MX2011012099A - Sistema y método para controlar una turbina de eólica. - Google Patents

Abstract

Un sistema para el control de las RPM de una turbina eólica que comprende el uso de inversores para el consumo de corriente de la turbina eólica, desacelerando así la velocidad giratoria de los álabes de la turbina eólica. En otro aspecto se proporciona una resistencia y un mecanismo de interruptores fijado entre la resistencia y una línea de fase para incrementar la carga en la línea de fase. Un motor de orientación también es usado para orientar la dirección del frente de la turbina eólica fuera del viento. Más aun, un mecanismo de interruptores normalmente cerrado puede redirigir la corriente de una línea de fase a través de una resistencia. Un freno normalmente cerrado también es usado para enganchar mecánicamente la turbina cuando falla el sistema de control. Un embrague de orientación normalmente cerrado al desengancharse, Permite que la góndola esté afuera de la turbina eólica, para girar libremente en la dirección del viento hacia abajo. El sistema también comprende un interruptor que puede crear un corto eléctrico entre las líneas de fase de la turbina.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA CONTROLAR UNA TURBINA EÓLICA REFERENCIA CRUZADA CON SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud reclama prioridad de la solicitud provisional Estadounidense No. 61/178,692 presentada el 15 de mayo de 2009, y cuyo contenido se incorpora aquí mediante referencia.

CAMPO TÉCNICO La presente invención se relaciona con métodos y aparatos para el control de una turbina eólica.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA La energía eléctrica puede generarse usando el viento para girar los álabes de una turbina eólica. Los álabes están conectadas al rotor de un generador eléctrico que coopera con un estator para generar una corriente eléctrica de una manera bien conocida. La salida de la energía eléctrica de la turbina, variará dependiendo de la velocidad de rotación de los álabes . Mientras más rápido giren los álabes, mayor el voltaje que se puede generar, y de conformidad, es preferible tener la velocidad giratoria práctica más alta. Sin embargo, si los álabes giran demasiado rápido, se pueden provocar daños a los componentes eléctricos debido a un alto voltaje excesivo o puede sucederle a la estructura de la turbina debido a tensión mecánica y vibraciones. Por otra parte, si la rotación de los álabes está indebidamente restringida, mediante la imposición de una alta carga eléctrica, por ejemplo, para acomodar las condiciones de viento extremas anticipadas, entonces el potencial de generación en rangos normales de operación, puede ser adversamente afectada. Por lo tanto, existe el deseo de controlar la velocidad de rotación de la turbina eólica mientras se optimiza la salida sobre un rango de condiciones de operación.

El control de una turbina eólica es particularmente un reto, debido a la variabilidad de la fuente de energía principal, a saber, el viento, el cual puede cambiar en velocidad y dirección. El generador producirá típicamente una salida de corriente alternante y la frecuencia de dicha salida variará a medida que varía la velocidad giratoria. Las fluctuaciones en la velocidad debido a las ráfagas de viento, son altamente impredecibles y es difícil discriminar entre una ráfaga y un incremento sostenido en la velocidad del viento. De conformidad, los algoritmos de control normales asociados con la generación de energía eléctrica, son generalmente insatisfactorios .

Se sabe controlar la salida de energía mediante el control de la operación del inversor usado para condicionar la energía pura recibida del generador en una forma aceptable para la utilidad. Al variar las condiciones de operación del inversor, la carga eléctrica colocada en el generador puede ser variada, lo cual, en cambio, controla la velocidad rotacional de los álabes. Sin embargo, debido a la variabilidad del viento, el control disponible del ajuste del inversor puede no ser suficiente.

También se ha propuesto extender el rango de operacón del control mediante el incremento selectivo de la carga eléctrica en el generador. La imposición de dicha carga es difícil de controlar debido a la impredecibilidad del viento, y puede resultar en ineficiencias si la carga es simplemente disipada como calor.

Por lo tanto es deseable que la presente invención evite o mitigue, al menos una de las desventajas mencionadas .

SUMARIO DE LA INVENCIÓN Se proporciona un sistema para el control de una turbina eólica, que comprende el uso de inversores para consumir corriente de la turbina eólica, desacelerando así la velocidad giratoria de los álabes de la turbina eólica.

En otro aspecto, el sistema comprende una resistencia y un mecanismo de conmutación fijado entre la resistencia y una línea de fase, en donde el sistema de conmutación se activa algunas veces para cortar o pulsar el voltaje en la línea de fase. En otro aspecto, el sistema comprende un motor de orientación para orientar la dirección del frente de la turbina eólica fuera del viento para reducir las fuerzas aerodinámicas en los álabes de la turbina. En otro aspecto, el sistema comprende un mecanismo de conmutación normalmente cerrado que está eléctricamente conectado en paralelo al otro sistema de conmutación, en donde la falla en el control del sistema redireccionaría la corriente de una línea de fase a través del mecanismo de conmutación normalmente cerrado mediante una resistencia para desacelerar o frenar la rotación de los álabes de la turbina eólica. Aún en otro aspecto, el sistema comprende un freno primario y uno secundario normalmente cerrados en relación con el eje del generador, en donde la falla en el control del sistema provocaría que ambos frenos normalmente cerrados engancharan mecánicamente el eje del generador para desacelerar o detener la rotación de los álabes de la turbina eólica. Aún en otro aspecto, el sistema comprende un embrague de orientación, en donde la falla en el control del sistema, desengancharía el embrague de orientación normalmente abierto y permitiría que la góndola de la turbina eólica rotara libremente en la dirección del viento hacia abajo, de forma tal que las fuerzas aerodinámicas contrarias a la parte posterior de los álabes de la turbina eolica, generarían muy poca o ninguna fuerza giratoria. Aún en otro aspecto, el sistema comprende un interruptor de derivación que, al estar cerrado, crearía un corto eléctrico entre las líneas de fase de la turbina, para desacelerar o detener la rotación de los álabes de la turbina eólica.

En otro aspecto, se proporciona un método para el control de la velocidad giratoria de un rotor que tiene uno o más álabes en una turbina eólica. El método comprende la determinación del ángulo de orientación de la turbina eólica en relación con la dirección del viento. Después el ángulo de orientación de la turbina eólica es cambiado para incrementar o reducir la eficiencia aerodinámica del uno o más álabes, controlando así la velocidad giratoria del uno o más álabes. En otro aspecto, el método incluye un controlador que envía una orden al motor de orientación, y el motor de orientación cambia el ángulo de orientación de la turbina eólica. Uno o más sensores pueden medir la dirección del viento y enviar las medidas de la dirección del viento al controlador. El controlador determina entonces el ángulo de orientación de la turbina eólica, en relación con la dirección del viento con base en las mediciones . El uno o más sensores pueden incluir una veleta. El ángulo de orientación de la turbina eólica es cambiado para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes cuando la velocidad del viento alcanza un límite superior predeterminado.

En otro aspecto, se proporciona un sistema para el control del ángulo de orientación de una góndola en una turbina eólica. El sistema comprende un embrague de orientación normalmente abierto mecánicamente conectado entre un motor de orientación y la góndola. El embrague de orientación es capaz de moverse a una posición cerrada cuando se aplica energía al embrague de orientación y es capaz de moverse a una posición abierta en la ausencia de energía. En la posición cerrada, el motor de orientación es Mecánicamente fijado a la góndola para controla el ángulo de orientación de la góndola, y, en la posición abierta, el motor de orientación es desactivado de la góndola y la góndola es capaz de orientarse independientemente del motor de orientación. El sistema también incluye uno o más álabes que están giratoriamente conectados a la góndola. El uno o más álabes que comprenden una superficie frontal y una superficie posterior, en donde la superficie posterior tiene una forma menos aerodinámica que la superficie frontal. Por lo tanto, cuando el embrague de orientación está en la posición abierta, la góndola se orienta libremente a cara con el viento, por lo que el viento sopla contra la superficie posterior del uno o más álabes y, por lo tanto, reduce la velocidad giratoria del uno o más álabes. El sistema también incluye un controlador para controlar el motor de orientación del ángulo de orientación de la góndola, y para controlar la apertura y el cierre del embrague de orientación. Cuando existe una pérdida de energía hacia el controlador, el embrague de orientación se mueve a la posición abierta.

La góndola del sistema anterior también se puede orientar alrededor deun soporte e incluir una corona dentaria estacionaria. El motor de orientación está montado en la góndola, mediante el motor de orientación configurado para guiar un eje. El embrague de orientación es interpueste entre una rueda dentada recta y el eje, y la rueda dentada recta es mecánicamente fijada con la corona dentaria. Por lo tanto, cuando el embrague de orientación está en la posición cerrada, la rueda dentada recta y el eje son mecánicamente conectados, cuando el embrague de orientación está en posición cerrada, la rueda dentada recta y el eje se desconectan. En otro aspecto, el embrague de orientación es electromagnético.

