SISTEMA DE PROTECCIÓN PARA GENERADOR ELÉCTRICO, TURBINA EÓLICA Y USO DE LA MISMA
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema de protección para un generador eléctrico, a una turbina eólica y al uso de la misma.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las modernas turbinas eólicas están conectadas, normalmente, con la red de distribución de una empresa generadora de electricidad, para poder generar y suministrar electricidad a los consumidores que se ubican lejos de las turbinas eólicas. Para extraer lo máximo posible de la energía del viento, la velocidad del rotor de la turbina eólica aumenta y disminuye de acuerdo con los cambios en la velocidad del viento y, en consecuencia, la frecuencia de la electricidad generada por el generador eléctrico es variable. Esta electricidad de frecuencia variable se convierte, por medio de un convertidor de frecuencia, en electricidad de frecuencia fija, la cual se suministra a la red de la compañía de electricidad. El convertidor de frecuencia puede introducir en el generador eléctrico diferentes corrientes parásitas, por
ejemplo, en la flecha y en el alojamiento del generador. Es bien conocida la práctica de aterrizar las partes estacionarias y giratorias del generador para evitar las corrientes parásitas. No obstante, es posible que las bien conocidas formas de aterrizar esas partes estacionarias y giratorias generen problemas en lo referente a que dentro del generador haya circulación de corrientes parásitas. Esta circulación de corrientes parásitas puede derivar en la corrosión de los rodamientos, lo que afectará de manera negativa la vida útil del generador. Por lo tanto, un objeto de la presente invención es presentar una solución que se adapte más eficientemente a la situación de un generador eléctrico, tal como el de una turbina eólica.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN La invención presenta un sistema de protección para un generador eléctrico de turbina eólica que incluye al menos una trayectoria de corriente continua que va del extremo no transmisor de la flecha del generador al potencial de tierra, y al menos una trayectoria de corriente alterna que va del extremo transmisor de la flecha del generador al potencial de tierra. De esta manera, se obtiene un sistema que puede
proteger con eficiencia al generador eléctrico al controlar las trayectorias de las diferentes corrientes parásitas en la turbina eólica. En especial, es posible evitar que las corrientes parásitas circulen en el generador eléctrico, lo cual podría dañar los rodamientos. La expresión "trayectoria de la corriente alterna" deberá ser entendida como una trayectoria definida que únicamente conduce corrientes alternas. En un aspecto de la invención, la trayectoria de la corriente alterna incluye un circuito de impedancia, tal como por ejemplo, al menos un capacitor. La expresión "circuito de impedancia" deberá ser entendida como una unidad eléctrica separada y definida que está constituida al menos por un valor de reactancia. El capacitor establece la trayectoria deseada de la porción de alta frecuencia de la corriente parásita. Por otra parte, el capacitor bloquea una trayectoria indeseable para la corriente parásita de DC, misma que únicamente se desea enviar a tierra en el extremo no transmisor. En un aspecto de la invención, el o los capacitores son un tipo de capacitor cuya capacidad de cambio de voltaje dV/dt es de alta velocidad, por ejemplo, de al menos 500 volts/^s, como por ejemplo, la de capacitores de polipropileno. La porción de alta frecuencia de la corriente parásita puede incluir pulsos de alto
voltaje que necesitan un capacitor cuya capacidad de cambio de voltaje dV/dt sea de alta velocidad y que también tenga un valor de voltaje operativo elevado. En otro aspecto de la invención, el valor de la capacitancia del o de los capacitores está en' el intervalo de 100 a 1,000 microfaradios . En otro aspecto de la invención, el o los capacitores pueden formar parte de una pluralidad de capacitores conectados en serie y/o en paralelo. Utilizar una pluralidad de capacitores conectados en serie y/o en paralelo es, posiblemente, una forma redituable para obtener los valores deseados, como por ejemplo, una alta capacitancia y/o un valor de voltaje operativo elevado. En un aspecto adicional de la invención, el valor de la capacitancia del por lo menos un capacitor es muy diferente de la o las capacitancias internas del generador eléctrico, por ejemplo, al menos 10 veces el valor de la capacitancia en los rodamientos. De este modo, se asegura que el capacitor sea la trayectoria más viable para la corriente parásita de alta frecuencia, en vez de la de los capacitores internos del generador. En un aspecto de la invención, las conexiones con el extremo transmisor y el extremo no transmisor se realizan utilizando conectores eléctricos giratorios. Los conectores eléctricos giratorios pueden ser cualquier tipo
