WO2011131803A1 - Generador y sistema eléctricos trifásicos para turbina - Google Patents

Generador y sistema eléctricos trifásicos para turbina Download PDF

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WO2011131803A1
WO2011131803A1 PCT/ES2010/070540 ES2010070540W WO2011131803A1 WO 2011131803 A1 WO2011131803 A1 WO 2011131803A1 ES 2010070540 W ES2010070540 W ES 2010070540W WO 2011131803 A1 WO2011131803 A1 WO 2011131803A1
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PCT/ES2010/070540
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Oscar Enrique Aguirre Jimenez
Jesús Mª GARMENDIA LASA
Jose Antonio Imaz Insausti
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Oscar Enrique Aguirre Jimenez
Garmendia Lasa Jesus Ma
Jose Antonio Imaz Insausti
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    • H02P2101/15—Special adaptation of control arrangements for generators for wind-driven turbines

Definitions

  • the present invention is included within the field of electric power generation and more specifically in the generation of electric power from a wind turbine, hydraulic or any other engine where it is not necessary or possible to maintain a constant drive speed .
  • the present invention proposes a three-phase electric generator of alternating current for any drive, such as wind and hydraulic turbines, which takes advantage of the reactive power of the power grid and eliminates the use of multiplier, brushes and friction rings, eliminating the disadvantages in the previous section.
  • the voltage and frequency are set by the system, which provides the reactive power (kVAR), and the amount of electrical energy converted from mechanical to electrical, it is set by the difference between the apparent speed of rotation of the magnetic field produced by the electric currents that circulate through the rotor (the sum of the physical speed of rotation of the common axis of the machines plus the speed of rotation of the magnetic field of the three-phase electric currents "injected" into the rotor itself) and the speed of rotation of the rotating magnetic field, produced by the contribution of reactive power (kVAR).
  • the generator of the invention basically comprises three independent magnetic flux circuits called CE exciter set, first CP1 power set and second CP2 power set, which have cores, stator and rotor incorporated in a common housing and coupled to a common axis to which A primary motor (wind or hydraulic turbine) is coupled or mounted.
  • the generator also comprises means for transmitting the power generated to the power grid.
  • the exciter set comprises:
  • a rotor coupled to the turbine shaft and equipped with a first winding and a second three-phase winding, connected in star and electrically offset 180 ° to each other.
  • the exciter assembly is powered by means of a frequency converter connected to the mains and which is adapted to regulate the supply frequency of the third winding according to the speed of rotation of the common axis.
  • a frequency converter connected to the mains and which is adapted to regulate the supply frequency of the third winding according to the speed of rotation of the common axis.
  • the first power set comprises the following elements: - a rotor coupled to the common axis and equipped with a fourth three-phase winding connected in star and in contact by means of a connection with the second rotor winding of the exciter array CE, and
  • Second power set CP2 Second power set CP2:
  • the second power set CP2 has the same function and is preferably identical in construction to the first CP1. That is, the rotor, windings and stator of the second power set CP2 has the same electromagnetic properties as the first power set CP1. Furthermore, preferably both the number of poles of the first power set CP1 and the number of poles of the second power set CP2 is greater than the number of poles of the exciter set CE.
  • the second power set CP2 consists of the following elements:
  • a rotor coupled to the shaft and provided with a sixth three-phase winding connected in star and in contact by means of a connection with the first winding of the rotor (30) of the EC exciter assembly.
  • the power transmission means must be connected to the respective stators of said CP1 and CP2 assemblies.
  • the solidary connections that join the power sets CP1 and CP2 to the exciter assembly CE allow the injection of the electric current of the windings of the rotor of the exciter assembly into the windings of the rotors of the power sets CP1 and CP2 without the need of brushes or rubbing rings.
  • the power transmission means can be designed in different ways, some of which are described below.
  • a first possibility is to use a three-phase transformer of at least three windings respectively connected to the stator of the power set CP1, the stator of the power set CP2 and the power grid.
