del ángulo de paso de la pala de la primera velocidad angular (Φ) y la segunda velocidad angular (ß) basándose el cálculo en el valor numérico de la primera velocidad angular y del valor de la segunda velocidad angular.

Description

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independencia lineal de los vectores e1 y e2 asegura que la variación de Ф (Ω, Θ1) y β (Ω, Θ1) con Θ1 son funcionalmente independientes, haciendo con ello posible que el ángulo de paso Θ1C sea calculado una vez que los valores de la primera velocidad angular Ф y de la segunda velocidad angular β sean conocidos.

La primera velocidad angular Ф y la segunda velocidad angular β son comunicadas a la primera unidad 160 de cálculo. Esta unidad de cálculo calcula el ángulo de paso Θ1C calculado en base al valor numérico de la primera velocidad angular Ф con respecto al valor numérico de la segunda velocidad angular β. En particular, dado que tanto el primero como el segundo sensores 130 y 140, respectivamente, de la velocidad angular están unidos de manera fija a la primera pala 100, y dado que la primera pala rota con el ángulo de paso de pala alrededor del eje geométrico 110 de paso, de ello se desprende que el primer eje geométrico e1 de sensor y el segundo eje geométrico e2 de sensor presentan una orientación en el espacio que depende funcionalmente del ángulo de paso Θ1 de pala. Esta dependencia es visible comparando la orientación de e1 y e2 en la figura 2 con las correspondientes orientaciones después de un cambio en el ángulo de paso de pala, como se muestra en la figura 3. Por tanto se desprende que la primera velocidad angular Ф = Ω e1 y la segunda velocidad angular β = Ω e2 presentan una funcionalidad dependiente del ángulo de paso Θ1 de pala. Estas relaciones funcionales son invertibles, de forma que el ángulo de paso Θ1C calculado puede ser calculado en base al valor de Θ con respecto a β. Para el caso de que e1 y e2 sean perpendiculares entre sí,

Θ1C = c3 arcotangente (Φ, β ) + c4,

donde "c3" y "c4" son constantes.

La constante "c4" se escoge de manera que el valor del ángulo de paso Θ1C calculado adopte un valor predeterminado, como por ejemplo 0, cuando la primera pala 100 esté situada en la orientación predefinida con respecto al buje. Se destaca que en el supuesto de que e1 y e2 no sean perpendiculares entre sí, la aplicación

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conocida de los vectores covariantes y contra variantes, e1, e2, e, e2, donde ej• ei = δij (el delta Kronecker) pueden ser utilizados para calcular el ángulo de paso Θ1C calculado. Se pueden utilizar otros esquemas, como por ejemplo la construcción y el almacenamiento de una tabla numérica correlacionada con valores conocidos de Θ1C con los valores asociados de Ф y β para el posterior acceso y el posterior cálculo del ángulo de paso Θ1C calculado por medio del ángulo de la tabla de consulta cuando se determinen los valores de Ф β Ω y β. Este esquema es preferente cuando el primero y el segundo ejes geométricos e1 y e2 de sensor no sean conocidos, o mensurables, para obtener una precisión suficiente, y la tabla numérica se construya con la asistencia de un codificador 554 electromecánico convencional del ángulo de paso (véase la figura 3).

Se debe destacar que, además del ángulo de paso ΘФβΩ1C de pala, la velocidad rotacional Ω principal puede ser calculada a partir de los valores numéricos de la primera velocidad angular Ф y la segunda velocidad angular β. En el caso de que e1 y e2 sean perpendiculares entre sí, el plano abarcado por e1 y e2 presenta el plano normal m (no mostrado) (que es perpendicular al eje geométrico rotacional principal, n, entonces

Ω = ( Ф2+ β2) ½

Es sencillo y bien conocido en la técnica definir ecuaciones equivalentes en los casos en que el plano normal m no sea perpendicular al eje geométrico principal, n, y / o en el que e1 y e2 no sean perpendiculares entre sí. En la forma de realización de la figura 7, los primero y segundo ejes geométricos e1 y e2 de sensor son esencialmente perpendiculares entre sí. Así mismo, para minimizar el efecto de la aceleración centrípeta y la flexión de pala sobre la medición de la velocidad angular, los primero y segundo sensores 130 y 140, respectivamente, de la velocidad angular, de modo preferente, están situados cerca de la raíz de la pala.