de conectores eléctricos para equipo giratorio, por ejemplo, anillos deslizantes con escobillas de carbón o de cobre, tales como, escobillas de carbón/plata. En algunos aspectos de la invención, los conectores eléctricos giratorios en el extremo transmisor o no transmisor de la flecha del generador son anillos deslizantes, donde cada uno de ellos establece una pluralidad de conexiones utilizando, en forma ilustrativa, entre dos y cuatro escobillas, por ejemplo, tres escobillas dispuestas preferentemente de manera simétrica alrededor de la flecha del generador. De esta manera, es posible establecer una conexión eléctrica giratoria de muy baja resistencia y, en especial, es ventajoso usar tres escobillas desde el punto de vista de la resistencia, la durabilidad, el tamaño y los costos. Deberá enfatizarse que las escobillas pueden ser sustituidas por cualquier otro tipo de conector eléctrico giratorio, como por ejemplo, una configuración de rodamiento de bolas que contenga grasa para rodamientos conductora de electricidad. En un aspecto de la invención, el generador eléctrico se conecta con otros componentes de la turbina eólica por medio de la flecha y una conexión de flecha eléctricamente aislada, por ejemplo, una conexión combinada que tiene bridas separadas con fibra de vidrio. De esta
manera, se asegura que el generador y los demás componentes de la turbina eólica estén eléctricamente desconectados por intermediación de la flecha. En otro aspecto de la invención, el generador eléctrico es un generador asincrónico de inducción de doble alimentación que tiene un rotor devanado conectado a un convertidor de frecuencia. En especial, la estrecha relación eléctrica entre los rodamientos del rotor y el convertidor de frecuencia conectado con el rotor le da ventajas al uso del sistema de protección, por ejemplo, en lo que se refiere a los picos de voltaje y al ruido de modo común de un generador en una turbina eólica moderna. En otros aspectos de la invención, el generador eléctrico es un generador asincrónico de inducción o sincrónico que tiene un estator conectado a un convertidor de frecuencia. En otro aspecto de la invención, la al menos una trayectoria de corriente es una conexión en corto circuito al potencial de tierra. De esta manera, es posible dirigir la corriente de DC al potencial de tierra sin que fluya a través de los rodamientos del generador. La expresión "trayectoria de corriente continua" debe ser entendida como aquella conexión cuyo objetivo es que la conexión del extremo no transmisor de la flecha del generador con el potencial de tierra tenga una reactancia y
una resistencia muy bajas. La invención se refiere además a una turbina eólica que suministra energía eléctrica a una red de distribución de una compañía eléctrica, la turbina contiene al menos un generador eléctrico, al menos un convertidor de frecuencia conectado entre el generador eléctrico y la red de distribución de la compañía eléctrica y al menos un sistema de protección para el generador eléctrico. De esta manera, es posible controlar que cualquier ruido de corriente parásita no se vaya por trayectorias no deseadas en una turbina eólica protegiendo, por ejemplo, a los rodamientos del generador y de la caja de engranes. Por otra parte, la compatibilidad electromagnética o EMC, por sus siglas en inglés, de la turbina eólica asegura que el ruido de alta frecuencia no pueda utilizar como antena a la flecha del generador. La invención también se refiere al uso del sistema de protección como filtro del ruido eléctrico en una turbina eólica. De esta manera, es posible controlar que cualquier ruido de corriente parásita no se vaya por trayectorias no deseadas en una turbina eólica protegiendo, por ejemplo, a la flecha del generador eléctrico de las diferentes corrientes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS 52-525
La invención se describirá a continuación con referencia a las figuras, en las cuales: La Figura 1 ilustra una turbina eólica grande y moderna . La figura 2 ilustra la turbina eólica de la figura 1 conectada eléctricamente a una red de distribución de una compañía eléctrica. La figura 3 ilustra un generador eléctrico de una turbina eólica y un sistema de protección de conformidad con la invención. La figura 4 ilustra una vista aumentada de partes del generador eléctrico con el sistema de protección de conformidad con la invención. La figura 5 ilustra de manera esquemática una parte del generador eléctrico con un circuito de impedancia del sistema de protección de conformidad con la invención. La figura 6 ilustra de manera esquemática una modalidad preferida del sistema de protección de conformidad con la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Figura 1 ilustra una moderna turbina eólica 1. La turbina eólica 1 tiene una torre 2 montada sobre la cimentación 6. En la parte superior de la torre 2 hay una góndola 3 de turbina eólica que tiene un mecanismo de