  • it may be a transformer with three windings and connection group Dyn11yn5 or Dyn1yn7, where a star winding is connected to the stator of the power assembly CP1, another star winding is connected to the stator of the power assembly CP2 and the triangle winding is connected to the power grid.
  • the winding connected in triangle ( ⁇ ) receives from the Electric Network the reactive power (kVAR) for CP1 and CP2, as well as through it they deliver to the Electric Network, the active power they generate. It is an essential condition in this case that mutual inductances between star-connected windings (Y) (in turn, connected to CP1 and CP2) and the winding connected in triangle ( ⁇ ) are identical.
  • a second possibility is to use two three-phase transformers of two windings each and YynO and Yyn6 connection groups, both of identical electromagnetic characteristics (equal nominal voltages, resistors, reactances and mutual inductances), connected respectively between the stators of the sets of CP1 and CP2 power and network.
  • both must be provided with a third winding connected in a triangle, through which the third harmonic component of the magnetizing electric current intensity of each transformer will circulate.
  • the generator of the invention additionally comprises a pulse generator adapted to capture the rotation speed of the shaft and convert it into a proportional-integral electrical signal that controls the output frequency of the frequency converter applied to the third three-phase winding, located in the stator of the exciter array CE, so that if the axis (its rotation speed varies, the output frequency of the frequency converter varies proportionally its value so that a slip S in the power sets CP1 and CP2 is kept within a stable area of the characteristic curve Mechanical torque developed vs rotation speed
  • the object of the invention has the rotary circuits of the power assemblies arranged in such a way that they are not short-circuited, but electrically connected to the rotary windings of the assembly exciter; also the physical speed of rotation rps, of the common axis n depends on the mechanical energy applied by the prime mover to the common axis. DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
  • Figure 1. Shows a diagram of the system and the generator with one (1) three-phase transformer of three (3) windings.
  • Figure 2. Shows a diagram of the system and the generator with two (2) three-phase transformers of two (2) windings each.
  • FIG. 3a and 3b.- Shows the phasor diagrams of the power assemblies (CP1 and CP2)
  • the present invention consists of a three-phase alternating current (AC) electric generator comprising three independent magnetic circuits: an exciter set CE (200), a first power set CP1 (300), a second set CP2 (400) with its parts incorporated in a common housing (not indicated in the figures) with a common axis (15), and a means of transmitting the power generated to the network, in this example the transformer (48).
  • AC alternating current
  • Said three-phase alternating current electric machine is more simply referred to as a generator.
  • the exciter assembly CE (200) is composed of a rotor of the CE (30) coupled to or mounted on said shaft (15) and has a first three-phase winding (31) and a second winding (33) connected in star (Y) offset between yes 180 ° electric, and an EC stator (35) with a third three-phase winding (36) and powered by a frequency converter (37) or static frequency converter.
  • a frequency converter 3-7 or static frequency converter.
  • the first power assembly CP1 (300), is composed of a rotor of CP1 (40) coupled to or mounted on said shaft (15) with a three-phase fourth winding (41) connected in a star and connected by means of a solidary connection (34) to the second winding (33) of the CE rotor (30) of the EC exciter assembly (200), and the stator of the CP1 (45) with a fifth three-phase winding (46) connected in star to a three-phase three-winding transformer (48) with two three-phase windings connected in star and a third three-phase winding connected in triangle ( ⁇ ).
  • the second power set CP2 (400), is composed of a rotor of the CP2 (20) coupled to or mounted on said shaft (15) with a sixth three-phase winding (21) connected in a star (Y) and connected by means of a solidarity connection ( 32) to the first winding (31) of the CE rotor (30) of the EC exciter assembly (200) and a stator of the CP2 (25) with a seventh three-phase winding (26) connected in star to the other three-phase winding connected in star of the aforementioned three-phase three-winding transformer.
  • circuits or power assemblies CP1, CP2 (300, 400) must be identical in construction ie their rotors (20, 40), windings (21, 26, 41, 46) and stators (25, 45 ) has the same electromagnetic properties respectively, and its function is to convert the rotary mechanical energy of the common shaft (15) into electrical energy that is supplied to the Electrical Network.