En otro aspecto, se proporciona un sistema para el control de una turbina eólica. El sistema incluye un generador de turbina eólica impulsado por la rotación de un rotor que tiene uno o más alabes de la turbina eólica; un inversor eléctricamente conectado al generador, el inversor siendo capaz de incrementar la corriente eléctrica consumida del generador para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes; una resistencia y un conmutador, el conmutador conectado eléctricamente entre la resistencia y el generador, mediante el cual el conmutador es cerrado y abierto repetidamente para pulsar el voltaje producido del generador, reduciendo así la velocidad giratoria del uno o más álabes; y, un controlador que está configurado para abrir y cerrar repetidamente el conmutador a la detección de que la corriente consumida del inversor ha alcanzado un límite de consumo de corriente o que la velocidad giratoria del uno o más álabes ha alcanzado un límite de velocidad giratoria.

En otro aspecto, la turbina eólica del sistema anterior, comprende una góndola que sostiene al generador, y el sistema comprende, además, un motor de orientación mecánicamente conectado con la góndola para cambiar el ángulo de orientación de la góndola, el motor de orientación controlado por el controlador. El controlador está configurado para cambiar el ángulo de orientación de la góndola en relación con la dirección del viento para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes, a la detección de que el uno o más álabes a alcanzado el límite de velocidad giratoria.

En otro aspecto, el controlador se configura para cambiar el ángulo de orientación de la góndola para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes también al detectar que la longitud de tiempo en la que el conmutador ha estado cerrado y abierto repetidamente para pulsar el voltaje, ha alcanzado un tiempo límite.

En otro aspecto, el sistema comprende además un conmutador normalmente cerrado que está conectado eléctricamente en paralelo al conmutador, mediante el cual la energía es aplicada al conmutador normalmente cerrado, el conmutador normalmente cerrado está en una posición abierta, y en la ausencia de energía, el conmutador normalmente cerrado está en una posición cerrada para dirigir corriente desde el generador a la resistencia, reduciendo así la velocidad giratoria del uno o más álabes.

En otro aspecto, el conmutador normalmente cerrado es controlado por el controlador, y el controlador es configurado para cerrar el conmutador normalmente cerrado al detectar que el uno o más álabes ha alcanzado el límite de velocidad giratoria.

En otro aspecto, el sistema comprende además un freno normalmente cerrado capaz de fijarse mecánicamente a un eje de generador, mediante el cual la energía no se aplica al freno normalmente cerrado, el freno normalmente cerrado está en una posición cerrada fijando el eje del generador para reducir la dirección giratoria del uno o más álabes .

En otro aspecto, el sistema comprende, además: un embrague de orientación normalmente abierto, mecánicamente conectado entre el motor de orientación y la góndola; el embrague de orientación siendo capaz de moverse a una posición cerrada cuando se aplica energía al embrague de orientación y capaz de moverse a una posición abierta en ausencia de energía; y, en donde, en la posición abierta, el motor de orientación es desenganchado de la góndola y la góndola es capaz de orientarse libremente a cara con el viento para que el viento sople contra una superficie trasera del uno o más álabes, la superficie trasera estando formada para ser menos aerodinámica que una superficie frontal del uno o más álabes, para que al enfrentar al viento, la velocidad giratoria del uno o más álabes sea reducida .

En otro aspecto, al menos un primer y segundo cable eléctrico están eléctricamente conectados al generador, y el sistema comprende, además, un interruptor de derivación que, cuando está cerrado, produce un corto eléctrico entre el primer y segundo cable eléctrico del generador para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes.

En otro aspecto, el controlador es configurado para activar una primera combinación de control que comprende el incremento en el consumo de energía del inversor y abrir y cerrar repetidamente el conmutador, a la detección de que el límite de velocidad giratoria se ha alcanzado. El controlador también está configurado para activar una segunda combinación de control que comprende el cambio del ángulo de orientación de la góndola y la activación de la primera combinación de control, a la detección de que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la primera combinación de control está activa. El controlador también está configurado para activar una tercera combinación de control que comprende el cierre del conmutador normalmente cerrado y la activación de la segunda combinación de control, a la detección de que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la segunda combinación de control está activa. El controlador también está configurado para activar una cuarta combinación de control que comprende el cierre de los frenos normalmente cerrados y la activación de la tercera combinación de control, a la detección de que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria, mientras que la tercera combinación de control está activa. El controlador también está configurado para activar una quinta combinación de control que comprende la apertura del embrague de orientación normalmente abierto y la activación de la cuarta combinación de control, a la detección de que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la cuarta combinación de control está activa. El controlador también está configurado para activar una sexta combinación de control que comprende el cierre de la derivación y la activación de la quinta combinación de control, a la detección de que se ha alcanzado un límite de velocidad giratoria mientras que está activa la quinta combinación de control.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Se describirán ahora modalidades de la invención a manera de ejemplo sólo en referencia a los dibujos adjuntos, en donde: La Figura 1 es un diagrama del sistema de una turbina eólica en relación con un controlador de energía y una red eléctrica.

La Figura 2 es un diagrama del sistema del controlador de energía en la Figura 1, en relación con la turbina eólica.

La Figura 3 es un diagrama de sistema de sensores de turbina eólica albergadas en la turbina eólica en la Figura 2.

La Figura 4 es un diagrama de sistema que muestra el controlador en una comunicación con los sensores de turbina, un inversor y una base de datos.

La Figura 5 es un diagrama de flujo que muestra un método de corte o pulso de voltaje.

La Figura 6 es una señal ejemplo de forma de ondas de voltaje siendo cortadas o pulsadas.

La Figura 7 es una vista en perspectiva de una góndola de una turbina eólica.

La Figura 8 es una vista en perspectiva transversal de la góndola en la Figura 7.

La Figura 9 es una vista en perspectiva posterior de la góndola en la Figura 7 con porciones eliminadas para efectos de claridad.

La Figura 10 es una vista transversal de la góndola de la Figura 7.

La Figura 11 es una vista en perspectiva del ensamblaje de motor de orientación mostrado en aislamiento.

La Figura 12 es una vista transversal del ensamblaje del motor de orientación de la Figura 11.

La Figura 13 es un diagrama de flujo que muestra un método de empleo de los mecanismos de control en serie.

DESCRIPCIÓN DETALLADA Será apreciado que para efectos de simplicidad y claridad de la ilustración, en donde se considere apropiado, los numerales de referencia pueden repetirse entre las figuras para indicar los elementos correspondientes o análogos. En adición, numerosos detalles específicos se establecen para proporcionar un entendimiento completo de las modalidades aquí descritas. Sin embargo, se entenderá por las personas con conocimientos ordinarios en la materia que las modalidades aquí descritas pueden practicarse sin estos detalles específicos. En otras instancias, los métodos, procedimientos y componentes bien conocidos no se han descrito a detalle para no obscurecer las modalidades aquí descritas. También, la descripción no debe considerarse como limitante del alcance de las modalidades aquí descritas .

En referencia por lo tanto a la Figura 1, se emplea una turbina eólica (8) para proveer corriente eléctrica a circuitos dedicados (18), o, cuando haya excedentes de energía, a una red eléctrica (20) . La turbina eólica (8) está eléctricamente conectada a un controlador de energía (12) la cual, en cambio, está eléctricamente conectada a un panel de interruptores de servicio (14) . El panel de interruptores de servicio 814) puede entonces distribuir la energía generada de la turbina eólica (8) a los circuitos eléctricos (18) y un contador de servicios (16) que se vinculan en una red eléctrica (20) más grande.

La turbina eólica (8) incluye un mástil (9) que soporta un ensamblaje de molino de viento (10) incluye un rotor, mediante el cual el rotor tiene una o más superficies aerodinámicas o álabes (4). El rotor está montado en un eje (11) para girar alrededor de un eje horizontal a medida que el viento (2) pasa sobre los álabes (4) . Como puede verse mejor en las Figuras 7 a 9, el generador (6) está albergado en una góndola (134) que está montada en la parte superior del mástil (9) y soporta el eje (11) en cojinetes (135). El eje (11) está conectado a un rotor del generador (6) que gira dentro de un ensamblaje de estator montado en la góndola (134) y generando así energía eléctrica. El generador (6) es típicamente una máquina de corriente de polos múltiples o alternante (AC) que genera energía a través de tres fases. La frecuencia de la energía AC producida es proporcional a la velocidad giratoria del generador. Aunque se muestra una turbina eólica de eje horizonal (8) , se puede' apreciar que algunos de los principios aquí descritos también son aplicables a las turbinas eólicas de eje vertical.

