ES2886585T3 - Montaje de aislamiento eléctrico de estátor de máquina eléctrica - Google Patents

Abstract

Una turbina eólica que comprende una máquina eléctrica en donde dicha máquina eléctrica comprende un estátor (702) que comprende una carcasa (701) de estátor y uno o más devanados eléctricos (704), dicho(s) devanado(s) eléctrico(s) está(n) dispuesto(s) para conectarse a una red eléctrica (760) mediante al menos un cable (740) - comprendiendo dicho al menos un cable (740) al menos un conductor de fase (746) y al menos una trayectoria de retorno (744) adecuada para conducir corrientes parásitas, y al menos un blindaje eléctrico (745), - estando aislado eléctricamente el estátor de dicha carcasa (701) de estátor.

Description

DESCRIPCIÓN

Montaje de aislamiento eléctrico de estátor de máquina eléctrica

La presente invención se refiere a una turbina eólica con montaje de aislamiento eléctrico de un subconjunto de estátor para una máquina eléctrica.

Antecedentes de la invención

Los generadores eléctricos en las turbinas eólicas a menudo están montados en el bastidor de la góndola de la turbina eólica. Esto significa que hay muy buenas conexiones eléctricas entre los dos. Debido al tamaño y las cargas en una turbina eólica moderna de varios vatios, es difícil realizar el aislamiento eléctrico entre la góndola y la carcasa del estátor. Por lo tanto, el diseño eléctrico de la turbina eólica debe tener en cuenta que existe un camino para la corriente parásita entre el bastidor y la carcasa del generador.

Normalmente, las turbinas eólicas modernas están conectadas a una red eléctrica para poder generar y suministrar electricidad a los consumidores que se encuentran alejados de las turbinas eólicas.

La velocidad del rotor de la turbina eólica aumenta y disminuye con el cambio de velocidad del viento para restar tanta energía del viento como sea posible y, en consecuencia, el generador eléctrico genera electricidad con una frecuencia variable. La electricidad se convierte mediante un convertidor de frecuencia en electricidad con una frecuencia fija que se suministra a la red eléctrica.

El convertidor de frecuencia puede introducir diferentes corrientes de parásitas en el generador eléctrico, como en el eje y la carcasa del generador. Para evitar la corriente parásita, se sabe conectar a tierra las partes estacionarias y rotativas del generador.

Sin embargo, las formas bien conocidas de conectar a tierra las partes estacionarias y rotativas a menudo pueden crear problemas en relación con las corrientes parásitas circulares dentro del generador. Las corrientes parásitas circulantes pueden provocar la corrosión de los cojinetes, lo que afecta negativamente a la vida útil del generador.

El fenómeno de las corrientes de los cojinetes de las máquinas eléctricas operadas por línea, también conocidas como corrientes de cojinetes "clásicas", se conoce desde hace décadas y se investiga a fondo.

Estas corrientes son un efecto parásito y son causadas principalmente por asimetrías magnéticas en la máquina. La tensión inducida puede causar una corriente circulante en los cojinetes. La corriente solo puede fluir si la tensión inducida supera un cierto umbral para abarcar la película de lubricación aislante del cojinete. La tensión umbral para que se produzca esta corriente normalmente es de ~ 350 mVrms o 500 mVpp.

Al aumentar el tamaño del motor, es más probable que ocurran estas corrientes "clásicas" en los cojinetes porque aumenta el enlace de flujo parásito.

En la aplicación de turbinas eólicas, las máquinas eléctricas se alimentan con mayor frecuencia desde un variador de frecuencia VFD, también llamado convertidor de frecuencia. Estos convertidores funcionan mediante conmutación dura de una tensión de CC a una frecuencia de conmutación en el rango de kilohercios, a menudo denominada modulación de ancho de pulso PWM. La conmutación dura causa problemas aún mayores cuando se trata de corrientes parásitas en las máquinas eléctricas.

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es controlar la corriente parásita en una máquina eléctrica y, por lo tanto, limitar las corrientes de los cojinetes en la máquina eléctrica, especialmente en las turbinas eólicas, para evitar daños por las corrientes parásitas.

Las divulgaciones de la técnica anterior incluyen los documentos W02007/107158 A1 (VESTAS - 27-09-2007); EP2469687A2 (GEN ELECTRIC - 27-06-2012); JP2000333396 A (MEIDENSHA ELECTRIC - 30-11-2000), US 2016/105066 A1 (HORNG ALEX - 14-04-2016); DE102010055484 A1 (AVL TRIMERICS - 28-06-2012) y EP2535998A1 (AREVA 19-12-2012).