orientación . El rotor de la turbina eólica contiene al menos un aspa de rotor, en este caso, tres aspas 5 de rotor como se ilustra en la figura. Las aspas 5 del rotor pueden cambiar su ángulo de paso con respecto al buje 4, por medio de mecanismos de cambio del ángulo de paso, o pueden estar montadas en forma fija en el buje 4 como aspas inmóviles del rotor. La figura 2 ilustra los componentes principales de una moderna turbina eólica y, en especial, los componentes principales de la góndola 3, asi como los componentes eléctricos de la red de distribución de la compañía eléctrica que se conectan con la turbina eólica. La turbina eólica se ilustra con una caja de engranes 7 conectada con las aspas 5 del rotor por medio del buje 4 así como con el generador eléctrico 9 por medio de una flecha. El generador eléctrico transforma la rotación de la flecha en electricidad alterna, la cual es convertida, total o parcialmente, por un convertidor de frecuencia 10 antes de ser transmitida a una red de distribución 13 de la compañía eléctrica y a los abonados 14a-c que consumen la electricidad de la red de la compañía eléctrica . La figura 3 ilustra un generador eléctrico 9 de una turbina eólica con un sistema de protección de
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conformidad con la invención. La figura ilustra que el generador eléctrico 9 tiene una flecha 8, donde la flecha extiende su extremo transmisor hacia la caja de engranes 7 y extiende su extremo no transmisor hacia el convertidor de frecuencia 10. Los extremos transmisor y no transmisor de la flecha 8 giran en los rodamientos 17a y 17b del alojamiento 18 del generador y permiten, de esta manera, que los devanados del rotor giren con respecto a los devanados del estator. El convertidor de frecuencia 10 está conectado con los devanados del rotor, a través de la flecha 8, por medio de una conexión 23 de anillo deslizante, con lo que la electricidad generada por el rotor 15 puede ser transferida al convertidor de frecuencia. El convertidor de frecuencia convierte, mediante el funcionamiento de varios conmutadores eléctricos, la electricidad de frecuencia variable generada en electricidad de frecuencia fija para la red de distribución de la compañía eléctrica. El convertidor de frecuencia 10 también puede ser un convertidor de escala completa que convierte la electricidad generada del estator 16 y del rotor 15 para la red de distribución 13 de la compañía eléctrica. Las operaciones de conmutación generarán diferentes tipos de ruido eléctrico, por ejemplo, ruido de alta y baja frecuencia. Por otra parte, el ruido puede ser
transferido, como corrientes parásitas, a los diferentes componentes principales de la turbina eólica, como por ejemplo, las partes giratorias y estacionarias del generador y de la caja de engranes. Las corrientes parásitas pueden, por ejemplo, seguir una trayectoria de corriente de las partes giratorias del generador hacia la parte estacionaria del generador a través de los rodamientos 17a y 17b. La flecha del generador 8 se ilustra con un sistema de protección que tiene un circuito 24 de conexión directa del extremo no transmisor a través de una conexión de anillo deslizante hasta el potencial de tierra. La conexión directa 24 asegura el aterrizado de cualquiera de las corrientes parásitas del extremo no transmisor. El sistema de protección incluye además un circuito de impedancia 19, que tiene un valor de impedancia Zd, conectado a un potencial de tierra. El circuito de impedancia separado 19 también está conectado con el extremo transmisor de la flecha 8 por medio de una conexión de anillo deslizante. La impedancia asegura una trayectoria a tierra para las corrientes parásitas de alta frecuencia y evita que cualquier trayectoria de corriente parásita de DC en el extremo transmisor de la flecha. El sistema de protección asegura, en especial, que las corrientes parásitas no estén circulando a través