La góndola (134) está conectada al mástil (9) mediante un mecanismo de orientación para permitir que la góndola (134) sea rotada alrededor de un eje vertical para girar el ensamblaje del molino de viento 810) haica el viento. El mecanismo de orientación incluye una corona dentada estacionaria (136) que está soportada por un mástil (9) y un cojinete (137) para conectar el mástil (9) y la góndola (134). Un motor de orientación (22) montado en la góndola (134) incluye una rueda dentada recta (138) que engancha la corona dentada estacionaria (136) para que la operación del motor de orientación (22) gire la rueda (138) y haga que la góndola (134) gire alrededor de un eje vertical, ej . , para orientarse.

El eje (11) se extiende a través de la góndola (134) y conlleva un par de ensamblajes de freno normalmente cerrados (144, 146) que actúan sobre el eje (11) para inhibir la rotación. Cada uno de los frenos (144, 146), son liberados mediante un actuador respectivo bajo el control del controlador (12) para frenar el ensamblaje del molino de viento (10) bajo ciertas condiciones.

En referencia a la Figura 10, los frenos normalmente cerrados (144, 146) pueden verse mejor. El eje (11) se extiende a través del generador (6), y después a través del primer y segundo freno normalmente cerrados (144, 146). En el primer freno normalmente cerrado (144), un primer estator (202) es concéntricamente fijado en el lugar alrededor del eje (11) .

El primer estator (202) se mantiene estacionario con puntales (200) que se extienden hacia adentro desde la góndola (134) . Los cojinetes (218) concéntricos con el primer estator (2029 y eje (11), soportan giratoriamente el eje (11) . Una primer placa de frenos (204) es estriada con el eje (11) . La ranura clave conecta la primer placa de frenado (204) con el eje (11) mientras que permite que la primer placa de frenado (204) se deslice axialmente a lo largo del eje (11) . Una primer bobina (206) es dispuesta concéntricamente sobre el eje (11) y es fijada tanto axial como giratoriamente en relación con el eje (11) . Por lo tanto, cuando el eje (11) gira, la primer bobina (206) también gira. Un espacio anular dentro de la primer bobina (206) alberga un primer elemento de sesgado o resorte de compresión (208), el cual sesga la primer placa de frenado (204) lejos de la primer bobina (208) y hacia el primer estator (202) . En la posición normalmente cerrada, como se muestra en la Figura 10, el resorte (208) sesga la primer placa de frenado (204) en un enganchado friccional o mecánico con el primer estator (202) . Por lo tanto, en una posición cerrada, la rotación de la primer placa de frenado (204) es evitada o reducida y, en cambio, evita o reduce la rotación del eje (11) . En una posición abierta, no mostrada aquí, la corriente es pasada a través de la primer bobina (206) , generando así una fuerza electromagnética para mover la primer placa de frenado lejos del primer estator 8202) y hacia la primer bobina (206) . Puede apreciarse que la fuerza electromagnética es suficiente para sobrepasar la fuerza de sesgado del resorte (208). Por lo tanto, en una posición abierta, la primer placa de frenado (204) y el eje (11) pueden rotar libremente. El permitir que el eje (11) gire libremente, en cambio, permite que los álabes (4) giren libremente.

Preferentemente, un segundo freno normalmente cerrado (146) es dispuesto además a lo largo del eje (11) . El segundo freno normalmente cerrado (146) incrementa ventajosamente la fuerza de frenado e incrementa la redundancia, si un freno se volviera inoperable. En la Figura 10, el segundo freno normalmente cerrado (146) tiene los mismos componentes y configuración que el primer freno normalmente cerrado. En particular, comprende un segundo estator (210), cojinete (220), segunda placa de frenado (212), segundo elemento de sesgado o resorte (216) y segunda bobina (214) .

Puede apreciarse que hubieron variaciones bien conocidas de las configuraciones mecánica y eléctrica para los mecanismos de frenado, incluyendo mecanismos de frenado normalmente cerrados, que son aplicables a los principios aquí descritos. Otros mecanismos de frenado, por ejemplo, frenos de disco con pinzas, pueden ser usados.

En referencia a la Figura 11, el ensamblaje del motor de orientación (22) incluye una carcaza (166). Como puede ser visto mejor en la Figura 12, el ensamblaje del motor de orientación (22) comprende un motor de orientación (160) , embrague de orientación normalmente abierto (1409 y freno normalmente cerado (162). En la modalidad mostrada, el motor de orientación (160) está ubicado entre el embrague de orientación normalmente abierto (140) y el freno de orientación normalmente cerrado (162) . El motor de orientación (160) incluye un eje de motor (164) que está soportado por cojinetes (170, 172) ubicados en extremos opuestos del motor de orientación (160) . El motor de orientación (160) también incluye un estator (169) y un rotor (168) . El rotor (168) está fijado al eje del motor (164) . Un extremo del eje del motor (164) se extiende hacia un sistema de engranaje planetario, el cual está conectado al embrague de orientación normalmente abierto (140) . El eje del motor (164) está conectado a un piñón (174) , de forma tal que el giro del eje del motor (164) provoca que el piñón (174) también gire. Los dientes del piñón (174) enganchan mecánicamente los dientes de los engranajes planetarios (176, 178). Los engranajes planetarios (176, 178) giran en los cojinetes (184) levados por cada eje estacionario (182) . Cada eje estacionario (182) sobresale de un transportador estacionario (180) que está fijado a la carcaza (166) . Los dientes de los engranajes planetarios (176, 178), enganchan mecánicamente los dientes que sobresalen hacia adentro de una corona dentada (186) . Puede, por lo tanto, apreciarse que la rotación del eje del motor (164) hace que los engranajes planetarios (176, 178) giren, y la rotación de los engranajes planetarios (176, 178) hace que la corona dentada 8186) gire.

La corona dentada 8186) está conectada a una placa guiada del embrague (187) de forma tal que la rotación de la corona dentada (186) hace que la placa guiada del embrague (187) también gire. Los cojinetes 8188) soportan giratoriamente la placa guiada del embrague (187) dentro de la carcaza (166) . Una cavidad anular definida axialmente dentro de la placa guiada del embrague (187) parcialmente o completamente, retiene un elemento de sesgado o resorte de compresión (190) que engancha y sesga una placa guía del embrague (192) lejos de la placa guía del embrague (187) . La placa guía del embrague (192) es concéntrica con un eje de rueda dentada recta (196) y, en particular, la placa guía del embrague (192) tiene un espacio anular en el que el eje de rueda dentada recta (196) pasa a través. El eje de la rueda dentada recta (196) y placa guía del embrague (192) son estriados uno con el otro, por lo que giran juntas las dos partes, mientras que permiten la placa guía del embrague (192) para deslizarse axialmente a lo largo del eje de rueda dentada recta (196) . Una bobina anular (194) también concéntrica con el eje de rueda dentada recta (196), es posicionada entre la placa guía del embrague (192) y la placa guía del embrague (187) . Sin corriente en la bobina (194) , como se muestra en la Figura 12, el embrague (140) está en la posición normalmente abierta. El elemento de sesgado o resorte (190) sesga la placa guía del embrague (192) lejos de la placa guía del embrague (187) . Cuando se pasa la corriente a lo largo de la bobina anular, el embrague de orientación normalmente abierto (140) , se mueve a una posición cerrada, no mostrada, por la placa guía del embrague (192) deslizándose axialmente a lo largo del eje de la rueda dentada recta (196) hacia la bobina anular (194). En la posición cerrada, la cara de la placa guía del embrague (192) engancha friccionalmente o mecánicamente la bobina anular (194) y la placa guía del embrague (187) . Por lo tanto, en la posición cerrada, la rotación de la placa guía del embrague (187) hace que la placa guía del embrague (192) también gire. Puede entonces apreciarse que cuando la bobina anular (194) es energetizada, cuando el embrague de orientación (140) está en una posición cerrada, la activación del motor de orientación (160) hace que la rueda dentada recta (138) gire. Conversamente, cuando el embrague de orientación (140) está en su posición normalmente abierta, aún cuando el motor de orientación (160) está activado, ningún torque es transferido desde el motor de orientación (160) hacia la rueda dentada recta (138). Por lo tanto, cuando el embrague de orientación (140) está en una posición normalmente abierta, la góndola (134) es libre de girar u orientarse alrededor del mástil (9) y los co inetes del mástil (137) . También puede entenderse que otros mecanismos para el sesgado del embrague de orientación (140) hacia una posición abierta y cerrar el embrague de orientación (140) cuando se les da la orden, es igualmente aplicable a los principios de esta invención.