Sumario

Las realizaciones implican el uso de un sistema de montaje de aislamiento eléctrico para un estátor de generador en una turbina eólica, sin conexión entre el estátor y una toma de tierra de base del sistema/carcasa del generador. El uso de una conexión de potencia eléctrica desde el generador al convertidor de frecuencia donde el blindaje está alrededor de todos los grupos de fases del cable de potencia, además, con un conductor de tierra protegido separado que se utiliza para transportar corrientes de modo común inducidas por el convertidor de frecuencia.

Un primer aspecto se refiere a una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1.

Una ventaja del primer aspecto es que reduce en gran medida las corrientes parásitas y mejora el rendimiento de la EMC en el sistema. Pérdidas de blindaje reducidas y una seguridad eléctrica más robusta. El aspecto presenta una combinación de estátor aislado con conexiones para conexiones de corriente aisladas de modo común. En una realización del primer aspecto, el(los) devanado(s) eléctricos están conectados a la red eléctrica a través de al menos un convertidor de potencia. En un aspecto adicional, la turbina eólica del primer aspecto comprende una máquina eléctrica dispuesta para rotar a un intervalo de velocidad comprendido entre 100 y 900 RPM. Donde el estátor está aislado de la carcasa del estátor por una pluralidad de barras de aislamiento estructural unidas al estátor, las barras de aislamiento estructural proporcionan aislamiento entre el estátor y la carcasa del estátor, mientras el estátor está suspendido dentro de la carcasa del estátor.

Un segundo aspecto se refiere a un método para minimizar las corrientes parásitas en una máquina eléctrica en una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 12.

Muchas de las características asociadas se apreciarán más fácilmente a medida que se entiendan mejor con referencia a la siguiente descripción detallada considerada en relación con los dibujos adjuntos. Las características preferidas se pueden combinar según sea apropiado, como resultará evidente para un experto, y pueden combinarse con cualquiera de los aspectos de la invención.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un ejemplo de un estátor y una carcasa del estátor de una máquina eléctrica,

la figura 2 muestra un ejemplo de un estátor en una carcasa del estátor de una máquina eléctrica,

la figura 3 muestra un ejemplo de un estátor en una carcasa del estátor y un rotor de una máquina eléctrica, la figura 4 muestra una parte ampliada de una máquina eléctrica,

la figura 5 muestra un ejemplo de un elemento de aislamiento,

las figuras 6a y 6b muestran ejemplos de cables,

la figura 7 muestra sistemas de conexión a tierra y

la figura 8 muestra una turbina eólica.

Descripción detallada

La presente invención se explicará ahora con más detalle. Aunque la invención es susceptible de diversas modificaciones y formas alternativas, se han divulgado realizaciones específicas a modo de ejemplos. Debe comprenderse, sin embargo, que la invención no está destinada a limitarse a las formas particulares divulgadas. Los generadores eléctricos suelen comprender un rotor, un estátor y una carcasa del estátor, donde el propósito del estátor y el rotor es conocido por el experto en la materia, y la carcasa proporciona soporte estructural para el estátor y, junto con blindajes de extremo y cojinetes, también proporciona soporte para el rotor y asegura la alineación entre el rotor y el estátor.

Además, la carcasa también proporciona los medios para la fijación del generador 12 al bastidor de la góndola 5 de la turbina eólica.

El circuito magnético de la máquina eléctrica incluye una pila de estátor laminada y una pila de rotor laminada. Estas consisten en láminas eléctricas laminadas. Dependiendo del tamaño y diámetro de las pilas de núcleos laminadas, hay una serie de opciones para fabricar las láminas correspondientes que ya conocen los expertos en la materia. Debido al peso, la carcasa del estátor a menudo está montada en el bastidor de la góndola 5, ya que los amortiguadores aislados, etc., no son adecuados. Así, pueden existir buenas conexiones eléctricas desde la carcasa del estátor hasta el bastidor.

Las máquinas eléctricas, incluidos los generadores, pueden agruparse en máquinas de baja velocidad, máquinas de velocidad media o máquinas de alta velocidad. Aquí se entiende por alta velocidad una máquina eléctrica que rota a una velocidad nominal superior a 900 rpm (rotación por minuto), por velocidad media a una que está en el intervalo de 100 rpm a 900 rpm y por velocidad baja a una por debajo de 100 rpm. Como se pueden fabricar tres tipos de máquinas con una potencia nominal en el rango de los megavatios, está claro que el par mecánico aumenta a medida que disminuye la velocidad y, por lo tanto, también aumenta la necesidad de soporte estructural.

Se sabe desde hace décadas que las máquinas eléctricas, especialmente las máquinas alimentadas a través de un variador de frecuencia con señales de tensión generadas por PWM son propensas a corrientes parásitas que causan chispas en los cojinetes a través de la película de aceite/grasa.

