PT1442516E - Central de energia eólica com meios de transmissão de potência sem contacto no rotor - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "CENTRAL DE ENERGIA EÓLICA COM MEIOS DE TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA SEM CONTACTO NO ROTOR" A invenção refere-se a uma central de energia eólica para produzir uma tensão alternada sinusoidal com um gerador, que possui um rotor e um estator, com um rotor com pás que está ligado ao induzido, e com meios de transmissão de energia para transmitir energia elétrica da parte não rotativa da central de energia eólica para o rotor.

Nas centrais de energia eólica é necessário transmitir energia da parte não rotativa para a parte rotativa, para diferentes fins. Por exemplo, um gerador síncrono eletromagneticamente excitado requer uma corrente contínua como corrente magnetizante para o rotor, e esta energia elétrica é igualmente necessária para ajustar as pás do rotor por meio de adequados motores elétricos. Atualmente, esta energia elétrica é transmitida, através de anéis coletores, da parte não rotativa da central de energia eólica para a parte rotativa. Os anéis coletores têm porém a desvantagem de ocorrerem perdas pela fricção, reduzindo assim a eficácia, aumentando o ruído e um desgaste bastante elevado, o que requer de vez em quando uma reparação ou substituição. Podem também ocorrer descargas elétricas nesse tipo de anéis coletores. Isto é ainda favorecido pela abrasão de partículas com o aumento do tempo de funcionamento. 0 documento DE 198 01 803 Al já apresentou uma máquina de rotação elétrica com um estator fixo e um rotor rotativo. Estes apresentam um enrolamento de transformador 2 de estator ou um enrolamento de transformador de rotor, em que os enrolamentos de transformador formam um transformador elétrico e estão respetivamente preparados para funcionar com corrente alterna. Através dos enrolamentos de transformador, é possível transmitir uma corrente trifásica, que é alimentada a partir de uma rede de alimentação, para a parte rotativa da central de energia eólica, que depois é guiada para efeitos de excitação ao enrolamento do gerador de corrente trifásica, que se encontra no estator do gerador da central de energia eólica. 0 documento US 5.770.909 descreve uma máquina síncrona para veículos elétricos, com a qual se pretende otimizar a potência do gerador para todas as condições de condução, sobretudo acima de uma rotação de zero a muitos milhares de rotações por minuto. Descreve ainda a possibilidade de dispor aí um conversor na parte não rotativa da máquina síncrona para obter uma tensão alternada para alimentar a parte rotativa da máquina síncrona. A invenção tem, por isso, por objetivo propor uma melhoria na transmissão da energia elétrica da parte não rotativa da central de energia elétrica para a parte rotativa.

Este objetivo é conseguido, em conformidade com a invenção, por uma central de energia eólica de acordo com a reivindicação 1. A invenção tem por base o conhecimento de poder evitar problemas mecânicos resultantes da fricção que surge pela transmissão sem contacto da energia elétrica. A máquina assíncrona proposta em conformidade com a invenção representa uma possibilidade simples, cujo induzido está 3 ligado à parte rotativa da central de energia eólica, preferencialmente ao cubo rotativo, enquanto o seu indutor está ligado à parte não rotativa da central de energia eólica, ou seja, ao suporte da máquina. Um movimento relativo induz, deste modo, entre o induzido e o campo do indutor à volta da máquina assíncrona um campo elétrico nos enrolamentos do induzido, provocando assim uma tensão no enrolamento do induzido. A máquina assíncrona é acionada com gerador. A tensão alternada induzida nos enrolamentos do induzido pode continuar a ser processada com outros meios adequados para o fim previsto na parte rotativa da central de energia eólica. A solução proposta em conformidade com a invenção para transmitir sem contacto a energia elétrica não implica muitas perdas nem muito desgaste. Mesmo o nível de ruído que se forma é drasticamente reduzido, comparativamente com a conhecida utilização de anéis coletores.

As subreivindicações descrevem versões vantajosas da invenção. A invenção é particularmente privilegiada no caso de um gerador síncrono eletromagneticamente excitado para aí deduzir, a partir da energia elétrica transmitida pela máquina assíncrona, uma corrente continua como corrente magnetizante para o induzido do gerador síncrono. Para isso, está preferencialmente previsto um retificador adequado na parte rotativa da central de energia eólica, ao qual noutra versão pode estar ligado a montante um filtro LC para compensar efeitos retroativos do rotor da máquina síncrona, p. ex. a gama de harmónicos.

Noutra versão privilegiada da invenção está previsto pelo menos outro retificador, com o qual se pode obter uma tensão contínua ou também uma corrente contínua, para 4 alimentar com energia elétrica outras unidades no rotor da central de energia eólica. Por exemplo, para ajustar o ângulo de cada pá de rotor estão previstos motores elétricos que têm ser alimentados com uma tensão continua. Esta alimentação é facilmente resolvida em conformidade com a invenção.