El freno de orientación normalmente cerrado (162) se engancha al otro extremo del eje del motor (164) . Como puede verse, el eje del motor (164) se extiende axialmente a través de una placa de estator (212) . Una placa de frenos (208) es tecleada al eje del motor (164), con un solenoide 8202) localizado entre la placa de frenos (208) y una placa terminal (204). La placa de estator (212) está estacionaria y fijada a la carcaza del ensamblaje de orientación 8166) . La placa de frenos 8208) gira con el eje del motor 81649 y se le permite deslizarse axialmente a lo largo del eje del motor 8164) . Un resorte de compresión (210) es ubicado entre la placa terminal (204) y la placa de frenos (208) .

El resorte de compresión (210) sesga la placa de frenos (208) lejos de la solenoide (202) y hacia la placa de estator (212). En la posición normalmente cerrada, no mostrada, la placa de frenos (208) friccionalmente o mecánicamente engancha la placa de estator (212), desacelerando o frenando así la placa de frenos (208) y, por lo tanto, el eje del motor (164) de la rotación. En la posición abierta, mostrada en la Figura 12, cuando se pasa una corriente a través de la solenoide (202), la placa de frenos (2089 es jalada de la placa de estator (212) al sobrepasar la sesgadura del resorte (210) . Por lo tanto, en una posición abierta, la placa de frenos (208) y el eje del motor (164) son libres para rotar.

Puede apreciarse que las configuraciones eléctricas y mecánicas para los frenos aquí descritas son a manera de ejemplo, y que se pueden usar variaciones bien conocidas de frenos parciales (ej., normalmente cerrados o normalmente abiertos) .

Volviendo a la Figura 2, el controlador de energía (12) usa un número de diferentes estrategias de control para regular la salida de energía y la operación de la turbina eólica (8) . El generador (6) genera un voltaje sinusoidal desplazado por fase en cada una de las tres líneas de fase, marcadas Ll (30), L2 (32) y L3 (34) . Un interruptor de derivación (28) es conectado en paralelo al controlador de energía (12) que, en una posición cerrada, puede conectar eléctricamente todas las tres líneas de fase juntas (30, 32, 34), para crear un corto eléctrico. Cada una de las líneas de fase (30, 32, 34) se conecta a un rectificador de puente (36) albergado dentro del controlador de energía (12). La energía generada por la turbina en cada una de las línieas de fase (30, 32, 34) está en una forma AC y se convierte y combina por el rectificador de puente (36) en voltaje de corriente directa (DC) . Un capacitador (38) se posiciiona en la salida del rectificador de puente (36) para filtrar o suavizar los disturbios en la señal del voltaje. La señal de voltaje DC filtrada es entonces eléctricamente transmitida a un inversor DC-AC (40) . El inversor (40) convierte la energía DC a energía AC a un rango de energía que es operable para el panel de interruptores de servicio (14) . En Norteamérica, por ejemplo, el rango de energía es nominalmente de 120V para aplicaciones más pequeñas, y de 240V para aplicaciones más grandes, en ambos casos, operando a una frecuencia de 60Hz. El inversor (40), puede también comprender una pluralidad de inversores (42, 44) para salida de corriente de redundancia e incrementada. Por ejemplo, si el inversorl (42) falla, entonces el inversorJV de respaldo (44) aún es operable y es capaz de continuar dando salida a la energía AC hacia el panel de interruptores de servicio (14).

Cada línea de fase (30, 32, 34) está eléctricamente conectada a una entrada de un interruptor de relé de estado sólido (SSR) (58, 60 y 62). En particular, la línea de fase Ll (30) está eléctricamente conectada a SSRl (58); la línea de fase L2 (32), está eléctricamente conectada a SSR2 (60); y la línea de fase L3 (34) está eléctricamente conectada a SSR3 (62). La salida de cada SSR también está eléctricamente conectada a través de una resistencia (52, 54, 56) a la salida de un SSR asociado con otra línea de fase. En particular, la resistencia Rl (52) está eléctricamente conectado entre la salida de SSRl 858) y la entrada de SSR2 (60); la resistencia R2 (54) está eléctricamente conectado entre la salidad de SSR2 (60) y la entrada de SSR3 (62); y, la tercer resistencia R3 (56) está eléctricamente conectado a la salida de SSR3 (62) y la entrada de SSRl (58) .

Eléctricamente conectado en paralelo con cada SSR, está un interruptor normalmente cerrado, indicado como interruptor SI (46), en paralelo a SSRl (58); el interruptor S2 (48) en paralelo a SSR2 (60); y el interruptor S3 (50) en paralelo a SSR3 (62), respectivamente .

Los conmutadores SI, S2, S3 están controlados por un controlador (64) que también controla la operación del embrague de orientación (140), frenos (144, 146) y motor de orientación (22) como se indica por las líneas puntadas de cadena. Los sensores (66) se incorporan para medir varios aspectos de las funciones de la turbina eólica y el entorno externo y proporciona ingresos a un controlador (64) . Como se ilustra en la Figura 3, los sensores (66) incluyen un acelerómetro (74) para medir las vibraciones y el movimiento en la turbina eólica (8) . Un sensor de temperatura (76) mide la temperatura de varios componentes en la turbina eólica (8), tal como los bobinados eléctricos en la turbina (6). Un medidor de tensiones (78) mide la tensión mecánica de ciertos componentes estructurales de la turbina eólica (8). Una veleta (80), mide la dirección en la que el viento está soplando. Un anemómetro (82) mide la velocidad del viento. Puede apreciarse que otros sensores para la medición de varios aspectos de las funciones de la turbina eólica y entrono externo, son igualmente aplicables a los principios de esta invención. La información proporcionada por uno o más de estos sensores (66) puede ser usada por el controlador (64) para implementar una o más estrategias de control para controlar la turbina (8) como se discutirá completamente más adelante.

El controlador (64) está albergado en el controlador de energía (12) y opera para monitorear y controlar la funcionalidad de la turbina eólica (8) . En la modalidad mostrada, el controlador (64) controla la operación del inversor (40), SSRs (58, 60, 62), interruptores normalmente cerrados (46, 48, 50), motor de orientación (22), interruptor de derivación (28), embrague de orientación normalmente abierto (149), y freno (s) normalmente cerrado(s) (144, 146) . El controlador (64) puede también moni torear la energía y frecuencia en cada una de las líneas de fase (30, 32, 34) y monitorear la operación del inversor (40) . El controlador (64) también monitorea la información proporcionada por los sensores (66) . Puede apreciarse que el controlador (64) puede estar ubicado en otras locaciones de manera auxiliar al controlador de energía (12), mientras que aún controla varios aspectos de la turbina eólica (8) . El controlador (64) es cualquier dispositivo eléctrico que es capaz de ejecutar instrucciones de computadora y puede comprender ya sea un o combinaciones de un procesador, microprocesador, memoria, interfaces de comunicación, etc. la interacción con el controlador (64) se proporciona por una interfaz de usuario (68) . La interfaz de usuario (68) puede comprender una pantalla de proyección, teclado, ratón, etc. Los componentes anteriores y su respectiva funcionalidad, se explican más a detalle más adelante.

El inversor (40) incluye una característica de rastreo de máximo punto de energía (MPPT por sus siglas en inglés) para incrementar la salida de energía mediante la operación a una referencia de voltaje optimizada para el generador (6). El MPPT calcula la referencia de voltaje a la que el generador (6) es capaz de producir energía máxima con base en una corriente predeterminada vs . curva de voltaje (o energía) . Diferentes turbinas eólicas tienen diferentes curvas de energía, y por lo tanto, diferentes configuraciones de energía óptimas. El inversor (40) establece entonces la corriente consumida mientras que mantiene la referencia de voltaje calculada. La característica de MPPT se usa para controlar las RPM de la turbina eólica (8). Al variar la corriente consumida para el voltaje seleccionado, el torque impuesto en los ejes (11) puede variarse y la velocidad giratoria controlarse.

Se apreciará que cualquier módulo o componente aquí ejemplificado que ejecuta instrucciones, puede incluir o de otra manera tener acceso a medios legibles por computadora tales como un medio de almacenamiento, medio de almacenamiento de computadora, o dispositivos de almacenamiento de datos (removibles y/o no removibles9 tales como por ejemplo, discos magnéticos, discos ópticos o cinta. Los medios de almacenamiento de computadora pueden incluir medios volátiles y no volátiles, removibles y no removibles, implementados en cualquier método o tecnología para el almacenamiento de información, tal como instrucciones legibles por computadora, estructuras de datos, módulos de programa, u otros datos. Ejemplos de medios de almacenamiento de computadora incluyen RAM, ROM, EEPROM, memoria flash u otra tecnología de memoria, CD-ROM, discos versátiles digitales (DVD) u otros dispositivos de almacenamiento óptico, casetes magnéticos, cinta magnética, almacenamiento de disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético, o cualquier otro medio que puede ser usado para almacenar la información deseada y que puede ser accesado por una aplicación, módulo, o ambos, cualquier dicho medio de almacenamiento por computadora puede ser parte del controlador de energía (12), controlador (64), interfaz de usuario (68) , o accesibles o conectables a los mismos. Cualquier aplicación o módulo aquí descritos puede ser implementado usando instrucciones legibles/ejecutables por computadora que pueden ser almacenados o de otra manera mantenidos por dicho medio legible por computadora.