Un cojinete de bolas tradicional comprende una pista de rodadura interior y exterior y los elementos rodantes (bolas o rodillos). Un cojinete tiene una impedancia compleja no lineal en el circuito equivalente de una máquina eléctrica.

Desde un punto de vista simplificado, se pueden distinguir dos rangos de funcionamiento que son importantes para comprender los mecanismos de las corrientes adicionales en los cojinetes durante el suministro de variadores de frecuencia:

en reposo o a baja velocidad de rotación, la película de lubricación en la zona de carga del cojinete tiene un espesor de solo unos nm. Si se aplica tensión por esta distancia, se puede abarcar fácilmente mediante la conducción de electrones debido al efecto túnel de la mecánica cuántica. En este rango, el cojinete actúa como una resistencia óhmica.

A velocidad operativa normal, debido a los efectos hidrodinámicos, la película lubricante del cojinete es más de 100 veces más gruesa que en reposo, normalmente (0,1... 2) pm. Esta película lubricante tiene propiedades aislantes y el cojinete actúa como condensador.

Con respecto a los aspectos aquí cubiertos, el rango de velocidad operativa normal es más relevante ya que el convertidor de frecuencia no está funcionando en reposo o cerca del reposo. El generador puede rotar lentamente durante el modo inactivo, es decir, cuando la turbina eólica se desconecta de la red y las palas del rotor se sacan del viento.

En funcionamiento con inversor, la tensión de línea a toma de tierra cambia con la frecuencia de conmutación PWM de los elementos de conmutación del inversor 751 y 752. Lo mismo se aplica a la tensión de línea a neutro. Donde la tensión de línea a toma de tierra es la diferencia de potencial entre una fase individual y la toma de tierra. Por lo tanto, un sistema trifásico contiene las tres tensiones de línea a toma de tierra, una de cada fase. La tensión de línea a neutro denota la diferencia de potencial entre un terminal de fase individual y el punto neutro de las conexiones de fase (p. ej., punto neutro en un sistema conectado en Y). Por lo tanto, un sistema trifásico contiene las tres tensiones de línea a neutro.

La tensión de línea a línea es la diferencia de potencial entre dos fases de un sistema multifásico. Por lo tanto, un sistema trifásico contiene las tres tensiones de línea a línea. Aquí, esta tensión se refiere a la tensión medida en los terminales. En funcionamiento con inversor, esta tensión cambia dos veces la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación del inversor.

La tensión de modo común es la media aritmética de las tensiones de línea a toma de tierra. La tensión de neutro a toma de tierra es la diferencia de potencial entre el punto neutro de las conexiones de fase (p. ej., el punto neutro en un sistema conectado en Y) y la conexión a tierra.

En funcionamiento con inversor, la tensión de modo común y también la tensión de neutro a toma de tierra cambia con tres veces la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación del inversor.

En funcionamiento con inversor, cuando la tensión de modo común contiene componentes de alta frecuencia y una película lubricante intacta cuando el cojinete actúa como un condensador, la tensión del cojinete refleja la tensión de modo común en los terminales del motor mediante un divisor de tensión capacitivo. La diferencia de potencial entre la pista interior y exterior de un cojinete se denomina tensión del cojinete.

Las capacitancias de las máquinas eléctricas generalmente no influyen en el funcionamiento de la línea. Surten efecto cuando la máquina se somete a una tensión común que contiene componentes de alta frecuencia. Las cinco capacitancias más importantes vienen dadas por las siguientes partes de una máquina:

la capacitancia del devanado del estátor al bastidor es la capacitancia entre el devanado del estátor a alta tensión y el hierro del estátor a potencial conectado a tierra. Los diferentes niveles de tensión están separados por aislamiento eléctrico entre el cobre del devanado y la pila de hierro del estátor.

Las capacitancias fase a fase están formadas principalmente por las partes del devanado de las diferentes fases U, V y W en el saliente del devanado, donde están separadas solo por el aislamiento del devanado.

La capacitancia del devanado del estátor al rotor viene dada por la distancia de hueco entre la superficie del rotor y el devanado del estátor, separándose por el aislamiento del devanado, cuñas de ranura y entrehierro.

La capacitancia C del rotor al bastidor está determinada principalmente por la superficie del rotor y la superficie de la pila del estátor laminada en el entrehierro, principalmente las puntas de los dientes del estátor.

En la película de lubricación intacta, lo que significa que la película de lubricación tiene propiedades aislantes, el cojinete actúa como un condensador con la capacitancia del cojinete, que aísla el rotor del hierro del estátor, y las capacitancias del devanado del estátor al rotor, del rotor al bastidor y del cojinete forman un divisor de tensión capacitivo.