  • the magnetic circuit called the exciter circuit or assembly EC (200) has the function of regulating the frequency of the electric current intensities that are "injected” into the rotors (20, 40) of the other two power sets CP1, CP2 (300, 400).
  • the front end of said common shaft (15), in which the three rotors (20, 30, 40) of said magnetic assemblies CE, CP1, CP2 (200, 300, 400) are mounted or coupled are suitable for mounting or coupling a primary engine (10) such as the blades of a windmill of a wind station or of a hydraulic turbine.
  • a primary engine such as the blades of a windmill of a wind station or of a hydraulic turbine.
  • the two power sets CP1, CP2 (300, 400) have the same direction of rotation and the windings (41, 21) of the rotors (40, 20) are connected to 180 ° offset windings of the EC exciter assembly (200) the voltage induced in the stators (45, 25) of both assemblies (300, 400) is 180 ° out of phase and therefore, it is required to install at the output of the Stators CP1 (45) and CP2 (25), a three-phase transformer (48) of three transformer windings with the following connection group: Dyn11yn5 or Dyn1yn7.
  • the nominal voltages of the two main windings of the three-phase transformer (48), both connected in star (Y) are the same.
  • the third winding of this three-phase transformer is connected in a triangle ( ⁇ ) to the Electrical Network that supplies the reactive power (kVAR) and receives the active power produced by this three-phase asynchronous generator.
  • the third winding of the three-phase transformer (48) is connected in a triangle ( ⁇ ), and through it the intensity of the third harmonic magnetizing electric current necessary for the magnetic flux in the transformer is sinusoidal.
  • the three-phase winding (36) of the CE stator (35) of the EC exciter assembly (200) is fed from said frequency converter (37) whose frequency must be automatically regulated in the frequency converter itself (37) to such a value , that the rotating magnetic field of said EC exciter assembly (200) subtracted from the physical speed of rotation of said common axis (15) causes the induced electric currents in the windings (31, 33) installed in the CE rotor (30 ) have a frequency - frequency injected whose value is given by the formula:
  • f i frequency (Hz.) of the electric currents induced in the two windings (31) and (33) installed in the CE rotor (30).
  • f exc frequency (Hz.) of the electric currents applied in the third winding (36) installed in the CE stator (35).
  • P e number of pairs of poles in the exciter set CE (200).
  • rps axis physical speed of rotation in (rps) of the common axis (15).
  • the rotating magnetic field in the fifth winding (46) installed in the stator of CP1 (45) of the first power set CP1 (300) rotates at a speed, according to the formula:
  • Ni speed of rotation of the magnetic field produced by the fifth winding (46) in the stator of CP1 (45) in rps.
  • fsist frequency of the electrical system that provides the reactive power (kVAR) in the fifth winding (46) in the stator of the CP1 (45) in Hz.
  • Pp number of pole pairs in CP1 and CP2.
  • N2 speed of rotation of the magnetic field produced in the fourth winding (41) of the rotor of CP1 (40) with respect to the fifth winding (46) of the stator (45) of CP1.
  • the rotating magnetic field produced by the electric currents in the stator rotates at a speed Ni in rps or rpm and the rotating magnetic field produced by the electric currents circulating in the fourth winding (41) of the rotor of the CP1 (40) rotates at a speed N 2 in rps or rpm.
  • the "S" slip is the value from the formula:
  • N1> N2 S is positive and the electric induction machine develops mechanical torque on the rotor shaft (electric motor) If N1 ⁇ N2, S is negative and the electric induction machine develops electric power in the stator (asynchronous generator or induction)
  • N1 is given by the formula [II] but the magnetic field of electric currents in the rotor of CP1 (40) is turning according to formula [III] and, therefore, in order for the first power set CP1 (300) to operate as an induction generator, it is required that:
  • N 2 the value of N 2 must be slightly higher than the value of Ni so that the power sets CP1, CP2 (300, 400) operate in the stable part of the curve Mechanical torque developed vs speed (rps) of both power sets CP1, CP2 (300, 400).