En referencia a la Figura 4, el inversor (40) está en comunicación eléctrica y de datos con el controlador (64). El inversor (40) incluye sensores del inversor (100) que miden el voltaje, corriente, frecuencia, temperatura, de varios componentes eléctricos en el inversor (40) . Los componentes del inversor incluyen, por ejemplo, un MOSFET, un diodo y un transformador. Los datos de los sensores invertidos (100) se transmiten al controlador (64). El controlador 864) también recibe datos de los sensores de la turbina eólica (66) . Para determinar si el inversor (40) debería consumir más corriente, el controlador (64) también considera un número de factores que se almacenan en la base de datos (90) . La relación energía/voltaje/corriente de la turbina (98) se considera para maximizar la salida de energía. La relación (98) se almacena en una base de datos (90), en una de varias formas, incluyendo una fórmula matemática o una tabla de búsqueda que comprende numerosos datos de entrada. Como se puede notar, cada turbina eólica (9) puede tener una relación diferente (98) caracterizando su desempeño de energía. El controlador 864) puede también considerar otros factores al usar el inversor 840) para consumir más corriente. Estos factores incluyen la longitud de las álabes (94), la cual se usa para determinar la velocidad de las puntas de los álabes y limitar la velocidad de las limitaciones mecánicas y aerodinámicas de los álabes. Aún otro conjunto de factores son las especificaciones del inversor (92). Por ejemplo, varios componentes eléctricos en el inversor (40) pueden tener límites operacionales en términos de voltaje, corriente y temperatura. Puede ser deseable operar dentro de las especificaciones nominales de los componentes . Puede haber también otros parámetros de control (96) que pueden ser ingresados en la base de datos (90) por un usuario.

Como se notó arriba, el controlador (64) puede usarse para implementar un número de diferentes estrategias de control, ya sea individualmente o en combinación. La estrategia primaria de control usa el inversor (40) para controlar la velocidad del generador. El controlador 864) usa la frecuencia medida de las líneas de fase (30, 32, 34) para calcular las RPM de la turbina (6). El controlador (64), usa después las RPM para determinar la velocidad angular de un álabe. Al tomar en cuenta la longitud del álabe (94) y la velocidad angular, el controlador (64) puede entonces determinar la velocidad de la punta del álabe. En el caso en el que la velocidad de la punta es muy alta, el controlador (64) puede desear comandar el inversor (40) para consumir más corriente, reduciendo así las RPM y la velocidad de la punta del álabe. Sin embargo, el controlador (64) puede también tomar en cuenta la relación de energía/voltaje/corriente (98) para mantener una potencia o salida de energía óptima. Por ejemplo, como se muestra, el incremento en el consumo de corriente del inversor (40) sólo para reducir la velocidad de la punta, puede reducir la salida de energía del inversor (40) . Para evitar esto, el controlador (64) también puede considerar la relación (98) para incrementar el consumo de corriente mientras que se mantiene la salida de energía.

El controlador (64) también opera para inhibir la saturación de los inversores por el incremento del consumo de corriente del inversor. La saturación del inversor (40) se relaciona con los límites de operación superiores de los componentes eléctricos del inversor. Por ejemplo, los componentes en el inversor (40) pueden tener una calificación máxima de 600 V. Esta información se almacena en las especificaciones del inversor (100) para controlar el consumo de corriente y por lo tanto las RPM de la turbina (6) . Por ejemplo, si el voltaje de entrada medido de los sensores del inversor (100) se acerca a 600V, que es el límite de voltaje superior del componente en el inversor (40), el controlador 864) incrementará el consumo de corriente en el inversor (40) , reduciendo así las RPM de la turbina (6) . La reducción del RMP en la turbina (6) en cambio, reduce el voltaje producido.

Bajo condiciones de operación normales, el controlador (64) es capaz de controlar la velocidad giratoria del generador (6) mediante el ajuste de los inversores (40) . Sin embargo, pueden surgir situaciones en donde se requiere más carga de la que está disponible del inversor (40) . En este caso, los SSRs (58, 60, 62) se usan para controlar el flujo de electricidad mediante las resistencias (52, 54, 56) . Refiriéndonos a la Figura 2, los SSRs (58, 60, 62) están normalmente en un estado abierto para evitar el flujo de la electricidad a través de las resistencias (52, 54, 56) . El controlador 864) es conectado a cada uno de los SSRs (58, 60, 62) y es capaz de cerrar los relés, permitiendo así el flujo de electricidad a través de las resistencias correspondientes. El controlador 864) puede controlar cada SSR individualmente. Por ejemplo, cuando el controlador cierra solo SSR2 (60), la electricidad fluye de L2 (32) hasta R2 (54) y después a Le (34) . Por lo tanto, la carga resistiva entre L2 (32) y L3 (34) se incrementa, lo que, en cambio, incrementa la carga y reduce las RPM de la turbina (6) . La reducción de las RPM reduce el voltaje, frecuencia y salida de energía de la turbina eólica (8) . El controlador (64) por lo tanto, puede activar selectivamente uno o más SSRs (58, 60, 62) para reducir las RPM, voltaje, frecuencia y salida de energía de la turbina eólica (8) . Es preferible que las resistencias (52, 54, 56) tengan una valor de resistencia suficiente para crear carga suficiente para detener la rotación de los álabes de la turbina eólica 84) . Sin embargo, otros valores de resistencia son igualmente aplicables a estos principios. En un ejemplo, en donde el generador 86) puede generar 10 W de energía y hasta 600VAC a través de tres fases, las resistencias (52, 54, 56) están valorados cada uno para 15KW y tienen un valor de resistencia de 4 Ohms .

La activación o inicio de los SRs (58, 60, 62) pueden ser temporizados para reducir las RPM de una manera controlada. Los SSRs (58, 60, 62) son activados o iniciados durante un cierto intervalo para cada medio ciclo de las respectivas líneas de fases (ej . , un medio ciclo es voltaje positivo y el otro medio ciclo es voltaje negativo) . Cuando los SSRs (58, 60, 62) son activados, la corriente a través de las respectivas resistencias (52, 54, 56) incrementa la carga eléctrica en las respectivas líneas de fase (30, 32, 34) durante el periodo que los SSRs están activados. Debido a que el viento está variando constantemente, el inicio de los SSRs require la intervención del controlador 864).

De vuelta a la Figura 5, un método de activación selectiva de los SSRs (58, 60, 62) para picar el voltaje, es mostrado, cada línea de fase se monitorea independientemente. Como el paso 102, la señal de voltaje en una línea de fase se calcula al muestrear la señal de voltaje a una alta frecuencia. En una modalidad del método de cálculo, hay más de 400 puntos de muestra a través de cada ciclo de la forma de ondas del voltaje. A medida que la forma de onda es muestreada, primero pasa a través de un "filtro medio" de 15 puntos, el cual es un tipo de filtro digital para reducir o eliminar el ruido de impulso de alta energía hasta 7 puntos (muestras) de ancho. El filtro medio remueve ventajosamente los impusos hasta la mitad de sus puntos de muestra, previniendo así porciones indeseables que impulsan la carga hacia la salida.

Siguiendo la salida del filtro medio está un filtro de acumulación de 4 puntos, el cual, aunque es implementado preferentemente de manera digital, aproxima un filtro análogo RC tradicional. Su propósito es el de suavizar variaciones más grandes en la forma de ondas.

Continuando con la Figura 5, después de calcular la señal de voltaje en el paso 102, se usa un filtro adicional para calcular el cruce por cero en el paso 104. La corriente de doble filtro de las muestras, se compara contra un umbral de voltaje +/- para proporcionar histéresis en la detección del cruce por cero. Por ejemplo, un umbral de voltaje dentro de una turbina de 600VAC es de +/- 25V. Por lo tanto, un cruce por cero sólo es determinado si la señal filtrada va de > +25v a <-25v o viceversa. Puede apreciarse que los cruces por cero dentro de este umbral de voltaje (provocado por ruido residual) no se consideran como cruces por cero.

Los cruces por cero y los voltajes pico se rastrean para cada una de las tres líneas de fases que vienen del generador (6) , y el período de cada ciclo medio se mide en cada cruce por cero. La velocidad giratoria (mediad usando frecuencia) se calcula como el inverso del periodo más largo medido entre las tres fases . Al usar el inverso del período más largo entre las tres fases, un gran ruido provocando un cruce por cero como se registró en una o más de las líneas de fase, no afectará la determinación de la frecuencia final . El cálculo puede ser hecho de manera aún más consistente al filtrar las diferencias de voltaje pico entre las fases, en donde las diferencias son filtradas con un filtro de acumulación pesado. En una modalidad, si las diferencias de voltaje pico entre las líneas fase excede un máximo predeterminado, entonces el controlador (64) apagará la turbina (6) para evitar el mal funcionamiento.