La tensión de modo común de alta frecuencia en los terminales del motor se refleja sobre el cojinete mediante este divisor de tensión, causando la tensión del cojinete.

Se han propuesto muchas soluciones al problema de la corriente de los cojinetes y, para las máquinas de alta velocidad, la solución parece ser cojinetes cerámicos cuando parte del cojinete (bolas o pistas) esté hecha o cubierta con una capa de material cerámico, que por lo tanto proporciona un aislamiento eléctrico a través del cojinete.

El uso de bolas de cojinetes cerámicos en máquinas eléctricas de baja y media velocidad es difícil debido a las dimensiones de los cojinetes, que son mucho más grandes que para una potencia nominal similar para una máquina de alta velocidad.

Otras soluciones, como una capa de cerámica en la superficie del diámetro exterior del cojinete, también se han utilizado, con resultados menos eficientes ya que el espesor de la capa cerámica es limitado y, por lo tanto, todavía está presente un acoplamiento capacitivo.

Aquí se propone aislar eléctricamente el estátor de la estructura del estátor, utilizado en combinación cuando los devanados eléctricos del estátor se alimentan a través de cables desde la red y/o el variador de frecuencia que garantiza una buena trayectoria de retorno para las corrientes parásitas. El aislamiento entre el estátor y la carcasa del estátor minimiza la corriente parásita entre la toma de tierra y el blindaje.

La principal diferencia con el sistema mencionado anteriormente y un sistema de generador de alta velocidad tradicional es que el estátor del generador y la carcasa asociada están montados directamente en la caja de cambios (GBX) y la base. El resultado neto es que las corrientes de modo común en el estátor pueden regresar libremente a través de múltiples trayectorias de acuerdo con sus respectivas impedancias. Estas trayectorias de retorno no están bien controladas o definidas y pueden dar lugar a corrientes parásitas indeseables en otras trayectorias de contacto rotativas, como los cojinetes del generador, los engranajes g Bx y los cojinetes GBX. El resultado final es que no hay un aislamiento bien definido entre la toma de tierra del sistema y la toma de tierra del chasis y, por lo tanto, el resultado neto es que todo el sistema de base y las estructuras metálicas conectadas directamente pueden tener perturbaciones de tensión y corriente de alta frecuencia entre sí.

En un sistema de estátor aislado, el estátor está aislado del resto de la carcasa, chasis, rotor, etc. La capacitancia efectiva a través de este aislamiento es insignificante. El sistema de estátor aislado permite una trayectoria de retorno para corrientes de modo común a través del "retorno a toma de tierra aislado". Esta trayectoria está aislada eléctricamente de cualquier carcasa o chasis y, como tal, evita que las corrientes y/o tensiones asociadas con el modo común se inyecten directamente en el sistema.

La figura 1 muestra un ejemplo de un conjunto de estátor de una máquina eléctrica 100, comenzando con la estructura 101 del estátor, que comprende los elementos estructurales de la máquina. El propio estátor 102 se fabrica preferentemente con una pluralidad de láminas laminadas 106, conformando un estátor laminado 102; el estátor laminado tiene una pluralidad de ranuras 105 de estátor, a menudo realizadas punzonando materiales lejos de las láminas de laminación. Un proceso conocido para el experto en la materia. La pluralidad de ranuras del estátor está dispuesta para recibir una pluralidad de devanados de estátor 104. Los devanados de estátor están conectados de modo que se formen tres o más fases eléctricas.

Por lo tanto, el devanado de estátor eléctrico está ubicado cerca del estátor 102 ya que las ranuras 105 están hechas con un ajuste apretado para el devanado de estátor eléctrico, permitiendo así el acoplamiento capacitivo desde el devanado 104 al estátor 102.

El estátor 102 está montado con una pluralidad de barras de aislamiento estructural 110a, 110b, entre el estátor 102 y las barras de aislamiento estructural 110 se encuentra un espaciador 111 opcional.

La figura 2 muestra el estátor 202 insertado en la estructura 201 del estátor, el estátor está suspendido por la pluralidad de barras de aislamiento estructural 210, donde cada una de las barras de aislamiento estructural 210 se eleva por medio de los espaciadores 211. También se ven las láminas de laminación 206, junto con las ranuras 205 de estátor; los devanados 104 del estátor eléctrico no se muestran en la figura 2.

La figura 3 también muestra la máquina eléctrica ahora con un rotor 303 insertado en el estátor 302. El diseño real del rotor 303 no es relevante para la presente invención ya que las corrientes parásitas se inducen en el estátor.