Preferencialmente encontra-se na parte não rotativa da central de energia eólica um conversor, que produz uma tensão continua para alimentar o indutor da máquina assíncrona prevista conforme a invenção para transmissão de energia. Este conversor produz preferencialmente uma tensão contínua com uma frequência aprox. de 400 a 600 Hz. O conversor permite mesmo vantajosamente regular a corrente magnetizante do induzido do gerador, em função da rotação e da potência elétrica do gerador. Sobretudo a amplitude da corrente magnetizante para o rotor de um gerador síncrono pode ser vantajosamente regulada pelo conversor.

Para algumas finalidades dentro do rotor da central de energia eólica é necessário que haja uma tensão contínua, se possível, constante. Para isso, pode estar previsto, para além de um retificador, também uma capacidade que aplane a tensão de saída do retificador. Para carregar continuamente esta capacidade para o valor de pico, pode estar previsto o conversor produzir periodicamente um impulso de tensão. Simultaneamente, a capacidade serve de acumulador intermédio para disponibilizar, em caso de falha da alimentação de corrente, energia elétrica suficiente pelo menos para um processo de regulação de emergência.

Uma vez que a máquina assíncrona é vantajosamente operada a uma frequência de 400 a 600 Hz e uma vez que existe um entreferro do enrolamento primário para o 5 enrolamento secundário, a máquina assíncrona tem necessidade de uma corrente reativa muito grande. Esta corrente reativa pode, em conformidade com a invenção, ser disponibilizada pela ligação a montante de um filtro LC ao indutor da máquina assíncrona, para regular a corrente reativa da corrente encaminhada para o indutor.

Passamos a explicar em pormenor a invenção por meio dos desenhos. Nomeadamente:

Figura 1: mostra um diagrama de comutação da solução em conformidade com a invenção e

Figura 2: mostra a evolução da tensão de um conversor para alimentar a máquina assíncrona. 0 diagrama de comutação na Figura 1 mostra a solução em conformidade com a invenção para a transmissão sem contacto de energia elétrica da parte não rotativa da central de energia eólica para a parte rotativa. Para isso, está primeiramente previsto um conversor 1 que produz uma tensão alternada com uma frequência de 400 a 600 Hz, preferencialmente aprox. 500 Hz. Nos cabos de ligação entre o conversor 1 e o indutor 5 da máquina assíncrona 4 existem estranguladores longitudinais 2, bem como, filtros LC 3 ligados em estrela. A tensão alternada produzida pelo conversor 1 e aplanada pelos estranguladores longitudinais 2 é, assim, alimentada para o indutor 5 não rotativo da máquina assíncrona 4. O campo do indutor à volta dos enrolamentos do indutor permite induzir nos enrolamentos secundários do induzido 6 um campo elétrico, graças ao 6 movimento relativo entre o induzido e o campo do indutor, provocando assim uma tensão nos enrolamentos do induzido. 0 induzido rotativo 6 está mecanicamente ligado ao cubo da central de energia eólica. A energia elétrica pode, assim, ser transmitida sem contacto da parte fixa, ou seja do suporte da máquina da central de energia eólica, para a parte rotativa, a cabeça do rotor. A tensão alternada induzida no induzido 6 é, por um lado, encaminhada para um retificador 8, que retifica esta tensão alternada e a encaminha para o rotor 7 do gerador síncrono eletromagneticamente excitado da central de energia eólica. 0 retificador 8 tem, assim, uma carga indutiva, e a tensão que atua sobre o rotor 7 é o valor efetivo da tensão. 0 conversor 1 regula preferencialmente a tensão de saída, de modo a que a tensão efetiva à saída do retificador 8 deixe fluir a corrente contínua desejada para o rotor 7. A grande indutância do rotor 7 aplana a corrente e compensa a ondulação da tensão de saída do retificador 8. Se o conversor 1 produzir temporariamente tensões altas, estas são compensadas pela indutância do rotor 7, se depois for produzida uma tensão mais pequena. É, assim, possível que a máquina assíncrona 4 associada ao retificador 8 produza uma corrente contínua regulada para o rotor 7. A amplitude da corrente magnetizante para o rotor 7 deve ser regulada pelo conversor 1 em função da rotação e da potência elétrica do gerador síncrono. A tensão alternada induzida para o induzido 6 também pode ser utilizada para outros fins na parte rotativa da central de energia eólica. Por exemplo, deste modo, uma unidade de regulação das pás do rotor 10 requer uma tensão contínua. Esta tensão contínua é produzida por um 7 retificador 11 a partir da tensão alternada do induzido 6. Esta tensão continua depende da amplitude da tensão de sarda do induzido 6, uma vez que se trata aqui de uma retificação do valor de pico.