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de los rodamientos 17a y 17b o que usen a la flecha como una antena que irradie interferencia electromagnética. La figura 4 ilustra una vista aumentada de una parte del generador eléctrico 9 con un sistema de protección de conformidad con la invención. El circuito de impedancia se ilustra con la impedancia separada 20 conectada con la conexión 21 de anillo deslizante o con conectores eléctricos giratorios semejantes, asi como con el potencial de tierra 22. La conexión 21 de anillo deslizante permite establecer un contacto eléctrico deslizante con la flecha 8 en el extremo transmisor . El circuito de conexión directa se ilustra con una conexión directa 27 entre la conexión de anillo deslizante 26 o conectores eléctricos giratorios semejantes y un potencial de tierra 22. La conexión 26 de anillo deslizante permite establecer un contacto eléctrico deslizante con la flecha 8 en el extremo no transmisor. La figura 5 ilustra de manera esquemática una parte del generador eléctrico con un circuito de impedancia del sistema de protección de conformidad con la invención. El circuito de impedancia 19 se ilustra como un capacitor que tiene un valor de capacitancia Cd- El rodamiento 17a del extremo transmisor del generador eléctrico se ilustra por medio de una bola 25 del
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rodamiento y con capacitores parásitos Cb en las pistas del rodamiento. Los capacitores parásitos Cb se establecen por medio del aceite o la película de grasa que separa las pistas de la bola del rodamiento. Un capacitor parásito/pista está conectado con un potencial de tierra a través del alojamiento 18 del generador y el otro capacitor parásito/pista está conectado a la flecha 8. Por ejemplo, pueden establecerse capacitancias parásitas adicionales entre el rodamiento y las partes adyacentes del alojamiento del estator. El capacitor Cd está conectado en paralelo con los capacitores parásitos conectados en serie. La reactancia de un capacitor se obtiene por medio de:
donde : ? = 2nf, es la frecuencia angular, f = frecuencia. C = capacitancia.
La capacitancia del capacitor Cd es mucho mayor que la suma de las capacitancias parásitas Cb. En
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consecuencia, la reactancia de los capacitores parásitos Cb es sensiblemente mayor que la reactancia del capacitor Cd. De este modo, casi toda la corriente parásita de alta o baja frecuencia elegirá como trayectoria de corriente al capacitor Cd. Por lo general, la reactancia es inversamente proporcional a la frecuencia. Es decir, en el caso de corrientes alternas de muy alta frecuencia, la reactancia se aproximada a cero, de modo que un capacitor está casi en corto circuito con una fuente de AC de muy alta frecuencia. Y a la inversa, en el caso de corrientes alternas de muy baja frecuencia, la reactancia aumenta sin limite, de modo que un capacitor es un circuito abierto ante una fuente de DC. Por otra parte, una corriente alterna de baja frecuencia, tal como puede ser una corriente que tiene la frecuencia nominal de la red de distribución o componentes armónicas menores que la frecuencia de la red de distribución, enfrentará una reactancia significativa en el capacitor, por ejemplo, las componentes armónicas debidas a las diferentes cargas en los devanados de fase del generador. En consecuencia, mucha de la energía de las corrientes de frecuencias inferiores se convertirá en calor en el capacitor, es decir, el capacitor suprimirá los valores de la corriente de baja frecuencia.
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El capacitor es, de preferencia, un capacitor cuya capacidad de cambio de voltaje dV/dt es de alta velocidad, ya que las corrientes parásitas incluyen, con frecuencia, pulsos de voltaje importantes. La corriente instantánea en un capacitor se expresa, con frecuencia, por medio de la velocidad de cambio de voltaje o dV/dt. El cambio se relaciona de conformidad con la fórmula I = C * dV/dt, es decir, dV/dt = I/C. Los cambios de voltaje pueden, con frecuencia, ser esencialmente de onda cuadrada, por ejemplo, con una velocidad de cambio de voltaje de más de 500 voltios/ s, por ejemplo, 700 u 800 ?/µe. La figura 6 ilustra de manera esquemática una modalidad preferida del sistema de protección de conformidad con la invención. Las dos figuras ilustran tanto al extremo transmisor 30 como al no transmisor 29 de la flecha 8 del generador con el sistema de protección 28 instalado. La primera figura muestra tres escobillas estacionarias 33a empujadas contra el extremo no transmisor giratorio 29 de la flecha 8 del generador, las escobillas se deslizan, por ejemplo, contra un anillo deslizante en el extremo de la flecha. Las escobillas están simétricamente colocadas alrededor de la flecha, es decir, su separación