La figura 4 muestra una sección de vista lateral ampliada de una máquina eléctrica, similar a la que se muestra en las figuras 1 a 3. Esta muestra cómo el estátor 402 está suspendido por las barras de aislamiento estructural 410. El estátor 402 se muestra con una pluralidad de devanados 404 de estátor y debajo del estátor se muestra el rotor 403. La barra de aislamiento estructural 410 comprende una placa inferior 441 y dos placas laterales 442. La placa inferior 441 está unida al elemento de espacio 411, que de nuevo está conectado al estátor 402. Las dos placas laterales 442 están unidas a dos bridas 451,452 de la carcasa del estátor, una en cada extremo de la barra de aislamiento estructural 410. La conexión aislada entre las dos placas laterales 442 y las dos bridas 451, 452 de la carcasa del estátor está asegurada por dos elementos de aislamiento 440, cada elemento tiene un primer y un segundo elemento lateral 444, 445 en el que se inserta un núcleo de acero 443, trabajando como casquillo para un perno 446. Ya que los dos elementos laterales 444, 445 aíslan el núcleo de acero 443 de la placa lateral 442, el estátor 402 está aislado de la brida 452 de la carcasa del estátor y, por lo tanto, también de la propia carcasa 401 del estátor.

La figura 5 muestra un ejemplo de un elemento de aislamiento (440, 540) utilizado para la suspensión en la figura 4. En detalle, el elemento de aislamiento (540) comprende un primer elemento lateral 544 y un segundo elemento lateral 545 y un núcleo de acero 543 a insertar en el primer y segundo elemento de aislamiento. El diseño real de los elementos de aislamiento puede variar, siendo la función de los elementos de aislamiento 544, 545 aislar un elemento suspendido de un soporte estructural.

Los elementos de aislamiento primero y segundo pueden estar hechos de goma, pero no se limitan a estar hechos de goma, de hecho, pueden estar hechos de un tipo de material que proporcione aislamiento eléctrico. Los diferentes materiales tienen diferentes propiedades mecánicas que no se discutirán aquí.

En una realización, los elementos de aislamiento (440, 540) también proporcionan una función de amortiguación mecánica, por lo que se amortiguan las oscilaciones mecánicas del estátor.

En una realización, cada una de las barras de aislamiento estructural (410) comprende uno o más elementos de aislamiento (440), con un primer elemento lateral (444), un segundo elemento lateral (445), un núcleo de acero insertado (443) y un perno (446) recibido en el núcleo de acero, dicho uno o más elementos de aislamiento (440) aíslan partes de las barras de aislamiento estructural (410) mientras que el perno (446) está dispuesto para unirse a una brida (451, 452) de la carcasa (401) del estátor.

La figura 6a muestra la vista frontal de un ejemplo de un cable 600 que puede usarse conectando el generador eléctrico a un convertidor de frecuencia 750 en una turbina eólica de acuerdo con las realizaciones presentadas. El cable 600 tiene tres conductores de fase principal 601,602, 603 ubicados simétricamente cada uno con una capa de aislamiento 609. El cable 600 también comprende un conductor de retorno 604 y un blindaje conductor (con cubierta de aislamiento externa opcional) o una pantalla 607. La pantalla puede ser una pantalla trenzada y/o una pantalla de lámina, ya que proporcionan blindaje para diferentes intervalos de frecuencia.

La figura 6b muestra la vista frontal de un ejemplo de otro cable 610 que puede usarse conectando el generador eléctrico a un convertidor de frecuencia 750 en una turbina eólica de acuerdo con las realizaciones presentadas. El cable 600 tiene tres conductores de fase principal 601, 602, 603 ubicados simétricamente, cada uno con una capa de aislamiento 609. El cable 600 también comprende tres conductores de retorno 604, 605, 606, también ubicados simétricamente, y una pantalla 607.

Para aprovechar al máximo el sistema de estátor aislado, se prefiere que las conexiones del cable de potencia sean las que se muestran en las figuras 6a, 6b. Los núcleos de los cables de potencia están dispuestos en un triángulo equilátero correspondiente a las 3 fases, con retorno a toma de tierra aislado separado. El blindaje conductor externo se utiliza para el control de EMI convencional y también sirve como toma de tierra de seguridad. Según el tamaño del generador o la corriente total, los cables de potencia se pueden subdividir en más de 1, duplicando cada uno las características anteriores.