Con referencia a la figura 4, otra forma de realización de la invención extiende el sistema 170 de medición del ángulo de paso incorporando un tercer sensor 150 de la velocidad angular unido de manera fija a la primera pala 100 en una tercera orientación predeterminada con respecto a la primera pala, y midiendo una tercera velocidad angular λ (no mostrada) alrededor de un tercer eje geométrico de sensor indicado por el vector unitario e3. La medición A es comunicada a la primera unidad 160 de cálculo (véase la figura 8). Cuando el tercer eje geométrico e3 de sensor no es esencialmente ortogonal al plano abarcado por e1 y e2, el cálculo del ángulo de paso Θ1C calculado resulta redundante en virtud de un primer valor adicional angular de paso que sea calculable a partir de los valores relativos de A y Ф así como a partir de un segundo valor adicional angular de paso que sea calculable a partir de valores relativos de λ y β. Los primero y segundo valores angulares adicionales proporcionan unas estimaciones adicionales para el ángulo de paso Θ1 de pala para que la inclusión de los primero y segundo valores adicionales en el cálculo del ángulo de paso Θ1C calculado pueda ser utilizado para reducir el error mediante el empleo, por ejemplo, de la promediación y para la monitorización de los estados de cada uno de los sensores de la velocidad angular mediante la comprobación cruzada de la coincidencia entre los valores angulares de paso proporcionados por los diferentes pares de la velocidad angular.

Un nivel adicional de redundancia se obtiene en otra forma de realización de la invención, en el que la turbina eólica 1 comprende también unos codificadores angulares para medir el ángulo de paso de pala. Ejemplos de dichos codificadores son codificadores electromecánicos que descomponen una completa revolución del ángulo de paso de pala en una cantidad de valores discretos y predeterminados que oscilan entre, típicamente, 1024 y 16384 valores.

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Con referencia a la figura 3, el codificador 554 angular produce una señal de codificador Θ1E indicativa del ángulo de paso de pala de la primera pala 100. La señal de codificador y el ángulo de paso Θ1C calculado a partir de la primera unidad 160 de cálculo son comunicados a una primera unidad 556 de comparación (véase la figura 10) que supervisa la desviación, o diferencia, entre la señal de codificador Θ1E y el ángulo de paso Θ1C calculado. Una señal 558 del paso diferencial se genera en la primera unidad 556 de comparación indicativa de la diferencia entre Θ1E y Θ1C. Otras posibles acciones adoptadas en base al valor de la señal 558 del paso diferencial incluyen, pero no se limitan a, la puesta en marcha de una alarma indicativa de una función incorrecta del hardware.

Volviendo a la figura 1, los valores de las velocidades angulares Ф, β, A medidas, respectivamente, por los sensores 130, 140, 150 de la velocidad angular están dominados por la velocidad rotacional principal Ω. Sin embargo, la velocidad angular de inclinación ƞ de la góndola en la dirección de inclinación indicada por el vector unitario g, provocado por los movimientos de flexión de la torre 10, así como por la velocidad angular de guiñada ү de la góndola en la dirección de guiñada indicada por el vector unitario p, provocada por el cambio de la posición angular alrededor del eje geométrico 34 de la torre, también contribuyen a la velocidad angular instantánea del eje geométrico 32 rotacional principal,

Ω = Ω ƞ+ ƞ ɋ + γ p

para que las contribuciones procedentes de ƞ y ү aparezcan en los valores de las velocidades angulares Ф, β, y λ. Las velocidades angulares ƞ y ү del eje geométrico 32 rotacional principal son independientes del ángulo de paso de pala de la primera pala. Por tanto, cuando los valores de las velocidades angulares ƞ y ү no son cero, deben, de modo preferente, ser tenidos en cuenta y compensados, por la primera unidad 160 de cálculo en el cálculo del ángulo de paso Θ1C calculado. Cuando las señales indicativas de las velocidades angulares ƞ y ү estén disponibles, son enviadas a la primera unidad 160 de cálculo. En una forma de realización adicional de la invención, un sensor 22 de la velocidad de inclinación es utilizado para medir la velocidad angular de inclinación ƞ y un sensor 23 de la velocidad de guiñada es utilizado para medir la velocidad angular de guiñada ү del eje geométrico 32 rotacional principal. Así mismo, un codificador 24 angular del buje mide la primera posición azimutal Ѱ de pala (véase la figura 8). La velocidad angular de inclinación ƞ, la guiñada angular ү y la primera posición azimutal Ѱ de pala son comunicadas a la primera unidad 160 de cálculo, donde son utilizadas para compensar las velocidades angulares ƞ y ү en el cálculo del ángulo de paso Θ1C calculado.