Continuando con la Figura 5, a la estimación del cruce por cero en el paso 104, el controlador (64) desarrolla instrucciones ejecutables por computadora para determinar el periodo de tiempo para el que uno o más SSRs deberá ser activado, según el paso 106. La estrategia de control para la determinación de cuándo los SSRs deberán ser activados, considera varios factores incluyendo el tiempo de cruce por cero, el voltaje pico a pico, la frecuencia y los umbrales y puntos de ajuste determinados por el usuario. Otras consideraciones en la estrategia de control incluyen límites de RPM, vibración o ruido en la carcaza de la turbina eólica (8), tensión mecánica en la turbina eólica (8), y velocidad de la punta de los álabes (4) . Estos factores se combinan de conformidad con un algoritmo de control seleccionado para determinar el periodo en el que los SSRs están activados. Puede apreciarse que un número de estrategias de control son aplicables a estos principios y que el algoritmo puede combinar las entradas linealmente (etc.).

En el paso 108, el controlador (64) activa uno o más SSRs durante el periodo de tiempo como se determinó en el paso 106. la activación del SSR se ejecuta en relación con un cruce por cero (ej . , ya sea un periodo de tiempo antes o después de un cruce por cero) . Cuando un SSR es activado, la resistencia correspondiente consume corriente, incrementando así la carga en el generador (6) durante el periodo de tiempo determinado. Esto reduce la velocidad giratoria o RPM del generador (6), reduciendo así la frecuencia y el voltaje. Como se muestra en la Figura 5, el cambio en la frecuencia y voltaje requiere que la señal de voltaje y el cruce por cero sean calculados nuevamente según los pasos 102 y 104, respectivamente. Por lo tanto, puede verse que el método para iniciar la carga eléctrica incrementada en una línea de fase es iterativa.

Volviendo a la Figura 6, se proporciona un ejemplo de una señal de voltaje en una línea de fase, en donde el SSR es un tipo al azar. La señal de voltaje estimada se muestra en una línea punteada y la señal de voltaje real se muestra en una línea solida. Los cruces por cero estimados se representan en un círculo que no está relleno y los puntos en el tiempo en el que SSR de tipo al azar es activado se representan con un círculo sólido relleno. Un SSR de tipo al azar se configura para permanecer cerrado, una vez activado, hasta que suceda un cruce por cero. En otras palabras, el SSR de tipo al azar regresa a su estado normalmente abierto una vez que se da el cruce por cero. En la Figura 6, el controlador (64) ha determinado que el SSR deberá ser activado durante el 20% del periodo de tiempo de un ciclo medio, ya que el voltaje y la frecuencia son muy altas. Por lo tanto, el SSR se activa en el punto de tiempo (110) antes del cruce por cero (112). Entre el tiempo en el que el SSR es activado (110) el cruce por cero (112), la carga eléctrica en la línea de fase se incrementa debido a la resistencia. El mismo proceso se continúa para los dos ciclos medios subsecuentes, en donde el SSR se activa en el punto (114) y se desactiva en el punto (116) y después se activa en el punto (118) y se desactiva en el (120) . Puede verse que el SSR se desactiva en el cruce por cero ya que es de un tipo al azar.

Con la sucesiva aplicación de los SSR's, la turbina (6) empieza a desacelerar debido a la carga eléctrica incrementada. Como puede verse, la señal de voltaje empieza a reducir en amplitud y frecuencia, y el controlador (64) reducirá la activación del SSR a 10% del tiempo del ciclo medio, como se muestra en la activación en el punto (122) y desactivación en el punto (124). De manera similar, de acuerdo con el ejemplo de esquema de control aquí mostrado, la amplitud más reducida y frecuencia del voltaje, de conformidad, también reducirá la activación del SSR a un 5% del tiempo del ciclo medio, como se muestra por el punto de activación (126) y el cruce por cero (128) . Cuando la forma de ondas estimada de voltaje alcanza una amplitud y frecuencia deseadas, el controlador (64) cesa de picar o pulsar la forma de ondas. En el ejemplo, el periodo de tiempo entre los cruces por cero (128, 130 y 132) han alcanzado un estado estacionario.

Puede apreciarse que otros varios tipos de SSRs o interruptores son aplicables, y que otros métodos para el cálculo de la señal de voltaje y cruces por cero entran dentro del alcance del controlador de energía (12) .

En una estrategia de control, el controlador (64) puede activar los SSRs de conformidad con los umbrales de saturación del inversor (40) . En otras palabras, a medida que el inversor (40) se acerca o entra en saturación, el controlador iniciaría la activación de los SSRs para reducir las RPM y la salida de voltaje del generador (6) . A veces es desable que el controlador (64) y los SSRs actúen para mantener el inversor (40) saturado tanto como sea posible sin permitir que el voltaje exceda significativamente el umbral, al tiempo que asegura que el voltaje no es menos que el umbral. Esto en cambio, incrementaría la salida de energía y permitiría la sobre saturación de los inversores. En otra estrategia de control, la activación intermitente de los SSRs y resistencias, se usa junto con la característica PPT del inversor (40). El controlador (64) calcula un rango de producción óptima de energía usando la relación energía/volta e/corriénte (98) y del rango calculado de producción óptima de energía, activa uno o más SSRs y ordena al inversor (40) a consumir más corriente. La carga combinada de los SSRs y el consumo incrementado de corriente del inversor (40) , se usa para regular la salidad de energía del generador 86) .

La operación selectiva de los SSRs es ventajosa para la adaptación a las ráfagas de viento que rápidamente aceleran la turbina durante cortos periodos de tiempo. Sin embargo, en donde un incremento prolongado en la velocidad ocurre, una estrategia de control alternativa es beneficiosa.

En otro aspecto del control de energía (12) , un enfoque sostenido se usa para reducir las RPM de la turbina eólica (8) . En lugar de sobre producir energía eléctrica y disiparla como calor a través de las resistencias, el controlador (64) interviene para orientar la turbina eólica (8) fuera de la dirección en la que el viento está so lando. Al orientar la turbina eólica (8) en una dirección parcialmente fuera del viento, la eficiencia aerodinámica se reduce y las RPM de la turbina se reducen. La dirección del viento se mide con una veleta (80) , con la que el controlador (64) se comunica. Con base en la retroalimentación de las mediciones de la veleta y otras mediciones de sensor, el controlador (64) envía una señal de control al motor de orientación (22) para girar los álabes lejos del viento. Puede apreciarse que el orientar la turbina eólica (8) fuera del viento, evitaría depender únicamente de las resistencias y ventajosamente reduciría la disipación de la energía eléctrica en calor.

En general, el controlador (64) posicionará el ángulo de orientación de la turbina eólica (8) para regular las RPM o velocidad de los álabes. En una modalidad, el RMP de los álabes es maximizado, para una velocidad de viento dada, cuando la turbina eólica (8) es orientada hacia una cierta dirección en relación con la dirección en la que el viento está soplando, ej . , el ángulo de orientación de la góndola (134) puede ser de ±a° en relación con la dirección del viento, mientras aún mantiene una salidad de energía. Cuando es deseable la reducción o la prevención de un mayor incremento en las RPM, la góndola (134) puede ser orientada en un ángulo diferente en relación con la dirección del viento para que la eficiencia aerodinámica de los álabes sea reducida, y el torque generado en los álabes sea reducido para que giren a velocidades más lentas . Por ejemplo, en ciertos diseños de turbinas eólicas, cuando la góndola (134) tiene un ángulo de orientación de +15° lejos de la dirección entrante del viento, las RPM son más altas para la dirección de viento dada. Continuando con el ejemplo, el cambiar el ángulo de orientación de la góndola (134) a +20° ó -20° lejos del viento entrante, reducirá la salida de torque y mantendrá las RPM en el nivel requerido. Puede apreciarse que la relación entre las RPM de la turbina eólica, el ángulo de orientación de la turbina eólica relativo a la dirección del viento, y la velocidad del viento, es probablemente dependiente del diseño de la turbina eólica (8) . Sin embargo, generalmente, el ángulo de orientación de la turbina eólica en relación con la dirección del viente, puede ser cambiado para regular las RPM de la turbina eólica (8). Esto es particulamente útil cuando el paso de los álabes es fijado, como es típico en las turbinas eólicas de baja energía. El orientar la turbina eólica (8) para reducir la salida de torque en los álabes, también reduce el calor generado de la disipación de la energía en exceso a través de las resistencias.