La figura 7 muestra esquemas de un ejemplo de un tren de potencia 700 de turbina eólica. Empezando de izquierda a derecha con una caja de cambios GBX 770, el eje de baja velocidad (no mostrado) está conectado al rotor 3 de la turbina eólica. La caja de cambios 770 está montada directamente en la carcasa 701 del generador, donde el lado de alta velocidad de la caja de cambios está conectado al generador a través de un eje estriado 771, rotando el rotor 703, que está soportado por varios cojinetes 704. El rotor 703 rota dentro del estátor 702 de la máquina. El estátor 702 tiene una pluralidad de devanados 705 de estátor, conectados a un conductor 741 del cable 740 del generador, para transmitir la potencia eléctrica generada al convertidor de frecuencia 750. El núcleo del estátor 702 tiene un terminal eléctrico para una trayectoria de retorno 743 para el ruido de modo común.

En una realización, la máquina eléctrica se monta directamente junto con una caja de engranajes (770) mediante un eje estriado (771).

El efecto de esta realización es que una caja de cambios montada directamente es a menudo propensa a corrientes parásitas que van desde el eje del generador al eje de la caja de cambios y, a partir de eso, choca contra el cojinete de la caja de cambios o provoca chispas en los dientes de la caja de cambios. Por lo tanto, es muy importante que las corrientes parásitas se eliminen antes de que puedan causar daños a la caja de cambios.

El estátor está suspendido de la carcasa 701 del generador por medio de barras de aislamiento estructural 710 eléctricamente aisladas (solo se muestra una).

El convertidor de frecuencia 750 convierte en dos etapas, en primer lugar, la potencia de frecuencia variable producida por el generador 701 se convierte en potencia de c C en el inversor de lado de máquina 751. La potencia de CC se alimenta a través de un bus de CC 753 a un inversor de lado de red 752, que invierte la potencia eléctrica en potencia de CA a una frecuencia de red de 50 Hz o 60 Hz, dependiendo de la ubicación. En ambos lados de CA de los convertidores, un disyuntor 756a, 756b está dispuesto de modo que sea posible desconectarlo de la potencia, y también hay un filtro 757a, 757b a ambos lados. El filtro 757a, 757b solo puede comprender una bobina de choque de CA o también algún tipo de filtros dv/dt y/o filtros sintonizados para eliminar armónicos específicos, ya sea por armónicos generados en el generador o armónicos provocados por la red.

En una realización, al menos el filtro 757a del inversor de lado de máquina tiene un filtro de modo común con un terminal de conexión para la trayectoria de retorno 743, en donde se trata el ruido de modo común.

El convertidor 750 tiene una conexión a tierra común 754, que es esencial con respecto a la trayectoria de retorno 743 desde el estátor 702, y el ruido de modo común se envía de vuelta al convertidor 750 a través de una trayectoria de retorno de cable 744 en el cable 740. El cable 740 comprende al menos un conductor 746 para cada fase eléctrica, una trayectoria de retorno de cable 744 y un blindaje de cable 745, donde el blindaje de cable en un extremo está conectado a la carcasa del estátor y en el otro extremo está conectado al armario del convertidor.

En una realización, el cable 740 es un conducto de cable que rodea los conductores de fase 746 y la trayectoria de retorno 744, que está blindado con un blindaje 745. El blindaje termina en la carcasa 701 del generador y en el armario del convertidor 754.

La combinación del núcleo de estátor aislado 702 de la carcasa 701 del generador, el blindaje de cable 745 y la trayectoria de retorno 743, 744 de regreso al convertidor 750 proporciona una solución para minimizar o incluso eliminar los problemas de corriente de los cojinetes en el generador eléctrico y también proporciona una solución para evitar corrientes parásitas en la caja de cambios 770. Todo instalado en una turbina eólica 1. Los remedios para resolver el problema deben verse como una combinación, donde al menos el estátor aislado o la trayectoria de retorno requiera el otro, con el fin de solucionar este problema.

Se deben considerar todos los elementos siguientes: potencia eléctrica, blindaje, conexión a tierra, interfaces de filtrado con el generador que son clave para controlar las corrientes parásitas de alta frecuencia en un tren de potencia 700.

Las tomas de tierra aisladas se conectan al núcleo del estátor aislado dentro del generador en un extremo y luego al punto neutro de modo común adecuado en el extremo del convertidor.

La figura 8 muestra en el lado derecho de la figura tres ejemplos de conexión a tierra flotante con toma de tierra de referencia en un sistema de potencia eléctrica, la lista no está completa y otros sistemas de conexión a tierra también se aplican a la invención. El lado izquierdo de la figura 7 muestra de manera sencilla un generador con una trayectoria de retorno de conexión a tierra flotante desde el núcleo del estátor. Los conductores de fase reales no se muestran ya que la figura 7 solo se refiere al sistema de conexión a tierra.