  • Figure 3a and Figure 3b represent the phasor diagrams in the power assemblies CP1, CP2 (300, 400).
  • each winding (41, 21) is respectively electrically connected to one of the rotor windings (33, 31) of the set
  • a pulse generator (38) or tachogenerator is installed, which measures the speed of rotation of this common axis (15) and sends a signal to automatically regulate the frequency that "injects” the frequency converter (37) in the third three-phase winding (36) of the CE stator (35) of the EC exciter assembly (200).
  • the windings (26, 46) of the three-phase stators (25, 45) of the power assemblies CP1, CP2 (300, 400) are connected to the power grid (50) and from it receive the reactive power ( kVAR), which produces the aforementioned rotating magnetic field, in the air gap of these two power sets CP1, CP2 (300, 400).
  • the frequency to "inject" into the EC exciter assembly (200) is carried out in the CE stator (35) and the windings (31, 33, 41, 21) of the rotors (20, 30, 40) of the three magnetic circuits or assemblies (CE, CP1, CP2) are coaxial on said axis (15), the three rotors (20, 30, 40) operating at a common and equal rotation speed.
  • the electrical connections between the windings (41, 33, 31, 21) of the rotors (40, 30, 20) are made directly or jointly, so the use of friction rings is not required.
  • the three-phase transformer (48) "phase inverter” can be installed at ground level, and therefore does not add structural effort to the assembly.
  • a reactive power source which can be, for example , a synchronous machine (generator or motor electric overexcited), or also a previously charged static capacitor.
  • FIG. 2 shows an example of a generator where the transformer (48) is replaced by two three-phase transformers (48 ') of two windings each and connecting groups YynO and Yyn6, both of identical electromagnetic characteristics, connected respectively between the stators (45, 26) of the power sets CP1 (300) and CP2 (400) and the network (50)

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Abstract

Se describe un generador trifásico de corriente alterna que dispone de un conjunto excitatriz conectado solidariamente a dos conjuntos de potencia independientes, para turbinas, como pueden ser turbinas eólicas o hidráulicas, que recibe la potencia reactiva de la red eléctrica y elimina el uso de multiplicadora, escobillas y anillos rozantes.

Description

GENERADOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO PARA TURBINA EÓLICA O
HIDRÁULICA
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se engloba dentro del campo de la generación de energía eléctrica y más en concreto en la generación de energía eléctrica a partir de una turbina eólica, hidráulica o cualquier otro ingenio motriz en que no sea necesario o posible mantener una velocidad de accionamiento constante. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La demanda eléctrica en España crece a un promedio de 62% en periodos de diez años y por otra parte la producción de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas), está limitada y gravada por el Protocolo de Kyoto. Sobre la energía nuclear pesan dos factores de riesgo: peligro de accidente, con su correspondiente fuga de material radiactivo y el controvertido almacenamiento de sus residuos radiactivos. En consecuencia cada día entran más en liza las fuentes de energía renovable: eólica y solar. Y de éstas la de mayor aplicación en el ámbito nacional y de menor inversión inicial, es la eólica.
En el año 2.005, la generación de energía eléctrica en España fue un 6.9% en forma eólica, y la capacidad instalada un 12.6%. Esta cifra tiende a incrementarse a tenor de las limitaciones inherentes en centrales generadoras termoeléctricas y termonucleares.