El tiempo y el ángulo de orientación depende de varios factores. El controlador (64) orienta la dirección del frente de la turbina eólica (8) cuando hay vientos de alta velocidad prolongados, que provocan que las RPM vayan a más de un cierto límite y provoca que los inversores se sobresaturen . En su forma más simple, el voltaje en cada una de las líneas de fase es monitoreado, y a medida que la saturación continua se da, el controlador (64) inicia la operación del motor de orientación (22) . La reducción en la eficiencia provoca una correspondiente reducción en el voltaje. Para determinar tales condiciones, el controlador (64) recibe mediciones de velocidad de viento del anemómetro (82) u otros sensores de medición de velocidad del viento. Puede apreciarse que los sensores de velocidad del viento pueden colocarse en varias locaciones alrededor de o en las cercanías de la turbina eólica (10) para medir con mayor certeza la velocidad del viento. Otras consideraciones incluyen la temperatura de los bobinados en el generador (6), como se midió usando uno o más sensores de temperatura (76) . Más aún, las oscilaciones en la turbina eólica (8) , como se midió por uno o más acelerómetros (74), puede ser usada para indicar vientos inestables y velocidades de viento excesivamente altas. La saturación de las RPM y del inversor, también pueden ser consideradas, y son monitoreadas mediante la medición de las líneas de voltaje en el inversor (40) . La variación del ángulo de orientacón puede resultar en uno o una combinación de uno de estos factores . El ángulo de orientación puede también direccionar comandos de usuario provistos mediante la interfaz de usuario (68) . Una estrategia de control ejemplar puede ser la de reducir la eficiencia y, por lo tanto, producir menos energía durante los periodos de baja demanda. Puede apreciarse que un número de factores puede ser considerado para determinar cuándo y por cuánto la turbina eólica 88) debería orientarse para reducir las RPM.

En el caso de falla de energía, o más particularmente la falla del controlador (64) , es deseable evitar que los álabes de la turbina eólica (8) giren demasiado rápido de una manera incontrolada. Por lo tanto, volviendo a la Figura 2, otro aspecto del controlador de energía (12) se usa para reducir o detener la rotación de los álabes (4) cuando se pierde la energía. Los interruptores normalmente cerrados (46, 48, 50) se usan para pasar corriente a través de cada una de las resistencias respectivas (52, 54, 56) , generando así la suficiente carga para desacelerar o detener el giro del generador (6) y, por lo tanto, de los álabes (4) . Se nota que los interruptores (46, 48, 50) en operación normal, están constantemente activados a una posición abierta mediante el controlador (64), de forma tal que la corriente no fluye a través de las resistencias (52, 54, 56) . Sin embargo, cuando el controlador (64) falla, por ejemplo, debido a una falla en la energía, entonces el controlador (64) no es capaz de activar los interruptores (46, 48, 50). Por lo tanto, los interruptores (46, 48, 50) regresan a su estado normalmente cerrado, eludiendo así los SSRs (58, 60, 62) .

Como una protección más, si el controlador (64) fallara, en la góndola (134) , los frenos normalmente cerrados (144, 146) regresan a su estado cerrado, generando así carga en el generador (6) . En operación normal, el controlador (64) ordena a uno o ambos de los frenos normalmente cerrados (144, 146) que se abran. Cuando ambos frenos (144, 146) están abiertos, a los álabes (4) se les permite girar libremente. A la falla del controlador (64) los frenos normalmente cerrados (144, 146), ya no son mantenidos abiertos por el controlador (64) y, por lo tanto, regresan al estado cerrado. Esto evita que los álabes (4) giren libremente.

Para proteger aún más la operación del generador (6), el embrague de orientación normalmente abierto (140) localizado entre el motor guía (160) y la rueda dentada recta (138) , regresa a un estado abierto cuando el controlador (64) falla. En operación normal, el controlador (64) ordena al embrague de orientación normalmente abierto (140) que se cierre, restringiendo, por lo tanto, el movimiento de orientación entre la corona (138) y la corona dentada (136). A la falla del controlador (64), el embrague de orientación normalmente abierto (140) ya no está activado por el controlador (64) y por lo tanto, regresa a su estado abierto y permite que la góndola (134) gire para colocar los álabes viento abajo.

Se entenderá que, bajo condiciones de operación normales, por ejemplo, cuando el embrague de orientación (140) está en una posición cerrada, el freno de orientación normalmente cerrado (162) ventajosamente evita o reduce la orientación inadvertente de la góndola (134). Cuando la góndola (134) va a ser orientada de una manera controlada, el freno de orientación (162) es energetizado en una posición abierta. Por lo tanto, el freno de orientación (162) ventajosamente sólo requiere de energía cuando orienta la góndola (134) .

También puede apreciarse que cuando se pierde la energía, el embrague de orientación normalmente abierto (140) permite que la rueda dentada recta (138) y por lo tanto, la góndola (134) , se oriente libremente en una forma incontrolada viento abajo. Con base en el perfil aerodinámico de la turbina eólica (8) y los álabes 84), la turbina eólica (8) será empujada por el viento para quedar viento abajo. Cuando la góndola (134) y los álabes (4) están frente a la dirección viento abajo, el viento golpea la parte posterior de los álabes (4) . Debido a que la superficie posterior de los álabes es sustancialmente plana, hay de muy poca a ninguna fuerza aerodinámica que provocará que los álabes (4) giren, aún en condiciones de viento. Por lo tanto, al desenganchar o abrir el embrague de orientación (140), la góndola (134) se orienta naturalmente hacia una dirección viento abajo, mediante la cual los álabes (4) no giran en la ausencia de suficientes fuerzas aerodinámicas .

Volviendo a la Figura 2, un interruptor de derivación (28) puede ser cerrado para conectar todas las líneas de fase (30, 32, 34) juntas, creando así un corto eléctrico en el generador (6) . Cuando el interruptor de derivación (28) se cierra, se genera carga en el generador (6) y, por lo tanto, desacelera o detiene la rotación del rotor en el generador (6) . El interruptor de derivación (28) puede estar ya sea controlado por el controlador (64) u operado manualmente. El interruptor de derivación (28) también puede estar normalmente cerrado, de forma tal que, cuando el controlador (64) falle, el interruptor de derivación (28) regresa a su estado cerrado. En otra modalidad, el interruptor de derivación (28) puede ser controlado por una palanca mecánica localizada en la base de la turbina eólica (8) para permitir que un usuario haga un corto eléctrico en la turbina. Hacer un corto en el generador (6) evita que se genere electricidad.

Puede apreciarse que varios mecanismos de control (ej . , consumo de corriente del inversor (40), operación selectiva de los SSRs, motor de orientación (22), interruptores normalmente cerrados , frenos normalmente cerrados (144, 146), embrague de orientación normalmente abierto (140) y derivación (28)) pueden ser empleados simultáneamente o en serie para controlar las RPM de la turbina eólica (8) . Más aún, cada uno de los mecanismos de control pueden emplearse independientemente basados en varias estrategias de control.

Puede apreciarse que los interruptores normalmente cerrados (46, 48, 50) pueden también estar cerrados de una manera controlada bajo la orden del controlador (64). Similarmente, el embrague de orientación normalmente abierto (140) y los frenos normalmente cerrados (144, 146) pueden también ser usados para desacelerar o frentar la rotación de los álabes (4) , según las órdenes del controlador (64) .

Un ejemplo de método de control para la operación serial de los mecanismos de control se muestra en la Figura 13. En el método de ejemplo, los mecanismos de control se emplean en series, en donde la característica MPPT del inversor (40) se emplea primero. Si un umbral de energía o umbral de RPM es excedido, por ejemplo, los mecanismos de control activos por si solos son insuficientes para reducir las RPM, entonces se emplea el siguiente mecanismo de control en adición al mecanismo de control previo. En la modalidad mostrada en la Figura 13, la operación selectiva del SSR se emplea en operación simultánea con el MPPT si el umbral aún está excedido. Por lo tanto, si un periodo prolongado de operación de los SSR's es observado, o si los inversores y SSRs son insuficientes para reducir las RPM, entonces el controlador (64) opera el ensamblaje de orientación (22) para reducir la eficiencia de los álabes (4) . Si los inversores, SSRs y orientación no son suficientes para reducir las RPM, entonces los interruptores normalmente cerrados (46, 48, 50) se cierran para activar las resistencias. Si la combinación previa de los mecanismos de control no reducen suficientemente las RPM, entonces uno o más de los frenos mecánicos normalmente cerrados (144, 146) se cierran. Si esta combinación, incluyendo los frenos mecánicos normalmente cerrados, es insuficiente para reducir las RPM como se desea, entonces el embrague de orientación normalmente abierto (140) , se abre. Si la combinación que incluye el embrague de orientación normalmente abierto es insuficiente para reducir las RPM como se desea, entonces el interruptor de derivación (28) es empleado.