El primer sistema que se muestra 801 tiene el retorno de conexión a tierra conectado en el centro del enlace de CC, es decir, cero voltios de CC, que también puede verse como neutro sintetizado.

El segundo sistema 802 tiene un filtro de modo común para los conductores trifásicos, el filtro comprende tres condensadores conectados a un punto neutro. El punto neutro funciona como el retorno de conexión a tierra.

El tercer sistema 803 tiene el retorno de conexión a tierra en el transformador conectado entre el convertidor de frecuencia y la red. El transformador está configurado en Wye (estrella)-delta, el retorno de conexión a tierra es el punto neutro del lado secundario del transformador.

La característica común para todos los sistemas de conexión a tierra propuestos es que el retorno a toma de tierra flotante está conectado a una referencia de toma de tierra de un solo punto en el sistema de conversión de potencia eléctrica y no comparte ninguna conexión con otros sistemas, como la carcasa del generador o los armarios del convertidor.

El retorno a toma de tierra aislado evita que se inyecte cualquier gradiente de tensión en la estructura del tren de potencia debido a impedancias distribuidas y trayectorias de conexión a tierra compartidas en paralelo. Los gradientes de tensión son dominantes en un sistema de conversión de potencia eléctrica, a medida que los convertidores cambian la tensión en los terminales del convertidor de nivel positivo a negativo del enlace de CC.

Los blindajes de cable están aislados del retorno a toma de tierra del estátor aislado y crean una conexión galvánica en ambos extremos con la carcasa o armarios metálicos (como es típico en los blindajes EMI).

Esto es especialmente crítico en trenes de potencia de velocidad media con acoplamiento directo o cerrado, donde no existen los tratamientos fáciles de los cojinetes híbridos y el acoplamiento HSS aislante, conectando el eje de la caja de cambios con el eje del generador.

El núcleo del estátor aislado abre un nuevo conjunto de opciones de conexión a tierra para máquinas eléctricas y sistemas de convertidor, donde los elementos clave pueden verse como:

• el núcleo del estátor está eléctricamente aislado de la carcasa

• las trayectorias de corriente aisladas separadas para corrientes de modo común inyectadas en el estátor y el resto del sistema de toma de tierra

En general, son posibles muchas configuraciones diferentes, pero con objetivo común:

- los blindajes de cable están alrededor de grupos de trifásicos,

- conductores aislados dedicados para corrientes capacitivas de modo común,

- el conductor PE se puede integrar posiblemente en el blindaje, u otra conexión a tierra dedicada aislada,

- el cable de potencia tiene tres núcleos de potencia (para 3 fases, 1 a 3 retornos de corriente neutra y un blindaje de toma de tierra aislada) - Se necesitarán varios cables de estos.

Además, la figura 7 también muestra un transformador 755 que está conectado al inversor de lado de red 752 en un lado secundario y a una red eléctrica 760 en el lado primario. El lado secundario tiene una conexión Wye con un terminal de toma de tierra 765. El lado primario tiene una conexión delta.

En una realización, se puede utilizar otra configuración de transformador.

La figura 9 muestra una turbina eólica (WT) 1 ilustrativa, que es una de una pluralidad de turbinas eólicas de una central eólica (WPP). Tiene un rotor 3 con un cubo en el que, p. ej., se montan tres palas 4. El ángulo de paso de las palas 4 del rotor es variable por medio de accionadores de paso. El rotor 3 está soportado por una góndola 5 y acciona un generador 12 a través de un eje principal 8, una caja de cambios 10 y un eje de caja de cambios de alta velocidad 11. Esta estructura es ilustrativa; otras realizaciones, por ejemplo, utilizan una configuración donde el generador 12 y la caja de cambios 10 están conectados juntos como un bloque.

El generador 12 (p. ej., generador de inducción o síncrono) produce potencia de salida eléctrica de una frecuencia relacionada con la velocidad de rotación del rotor 3, que se convierte a la frecuencia de la red (p. ej., alrededor de 50 o 60 Hz) mediante un convertidor de potencia 19. La tensión de la potencia eléctrica así producida es transformada hacia arriba por un transformador 9. La salida del transformador 9 son los terminales 9a del generador de turbina eólica. La potencia eléctrica del generador 1 de turbina eólica y de los demás generadores de turbina eólica WT2, WTn de la central eólica se alimenta a una red 18 de central eólica (simbolizada por la referencia "a" en la figura 9). La red 18 de la central eólica está conectada en un punto de acoplamiento 21 común y un transformador elevador 22 adicional opcional a una red eléctrica 20 externa de la central eólica. Un sistema de control incluye un controlador 13 de turbina eólica y un controlador 23 de central eólica. El controlador 23 de la central eólica controla el funcionamiento del generador 1 de turbina eólica individual.