Sin embargo la generación eléctrica mediante turbinas eólicas del arte previo presenta ciertas dificultades durante su operación, tales como que el sistema de generación consume, en vez de generar, potencia reactiva (kVAR) de la Red Eléctrica y como que existe un gasto de mantenimiento importante en el mecanismo de velocidad de giro (multiplicadora) de las aspas del molino de viento, así como en el desgaste de escobillas y anillos rozantes.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención propone un generador eléctrico trifásico de corriente alterna para cualquier ingenio motriz, como pueden ser las turbinas eólicas e hidráulicas, que aprovecha la potencia reactiva de la red eléctrica y elimina el uso de multiplicadora, escobillas y anillos rozantes, eliminando las desventajas aducidas en el apartado anterior. Es importante hacer notar que como todo sistema de generación eléctrica a una velocidad variable por encima de la velocidad síncrona, la tensión y la frecuencia son fijadas por el sistema, que aporta la potencia reactiva (kVAR), y la cantidad de energía eléctrica convertida de mecánica a eléctrica, la fija la diferencia entre la velocidad aparente de giro del campo magnético producido por las corrientes eléctricas que circulan por el rotor (la suma de la velocidad de giro física del eje común de las máquinas mas la velocidad de giro del campo magnético de las corrientes eléctricas trifásicas "inyectadas" en el propio rotor) y la velocidad del giro del campo magnético giratorio, producido por el aporte de la potencia reactiva (kVAR). El generador de la invención básicamente comprende tres circuitos de flujo magnético independientes denominados conjunto excitatriz CE, primer conjunto de potencia CP1 y segundo conjunto de potencia CP2, que tienen núcleos, estator y rotor incorporados en una carcasa común y acoplados a un eje común al que se acopla o monta un motor primario (turbina eólica o hidráulica). El generador comprende además unos medios para transmitir la potencia generada a la red eléctrica. A continuación se describen con mayor detalle estos elementos: a) Conjunto excitatriz CE
Tiene como función regular la frecuencia de las intensidades de corriente eléctrica que se "inyectan" en los rotores de los otros dos circuitos magnéticos CP1 y CP2. El conjunto excitatriz comprende:
- Un rotor acoplado al eje de la turbina y dotado de un primer devanado y de un segundo devanado trifásicos, conectados en estrella y eléctricamente desfasados 180° entre sí.
- Un estator dotado de un tercer devanado trifásico conectado en estrella.
El conjunto excitatriz está alimentado por medio de un convertidor de frecuencia conectado a la red eléctrica y que está adaptado para regular la frecuencia de alimentación del tercer devanado en función de la velocidad de giro del eje común. b) Primer conjunto de potencia CP1 :
Su función es convertir la energía mecánica rotativa del eje común en energía eléctrica que se aporta a la red eléctrica. El primer conjunto de potencia comprende los siguientes elementos: - un rotor acoplado al eje común y dotado de un cuarto devanado trifásico conectado en estrella y en contacto mediante una conexión solidaria con el segundo devanado del rotor del conjunto excitatriz CE, y
- un estator dotado de un quinto devanado trifásico conectado en estrella. c) Segundo conjunto de potencia CP2:
El segundo conjunto de potencia CP2 tiene la misma función y es preferentemente idéntico en construcción al primero CP1. Es decir, el rotor, devanados y estator del segundo conjunto de potencia CP2 tiene iguales propiedades electromagnéticas que el primer conjunto de potencia CP1. Además, preferentemente tanto el número de polos del primer conjunto de potencia CP1 como el número de polos del segundo conjunto de potencia CP2 es superior al número de polos del conjunto excitatriz CE.
El segundo conjunto de potencia CP2 está formado por los siguientes elementos:
- un rotor acoplado al eje y dotado de un sexto devanado trifásico conectado en estrella y en contacto mediante una conexión solidaria con el primer devanado del rotor (30) del conjunto excitatriz CE.
- un estator (25) dotado de un séptimo devanado trifásico conectado en estrella. d) Medios de transmisión de potencia
Su función es transmitir la potencia generada por los conjuntos CP1 y CP2 a la red eléctrica, Para ello, los medios de transmisión de potencia deberán estar conectados a los respectivos estatores de dichos conjuntos CP1 y CP2. Así, las conexiones solidarias que unen los conjuntos de potencia CP1 y CP2 al conjunto excitatriz CE permiten la inyección de la corriente eléctrica de los devanados del rotor del conjunto excitatriz en los devanados de los rotores de los conjuntos de potencia CP1 y CP2 sin la necesidad de escobillas o anillos rozantes.