Se puede apreciar que las estrategias de control usadas para emplear el mecanismo de control descrito, puede ser configurado por el usuario. El usuario puede ser capaz de configurar las estrategias de control usando la interfaz de usuario (64) , que está en comunicación con el controlador (64) . Por ejemplo, cualquiera de los anteriores mecanismos de control o sus combinaciones, puede ser configurada para activarse de acuerdo con los varios umbrales según fueron configurados por el usuario.

Aunque lo anterior ha sido descrito en referencia a ciertas modalidades específicas, varias modificaciones de lo mismo serán aparentes a los expertos en la materia, como se perfila en las reivindicaciones enmendadas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un método para el control de la velocidad giratoria de un rotor que tiene uno o más álabes en una turbina eólica que comprende: la determinación del ángulo de orientación de la turbina eólica en relación con la dirección del viento; y cambiar el ángulo de orientación de la turbina eólica para aumentar o reducir la eficiencia aerodinámica del rotor y, por lo tanto, controlar la velocidad giratoria del uno o más álabes .

2. El método de la reivindicación 1, en donde un controlador envía una orden al motor de orientación, y el motor de orientación cambia el ángulo de orientación de la turbina eólica.

3. El método de la reivindicación 1, en donde uno o más sensores^ miden la dirección del viento, el uno o más sensores enviando una o más mediciones de dirección del viento al controlador, y el controlador determinando el ángulo de orientación de la turbina eólica en relación con la dirección del viento con base en las mediciones.

4. El método de la reivindicación 3 , en donde el uno o más sensores comprende una veleta.

5. El método de la reivindicación 1 en donde el ángulo de orientación de la turbina eólica es cambiado para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes cuando la velocidad del viento alcanza un límite superior predeterminado .

6. Un sistema para el control del ángulo de orientación de una góndola en una turbina eólica, el sistema comprendiendo: un embrague de orientación mecánicamente conectado entre un motor de orientación y la góndola; el embrague de orientación siendo capaz de moverse a una posición cerrada cuando se aplica energía al embrague de orientación y capaz de moverse a una posición abierta en la ausencia de energía; en donde, en la posición cerrada, el motor de orientación es mecánicamente enganchado a la góndola para controlar el ángulo de orientación de la góndola, y, en la posición abierta, el motor de orientación es desenganchado de la góndola y la góndola es capaz de orientarse de manera independiente al motor de orientación.

7. El sistema de la reivindicación 6, en donde los álabes están giratoriamente conectados a la góndola, el uno o más álabes comprendiendo una superficie frontal y una superficie posterior, la superficie posterior estando formada para ser menos aerodinámica que la superficie frontal.

8. El sistema de la reivindicación 7, en donde el embrague de orientación está en la posición abierta, la góndola se orienta libremente de cara al viento para que el viento sople en contra de la superficie posterior del uno o más álabes .

9. El sistema de la reivindicación 6, comprendiendo, además, un controlador para controlar el motor de orientación y el ángulo de orientación de la góndola, el controlador controlando también la apertura y cierre del embrague de orientación, en donde, cuando hay una pérdida de energía hacia el controlador, el embrague de orientación se mueve a la posición abierta.

10. El sistema de la reivindicación 6, en donde la góndola se orienta alrededor de un soporte, el sistema comprendiendo, además: una corona dentaria estacionaria en el soporte; el motor de orientación montado en la góndola, el motor de orientación configurado para guiar un eje; el embrague de orientación interpuesto entre una rueda dentada recta y el eje, la rueda dentada recta mecánicamente enganchada con la corona dentaria; y en donde, cuando el embrague de orientación está en la posición cerrada, la rueda dentada recta y el eje están mecánicamente conectados y, cuando el embrague de orientación está en la posición abierta, la rueda dentada recta y el eje están desenganchados.

11. El sistema de la reivindicación 6, en donde el embrague de orientación es electromagnético.

12. un sistema para el control de una turbina eólica que comprende: un generador de turbina eólica impulsado por la rotación de un rotor que tiene uno o más álabes de la turbina eólica; un inversor eléctricamente conectado al generador, el inversor siendo capaz de incrementar la corriente eléctrica consumida del generador, para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes; una resistencia y un interruptor, el interruptor eléctricamente conectado entre la resistencia y el generador, en donde el interruptor es cerrado y abierto repetidamente para pulsar el voltaje producido del generador, reduciendo así la velocidad giratoria del uno o más álabes ; y un controlador que está configurado para abrir y cerrar repetidamente el interruptor a la detección de que la corriente consumida del inversor ha alcanzado un límite de consumo de corriente o que la velocidad giratoria del uno o más álabes ha alcanzado un límite de velocidad giratoria.

13. El sistema de la reivindicación 12, en donde la turbina eólica comprende una góndola que sostiene el generador, y el sistema comprende, además, un motor de orientación mecánicamente enganchado con la góndola para cambiar el ángulo de orientación de la góndola, el motor de orientación controlado por el controlador,- y en donde el controlador está configurado para cambiar el ángulo de orientación de la góndola, en relación con la dirección del viento para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes, a la detección de que el uno o más álabes ha alcanzado el límite de velocidad giratoria .

14. El sistema de la reivindicación 13, en donde el controlador está configurado para cambiar el ángulo de orientación de la góndola para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes, también al detectar que la longitud de tiempo en la que el interruptor ha sido cerrado y abierto repetidamente para pulsar el voltaje, ha alcanzado un límite de tiempo.

15. El sistema de la reivindicación 13, comprendiendo, además, un interruptor normalmente cerrado que está eléctricamente conectado en paralelo al interruptor, en donde cuando se aplica energía al interruptor normalmente cerrado, el interruptor normalmente cerrado está en una posición abierta, y en la ausencia de energía, el interruptor normalmente cerrado está en una posición cerrada para dirigir la corriente del generador a la resistencia, reduciendo así la velocidad giratoria del uno o más álabes .

16. El sistema de la reivindicación 15, en donde el interruptor normalmente cerrado es controlado por el controlador, y el controlador está configurado para cerrar el interruptor normalmente cerrado, al detectar que el uno o más álabes ha alcanzado el límite de velocidad giratoria.

17. El sistema de la reivindicación 16, comprendiendo, además, un freno normalmente cerrado capaz de enganchar mecánicamente un eje de generador, en donde cuando no se aplica energía al freno normalmente cerrado, el freno normalmente cerrado está en una posición cerrada, enganchando el eje del generador para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes .

18. El sistema de la reivindicación 17, comprendiendo, además: un embrague de orientación normalmente abierto, conectado entre el motor de orientación y la góndola; el embrague de orientación siendo capaz de moverse a una posición cerrada cuando se aplica energía al embrague de orientación, y capaz de moverse a una posición abierta en la ausencia de energía; y en donde, en la posición abierta, el motor de orientación es desenganchado de la góndola y la góndola es capaz de orientarse libremente de frente al viento para que el viento sople en contra de una superficie posterior del uno o más álabes, la superficie posterior formada para ser menos aerodinámica que una superficie frontal del uno o más álabes, para que cuando se enfrente al viento, la velocidad giratoria del uno o más álabes sea reducida.

19. El sistema de la reivindicación 18, en donde al menos una primera y segunda cable eléctrico están eléctricamente conectadas al generador, y el sistema comprendiendo además un interruptor de derivación que, cuando se cierra, produce un corto eléctrico entre el primer y segundo cable eléctrico del generador, para reducir la velocidad giratoria del uno o más álabes .

20. El sistema de la reivindicación 19, en donde el controlador está configurado para activar una primera combinación de control que comprende el incremento en la corriente consumida del inversor, y abrir y cerrar repetidamente el interruptor, al detectar que el límite de la velocidad giratoria ha sido alcanzado; el controlador está configurado para activar una segunda combinación de control que comprende cambiar el ángulo de orientación de la góndola y activar la primera combinación de control, al detectar que el límite de velocidad giratoria se ha alcanzado, mientras que la primera combinación de control está activa; el controlador está configurado para activar una tercera combinación de control que comprende el cierre del interruptor normalmente cerrado, y la activación de la segunda combinación de control, al detectar que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la segunda combinación de control está activa; el controlador está configurado para activar una cuarta combinación de control que comprende el cierre de los frenos normalmente cerrados y la activación de la tercera combinación de control, al detectar que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la tercera combinación de control está activa; el controlador está configurado para activar una quinta combinación de control que comprende la apertura del embrague de orientación normalmente abierto y la activación de la cuarta combinación de control, al detectar que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la cuarta combinación de control está activa; y el controlador está configurado para activar una sexta combinación de control que comprende la derivación y la activación de la quinta combinación de control, al detectar que se ha alcanzado el límite de velocidad giratoria mientras que la quintacorabinación de control está activa.