En una realización, el generador que tiene un estátor está eléctricamente aislado y con una caja de cambios montada directamente, siendo el generador un generador de velocidad media.

Se entenderá que los beneficios y ventajas descritos anteriormente pueden estar relacionados con una realización o pueden estar relacionados con varias realizaciones. Se entenderá además que la referencia a "un" artículo se refiere a uno o más de esos artículos.

Se entenderá que la descripción anterior de una realización preferida se da a modo de ejemplo únicamente y que los expertos en la materia pueden realizar diversas modificaciones. La memoria descriptiva, los ejemplos y los datos anteriores proporcionan una descripción completa de la estructura y el uso de realizaciones ilustrativas de la invención. Aunque anteriormente se han descrito diversas realizaciones de la invención con cierto grado de particularidad, o con referencia a una o más realizaciones individuales, los expertos en la materia podrían hacer numerosas modificaciones a las realizaciones divulgadas sin apartarse del alcance de la presente invención.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Una turbina eólica que comprende una máquina eléctrica en donde dicha máquina eléctrica comprende un estátor (702) que comprende una carcasa (701) de estátor y uno o más devanados eléctricos (704), dicho(s) devanado(s) eléctrico(s) está(n) dispuesto(s) para conectarse a una red eléctrica (760) mediante al menos un cable (740)

- comprendiendo dicho al menos un cable (740) al menos un conductor de fase (746) y al menos una trayectoria de retorno (744) adecuada para conducir corrientes parásitas, y al menos un blindaje eléctrico (745),

- estando aislado eléctricamente el estátor de dicha carcasa (701) de estátor.

2. La turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el(los) devanado(s) eléctrico(s) (704) está(n) conectado(s) a la red eléctrica a través de al menos un convertidor de potencia (750).

3. La turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la trayectoria de retorno para corrientes parásitas está conectada al estátor (702) en un primer extremo (741) de dicho al menos un cable (740) y un segundo extremo (742) de dicho al menos un cable (740) está conectado a un punto medio (780) del enlace de CC de dicho al menos un convertidor de potencia (750).

4. La turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la trayectoria de retorno para corrientes parásitas está conectada al estátor (702) en un primer extremo (741) de dicho al menos un cable (740) y un segundo extremo (742) de dicho al menos un cable (740) está conectado a un punto neutro de un filtro de modo común (757a) de dicho al menos un convertidor de potencia (750).

5. La turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 2, en donde la trayectoria de retorno para corrientes parásitas está conectada al estátor (702) en un primer extremo (741) de dicho al menos un cable (740) y un segundo extremo (742) de dicho al menos un cable (740) está conectado a un punto neutro (765) de un transformador (755), en donde el transformador está conectado entre dicho al menos un convertidor de potencia (750) y la red eléctrica (760).

6. La turbina eólica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en donde dicho al menos un blindaje está conectado con un primer extremo en la carcasa (701) de estátor y un segundo extremo conectado en un chasis de convertidor (754).

7. La turbina eólica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la máquina eléctrica está dispuesta para rotar a un intervalo de velocidad comprendido entre 100 y 900 RPM.

8. La turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el estátor (402) está aislado de la carcasa (401) de estátor por una pluralidad de barras de aislamiento estructural (410) unidas al estátor (402), las barras de aislamiento estructural (410) proporcionan aislamiento entre el estátor (402) y la carcasa (401) de estátor, mientras que el estátor (402) está suspendido dentro de la carcasa (401) de estátor.

9. La turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8, en donde cada una de las barras de aislamiento estructural (410) comprende uno o más elementos de aislamiento (440), con un primer elemento lateral (444), un segundo elemento lateral (445), un núcleo de acero insertado (443) y un perno (446) recibido en el núcleo de acero,

dicho uno o más elementos de aislamiento (440) aíslan partes de las barras de aislamiento estructural (410) mientras que el perno (446) está dispuesto para unirse a una brida (451,452) de la carcasa (401) del estátor.

10. La turbina eólica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la máquina eléctrica se monta directamente junto con una caja de engranajes (770) mediante un eje estriado (771).

11. La turbina eólica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde los elementos de aislamiento (440, 540) también proporcionan una función de amortiguación mecánica.

12. Método para minimizar corrientes parásitas en una máquina eléctrica en una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye:

- conducir corrientes parásitas a través de al menos una trayectoria de retorno (744) en dicho al menos un cable (740), y

- blindar dicho al menos un cable (740) con al menos un blindaje eléctrico (745),

- aislar eléctricamente el estátor de una carcasa (701) de estátor.