Os condensadores 12 são constantemente carregados. Neste caso, a capacidade dos condensadores 12 é dimensionada de modo a que a quantidade de corrente acumulada cheque para, em caso de falha de corrente, acionar a unidade de regulação da pá do rotor 10 de cada pá do rotor, para desligar com segurança e em caso de emergência a central de energia eólica e deslocar com segurança as pás do rotor na posição da bandeira. O transmissor 4 constituido em forma de uma máquina assíncrona fornece, assim, energia elétrica sem contacto à parte rotativa da central de energia eólica que, por um lado, alimenta o rotor do gerador com uma corrente contínua e, por outro lado, alimenta também outras unidades elétricas, como a unidade de regulação das pás do rotor, com uma tensão contínua. 0 conversor 1 produz, para isso, periodicamente um impulso de tensão que carrega repetidamente os condensadores 12 para o valor de pico. A Figura 2 mostra uma evolução de tensão deste tipo da tensão de saída do conversor 1. Pode ver-se claramente os impulsos de tensão P periódicos para carregar os condensadores 12 para a tensão necessária. Mas também se verificou que estes picos não são necessários, pois os condensadores também podem ser carregados para uma tensão suficientemente alta sem estes picos, para acionar a regulação da pá. A máquina assíncrona 4 é preferencialmente acionada com uma frequência aprox. de 500 Hz e tem um entreferro do enrolamento primário para o enrolamento secundário. Estas duas condições requerem uma grande quantidade de corrente reativa. É o filtro LC 3 que pretende produzir esta elevada corrente reativa. 0 rotor 7 ligado a jusante ao retificador 8 requer igualmente uma corrente reativa muito elevada. Esta é, em parte, composta pela oscilação básica e as harmónicas, como por exemplo a quinta, sétima, décima primeira e décima terceira harmónica. 0 filtro LC 9, composto por três secções ligadas em estrela com respetivamente uma ligação em série de uma capacidade de comutação em paralelo de resistência e indutância, tem por função fornecer esta potência reativa. No total, os dois filtros 3 e 9 melhoram muito a eficácia da transmissão da energia. A solução em conformidade com a invenção permite, pois, facilmente transmitir sem contacto energia da parte não rotativa para a parte rotativa da central de energia eólica para diferentes fins. Não se verificam desgastes nem fortes ruídos. 9

REFERÊNCIAS CITADAS NA DESCRIÇÃO A presente listagem de referências citadas pela requerente é apresentada meramente por razões de conveniência para o leitor. Não faz parte da patente de invenção europeia. Embora se tenha tomado todo o cuidado durante a compilação das referências, não é possível excluir a existência de erros ou omissões, pelos quais o EPO não assume nenhuma responsabilidade.

Patentes de invenção citadas na descrição • DE 19801803 Al [0003] · US 5770909 A [0004]

Claims (7)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Central de energia eólica para produzir uma tensão alternada sinusoidal com um gerador que possui um rotor e um estator, com um rotor com pás que está ligado ao induzido, e com meios de transmissão de energia para transmitir energia elétrica da parte não rotativa da central de energia eólica para o rotor, caracterizada pelo facto de os meios de transmissão de energia apresentarem uma máquina assincrona (4), cujo indutor (5) se encontra na parte não rotativa da central de energia eólica e cujo induzido (6) se encontra no rotor, para a transmissão sem contacto de energia elétrica para o rotor, e pelo facto de se encontrar na parte não rotativa da central de energia eólica um conversor (1) para produzir uma tensão alternada para alimentar o indutor (5) da máquina assincrona (4), e pelo facto de o conversor estar equipado para a produção periódica de um impulso de tensão sobreposto a esta tensão alternada.

2. Central de energia eólica segundo a reivindicação caracterizada pelo facto de o gerador ser um gerador síncrono eletromagneticamente excitado e de estar previsto no rotor um retificador (8) para transformar a energia elétrica transmitida para o induzido da máquina assíncrona (4) numa corrente contínua, que é encaminhada para o induzido do gerador como corrente magnetizante.

3. Central de energia eólica segundo a reivindicação 2, 2 caracterizada pelo facto de o retificador (8) ter um filtro ligado a montante para regular a corrente reativa.

4. Central de energia eólica segundo uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de no rotor estar previsto um retificador (11) para transformar a energia elétrica transmitida para o induzido da máquina assíncrona numa tensão contínua, sobretudo para alimentar uma unidade de regulação do ângulo da pá do rotor (10).

5. Central de energia eólica segundo uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o conversor (1) estar equipado para regular a corrente magnetizante do induzido do gerador em função da rotação e da potência elétrica do gerador.

6. Central de energia eólica segundo uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo facto de o indutor (5) do gerador assíncrono (4) ter um filtro LC (3) ligado a montante para regular a corrente reativa da corrente encaminhada para o indutor (5) .

7. Central de energia eólica segundo a reivindicação 4, caracterizada pelo facto de estarem eletricamente acoplados ao retificador (11) condensadores (12), que são carregados pela tensão contínua obtida e cuja capacidade é dimensionada de modo a que a quantidade de corrente 3 acumulada chegue para, em caso de falha de corrente, acionar a unidade de regulação do ângulo da pá do rotor (10) de cada pá do rotor para desligar em caso de emergência a central de energia eólica e deslocar as pás do rotor na posição de bandeira.