En otra forma de realización para una turbina que incorpora dos o más palas, como se muestra en la figura 4, el tercer sensor 150 de la velocidad angular está situado de manera fija con respecto a la primera pala 100, de manera que el tercer eje geométrico e3 de sensor apunta esencialmente a lo largo del eje geométrico 110 de paso. Como adorno estilístico, queremos adoptar la señal generada por un tercer sensor 150 de la velocidad angular como λ100 (no mostrado). La misma construcción se utiliza para el sistema 270 de medición del ángulo de paso, en el que un tercer sensor 250 de la velocidad angular mide la velocidad angular λ200 de la segunda pala 200 alrededor del eje geométrico de paso de la pala, y el sistema 370 de medición del ángulo de paso presenta un tercer sensor 350 de la velocidad angular (véase la figura 8) que mide la velocidad angular λ300 de la tercera pala 300 alrededor de ese eje geométrico de paso de la pala. Una unidad 600 de cálculo de inclinación y guiñada (véase la figura 8) recibe las tres velocidades A100, λ200, λ300 angulares y la primera posición azimutal Ѱ (figura 8), y lleva a cabo una transformación de coordenadas multipala, también conocida como transformación de Coleman en la técnica,

k0 = λ100 + λ200 + λ300

ks = λ100 sen (Ѱ) + λ200 sen (Ѱ -2 π/3) + λ300 sen (Ѱ -4 π/3)

kc = λ100 cos (Ѱ) + λ200 cos (Ѱ -2 π/3) + λ300 cos (Ѱ -4 π/3)

para obtener la constante k0, seno, kS, y el coseno, kC, componentes de las velocidades angulares λ100, λ200, λ300. Los valores de las velocidades angulares ƞ y ү son proporcionales a kS y kC, y pueden fácilmente determinarse a partir de los valores de kS y kC. Los valores de las velocidades angulares ƞ y ү son a continuación comunicadas a cada una de las primeras unidades 160, 260, 360 de cálculo (véase la figura 8) para el cálculo de los ángulos de paso Θ1C, Θ2C y Θ3C calculados, respectivamente. En aras de la complitud, los primero, segundo y tercer sistemas de medición de la velocidad angular pueden agruparse de modo conjunto en una sola unidad, por ejemplo, tres giroscopios MEMS en un único chip.

Como máxima preferencia, la orientación del primer eje geométrico e1 de sensor, del segundo eje geométrico e2 de sensor, y del tercer eje geométrico e3 de sensor se escogen para que san ortogonales entre sí para que la combinación de e1, e2 y e3 formen una base ortogonal para un espacio tridimensional. Durante la operación normal, el ángulo de paso Θ1 de pala se modifica según lo requerido por las necesidades de control de la turbina, y esta modificación produce una velocidad rotacional angular de paso alrededor del eje geométrico de paso de la pala. Ortogonalmente, junto con la alineación del tercer eje geométrico e3 de sensor a lo largo del eje geométrico de paso,

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elimina la velocidad rotacional angular de paso de la primera velocidad angular Ѱ alrededor del primer eje geométrico e1 de sensor y la segunda velocidad angular β alrededor del segundo eje geométrico e2 de sensor, simplificando con ello el cálculo del ángulo de paso θ1C calculado.

En otra forma de realización, la velocidad de inclinación angular ƞ de la góndola no se mide directamente, sino que se estima a partir de una medición del empuje del viento y a partir del conocimiento de la rigidez de flexión de la torre o, como alternativa, a partir de una estimación del empuje del viento por medio, por ejemplo, de una medición de la potencia eléctrica generada, y del conocimiento de la rigidez de flexión de la torre. La posición azimutal Ѱ del rotor generalmente se define como el ángulo entre la primera pala 100 y la vertical (por ejemplo la posición vertical con respecto a la góndola), y se utilizará esta definición en la presente memoria. Por consiguiente la terminología "posición azimutal del rotor" y "la primera posición azimutal de pala" se utilizan en la presente memoria de forma intercambiable, y ambas definen el mismo ángulo Ѱ.