Además, como los dos conjuntos de potencia CP1 Y CP2 tienen igual sentido de giro y los devanados de los rotores están conectados a devanados desfasados en 180° del conjunto excitatriz CE, la tensión inducida en los estátores de ambos circuitos magnéticos está desfasada 180° y por lo tanto se requiere que los medios de transmisión de potencia estén preparados para volver a poner en fase las tensiones de CP1 y CP2 al transmitirlas a la red. Para ello, los medios de transmisión de potencia se pueden diseñar de diferentes modos, algunos de los cuales se describen a continuación.
1 ) Una primera posibilidad es emplear un transformador trifásico de al menos tres devanados respectivamente conectados al estator del conjunto de potencia CP1 , al estator del conjunto de potencia CP2 y a la red eléctrica.
En una realización preferente puede tratarse de un transformador con tres devanados y grupo de conexión Dyn11yn5 o Dyn1yn7, donde un devanado en estrella está conectado al estator del conjunto de potencia CP1 , otro devanado en estrella está conectado al estator del conjunto de potencia CP2 y el devanado en triángulo está conectado a la red eléctrica. Así, el devanado conectado en triángulo (Δ) recibe de la Red Eléctrica la potencia reactiva (kVAR) para CP1 y CP2, así como a través del mismo entregan a la Red Eléctrica, la potencia activa que generan. Es condición imprescindible en este caso que las inductancias mutuas entre los devanados conectados en estrella (Y) (a su vez, conectados a CP1 y CP2) y el devanado conectado en triángulo (Δ) sean idénticas.
2) Una segunda posibilidad es emplear dos transformadores trifásicos de dos devanados cada uno y grupos de conexión YynO y Yyn6, ambos de idénticas características electromagnéticas (iguales tensiones nominales, resistencias, reactancias e inductancias mutuas), conectados respectivamente entre los estatores de los conjuntos de potencia CP1 y CP2 y la red. Por supuesto, ambos deben estar provistos de un tercer devanado conectado en triángulo, por el cual circulará la componente de tercera armónica de la intensidad de corriente eléctrica magnetizante de cada transformador.
En otra realización preferida el generador de la invención adicionalmente comprende un generador de impulsos adaptado para captar la velocidad de giro del eje y convertirla en una señal eléctrica proporcional- integral que controla la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia aplicada al tercer devanado trifásico, situado en el estator del conjunto excitatriz CE, de forma tal que si el eje (varía su velocidad de giro la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia varía proporcionalmente su valor para que un deslizamiento S en los conjuntos de potencia CP1 y CP2 se mantenga dentro de una zona estable de la curva característica Par mecánico desarrollado vs velocidad de giro. El objeto de la invención tiene los circuitos rotóricos de los conjuntos de potencia dispuestos de tal forma que no están en cortocircuito, sino que están conectados eléctricamente a los devanados rotóricos del conjunto excitatriz; asimismo la velocidad física de giro rps, del eje común depende de la energía mecánica que aplica el motor primario al eje común. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1.- Muestra un diagrama del sistema y del generador con un (1 ) transformador trifásico de tres (3) devanados.
Figura 2.- Muestra un diagrama del sistema y del generador con dos (2) transformadores trifásicos de dos (2) devanados cada uno.
Figura 3a y 3b.- Muestra los diagramas fasoriales de los conjuntos de potencia (CP1 y CP2)
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del generador y el sistema que hace uso de dicho generador objetos de esta invención.
Como puede observarse en la figura 1 la presente invención consiste en un generador eléctrico trifásico de corriente alterna (CA) que comprende tres circuitos magnéticos independientes: un conjunto excitatriz CE (200), un primer conjunto de potencia CP1 (300), un segundo conjunto de potencia CP2 (400) con sus partes incorporadas en una carcasa común (no indicada en las figuras) con un eje común (15), y un medio de transmisión de la potencia generada a la red, en este ejemplo el transformador (48). Dicha máquina eléctrica trifásica de corriente alterna se denomina más simplemente como un generador.