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es, prácticamente, de 120 grados. Cada escobilla está directamente conectada al potencial de tierra 22, por ejemplo, con una conexión a un circuito común para las escobillas del extremo no transmisor, donde este circuito está conectado al potencial de tierra. La segunda figura muestra tres escobillas estacionarias 34a empujadas contra el extremo transmisor giratorio 30 de la flecha 8 del generador, las escobillas se deslizan, por ejemplo, contra un anillo deslizante en el extremo de la flecha. Las escobillas están simétricamente colocadas alrededor de la flecha, es decir, su separación es, prácticamente, de 120 grados. Cada escobilla está conectada al potencial de tierra por medio de un capacitor 31a o de varios capacitores conectados en paralelo y/o en serie . La figura 6 (con referencia a la figura 3) ilustra, en general, el sistema de protección 28 con respecto al generador eléctrico de una turbina eólica. La trayectoria de corriente que se establece con la conexión directa en el extremo no transmisor de la flecha del generador asegura que toda corriente de DC sea enviada directamente al potencial de tierra. La trayectoria de la corriente alterna establecida con los capacitores en el extremo transmisor de la flecha del generador asegura que toda corriente de alta frecuencia sea enviada directamente
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al potencial de tierra y toda corriente de baja frecuencia sea suprimida con la reactancia de los capacitores. La invención ha sido ejemplificada en lo anterior con referencia a ejemplos específicos de impedancias en un sistema de protección de un generador eléctrico. Sin embargo, debe entenderse que la invención no se limita al ejemplo de impedancia particular anteriormente descrito, sino que puede ser modificada utilizando, por ejemplo, varias impedancias conectadas en serie o en paralelo, tal como 3 capacitores conectados en paralelo o 3 capacitores conectados en serie. Por otra parte, debe entenderse que el uso de capacitores puede ser sustituido por configuraciones de bobina/capacitor, por ejemplo, con la finalidad de establecer en el extremo transmisor un filtro de banda pasante, en vez de una solución de filtro de paso alto. Adicionalmente, el sistema de protección puede diseñarse con una multitud de variedades dentro del alcance de la invención, como se especifica en las reivindicaciones .
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LISTA DE REFERENCIA En los dibujos, los siguientes números de referencia se refieren a:
1. Turbina eólica. 2. Torre de la turbina eólica. 3. Góndola de la turbina eólica. 4. Buje del rotor de la turbina eólica. 5. Aspa del rotor de la turbina eólica. 6. Cimentación de la turbina eólica. 7. Caja de engranes. 8. Flecha del generador, tal como la flecha de alta velocidad que interconecta la caja de engranes y el generador eléctrico. 9. Generador eléctrico. 10. Convertidor de frecuencia. 11. Conexión de la turbina eólica con un punto de conexión de la red de distribución de la compañía eléctrica . 12. Transformador de la red de distribución de la compañía eléctrica. 13. Red de distribución de la compañía eléctrica. 14a-c. Consumidores de electricidad. 15. Devanado del rotor del generador eléctrico. 16. Devanado del estator del generador eléctrico. 17a. Rodamiento del extremo transmisor del generador eléctrico . 17b. Rodamiento del extremo no transmisor del generador eléctrico . 18. Alojamiento del generador eléctrico. 19. Porción de la trayectoria de la corriente alterna del sistema de protección del generador eléctrico.
20. Trayectoria de la corriente alterna, por ejemplo, una impedancia del sistema de protección. 21. Conexión con el extremo transmisor de la flecha del generador, por ejemplo, una conexión de anillo deslizante . 22. Potencial de tierra del sistema de protección.
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Conexión de anillo deslizante entre el generador eléctrico y el convertidor de frecuencia. Porción de la trayectoria de corriente, por ejemplo, una conexión directa que aterriza la flecha del generador en el extremo no transmisor. Elemento rodante del rodamiento, como por ejemplo, una bola de rodamiento. Conexión con el extremo no transmisor de la flecha del generador, por ejemplo, una conexión de anillo deslizante . Conexión directa, como un corto circuito del extremo no transmisor de la flecha del generador. Sistema de protección que incluye las partes con trayectoria de corriente 24 y con trayectoria de corriente alterna 19. Extremo no transmisor de la flecha del generador. Extremo transmisor de la flecha del generador. Al menos un capacitor, por ejemplo, con eleva capacidad dV/dt. 32. Conexión de la flecha que incluye, por ejemplo, dos bridas separadas con fibra de vidrio. 33. Escobilla - del extremo no transmisor de la flecha del generador. 34. Escobilla - del extremo transmisor de la flecha del generador . C. Capacitor . Cb · Capacitancias de un rodamiento del generador. Ca · Capacitor del sistema de protección. I . Corriente . Zd . Impedancia del sistema de protección.
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