En la forma de realización preferente, la primera posición azimutal Ѱ de pala se mide mediante un codificador 24 angular que mide la posición rotacional del buje con respecto a un punto de referencia predeterminado sobre la góndola 20. En una forma de realización alternativa, como se muestra en la figura 9, la primera posición azimutal Ѱ de pala se calcula utilizando la integración de tiempo de la velocidad rotacional principal Ω. En particular, un generador 27 de impulsos genera un impulso de sincronización cuando la posición azimutal Ѱ del buje obtiene un valor predeterminado. A modo de ejemplo, la colocación de un sensor inductivo u óptico sobre la góndola que detecte el paso de un indicador unido de manera fija al buje proporciona dicho impulso de sincronización. Para las turbinas que incorporen un árbol principal fijado al buje, el indicador puede como alternativa ser colocado sobre este árbol principal. El impulso de sincronización y la velocidad rotacional principal Ω medidos por al menos un sistema 170 de medición del ángulo de paso son comunicados a una unidad 650 de cálculo del azimut. Esta unidad calcula un ángulo ξ (no mostrado) integrando la velocidad rotacional Ω en el tiempo, comenzando a partir del instante de tiempo en el que se recibe el impulso de sincronización. La posición rotacional Ѱ del buje se determina entonces añadiendo un desplazamiento angular constante Ѱ0 (no mostrado) al ángulo calculado ξ de manera que la posición rotacional Ѱ adopte un valor predeterminado en una posición del rotor predeterminada,

Ѱ = ξ + Ѱ0

Por ejemplo, el valor Ѱ0 puede escogerse de manear que Ѱ = 0 se produzca cuando la primera pala 100 esté en la posición vertical, apuntando hacia arriba. El impulso de sincronización es necesario para eliminar la acumulación de errores numéricos en el proceso de integración temporal. Mediante el reinicio de la integración temporal de Ω en cada incurso de sincronización, la longitud de la integración temporal se limita al periodo de una rotación del buje. Por tanto se impide la acumulación ilimitada del error numérico. Tras la recepción de la señal de sincronización y de la terminación asociada del proceso de integración para ese periodo, el valor terminal del ángulo ξ es comparado con el valor de 2 π. La diferencia entre estos dos valores numéricos indica el error máximo en el cálculo de la posición rotacional Ѱ.

Así mismo, el valor de ξ puede llevarse a cabo partiendo de la continuidad y mantiene la siguiente revolución y también puede ser ajustado retroactivamente mediante el escalado lineal del valor ξ a lo largo del periodo de tiempo entre dos impulsos de sincronización consecutivos para obtener un valor terminal de ξ = 2π para una rotación del buje. En particular, si el valor calculado ξ adopta el valor ξp (no mostrado) después del periodo de tiempo entre dos impulsos consecutivos, entonces el valor ajustado, que se designa como ξA (no mostrado), es dado por ξA = k ξ, donde el factor de escala k es dado por k = 2π / ξp, y garantiza que el factor de escala ξA alcanza un valor máximo de 2π. Dicho ajuste es ventajoso cuando la posición rotacional ξ se utiliza en cálculos no en tiempo real que se llevan a cabo en algún momento después de la culminación de la revolución del buje. Así mismo para reducir aún más los errores de integración temporales, el periodo de integración temporal puede reducirse por debajo de ese periodo de una revolución mediante la generación de impulsos de sincronización adicionales en posiciones angulares predeterminadas del buje. Se puede conseguir una reducción de errores aún mayor tomando un integrando para que sea un promedio u otra combinación numérica de la velocidad rotacional principal Ω calculada por dos o más unidades de medición del ángulo de paso, por ejemplo una combinación numérica de la velocidad rotacional principal Ω100 calculada por el sistema 170 de medición del ángulo, la velocidad rotacional principal Ω200 calculada por el sistema 270 de medición del ángulo y de la velocidad rotacional principal Ω300 calculada por el sistema 370 de medición del ángulo (aquí, por razones de claridad en la transcripción, se han introducido los subepígrafes 100, 200 y 300 para designar la pala asociada).

El factor de escalado k es afectado por la temperatura y otras variables que cambian durante un periodo de tiempo mucho más largo que el periodo de tiempo de una rotación del rotor. Por consiguiente, el valor de k calculado al final del primer periodo de tiempo entre dos impulsos de sincronización consecutivos, se utiliza durante el segundo periodo de tiempo sucesivo para obtener un valor corregido de la posición rotacional,

Ѱ = k ξ + Ѱ0

para valores temporales entre el principio y el final del segundo periodo de tiempo. Al final del segundo periodo de tiempo el procedimiento se repite, es decir un nuevo valor de k es calculado al final del segundo periodo de tiempo y

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