El conjunto excitatriz CE (200) está compuesto por un rotor del CE (30) acoplado a o montado en dicho eje (15) y tiene un primer devanado (31 ) trifásico y un segundo devanado (33) conectados en estrella (Y) desfasados entre sí 180° eléctricos, y un estátor del CE (35) con un tercer devanado (36) trifásico y alimentado por un convertidor de frecuencia (37) o convertidor estático de frecuencia. De esta forma, la reacción de inducido del primer devanado (31 ) se anula con la reacción de inducido del segundo devanado (33), y por ende el campo magnético neto producido por el tercer devanado (36) en el estátor del CE (35) permanece inalterable por cualquier estado de carga eléctrica que se produzca en el propio trialternador.
El primer conjunto de potencia CP1 (300), está compuesto por un rotor del CP1 (40) acoplado a o montado en dicho eje (15) con un cuarto devanado (41 ) trifásico conectado en estrella y conectado mediante una conexión solidaria (34) al segundo devanado (33) del rotor del CE (30) del conjunto excitatriz CE (200), y el estátor del CP1 (45) con un quinto devanado (46) trifásico conectado en estrella a un transformador trifásico de tres devanados (48) con dos devanados trifásicos conectados en estrella y un tercer devanado trifásico conectado en triángulo (Δ).
El segundo conjunto de potencia CP2 (400), está compuesto por un rotor del CP2 (20) acoplado a o montado en dicho eje (15) con un sexto devanado (21 ) trifásico conectado en estrella (Y) y conectado mediante una conexión solidaria (32) al primer devanado (31 ) del rotor del CE (30) del conjunto excitatriz CE (200) y un estátor del CP2 (25) con un séptimo devanado(26) trifásico conectado en estrella al otro devanado trifásico conectado en estrella del antes mencionado transformador trifásico de tres devanados. Dichos otros dos circuitos magnéticos denominados circuitos o conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400) deben ser idénticos en construcción es decir sus rotores (20, 40), devanados (21 , 26, 41 , 46) y estátores (25, 45) tiene iguales propiedades electromagnéticas respectivamente, y su función es convertir la energía mecánica rotativa del eje (15) común en energía eléctrica que se aporta a la Red Eléctrica.
El circuito magnético denominado conjunto o circuito excitatriz CE (200) tiene como función regular la frecuencia de las intensidades de corriente eléctrica que se "inyectan" en los rotores (20, 40) de los otros dos conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300 ,400).
El extremo anterior de dicho eje común (15), en el cual están montados o acoplados los tres rotores (20, 30, 40) de dichos conjuntos magnéticos CE, CP1 , CP2 (200, 300, 400) es apto para montar o acoplar un motor primario (10) como, por ejemplo, las aspas de un molino de viento de una estación eólica o de una turbina hidráulica.
La inyección de la corriente eléctrica de los devanados del rotor del CE (30) del conjunto excitatriz CE (200) en los devanados (21 , 41 ) de los rotores (20, 40) de los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400) se realiza sin la necesidad de escobillas o anillos rozantes mediante unas conexiones solidarias (32, 34).
Como los dos conjuntos potencia CP1 , CP2 (300, 400) tienen igual sentido de giro y los devanados (41 , 21 ) de los rotores (40, 20) están conectados a devanados desfasados en 180° del conjunto excitatriz CE (200) la tensión inducida en los estátores (45, 25) de ambos conjuntos (300, 400) está desfasado 180° y por lo tanto, se requiere instalar en la salida de los estatores CP1 (45) y CP2 (25), un transformador trifásico (48) de tres devanados del transformador con el siguiente grupo de conexión : Dyn11yn5 o Dyn1yn7.
Las tensiones nominales de los dos principales devanados del transformador trifásico (48), conectados ambos en estrella (Y) son las mismas. El tercer devanado de este transformador trifásico se conecta en triángulo (Δ) a la Red Eléctrica que suministra la potencia reactiva (kVAR) y recibe la potencia activa producida por este generador trifásico asincrono.
El tercer devanado del transformador trifásico (48) se conecta en triángulo (Δ), y por el mismo circula la intensidad de corriente eléctrica magnetizante de tercera armónica necesaria para que el flujo magnético en el transformador sea sinusoidal.
El devanado trifásico (36) del estátor del CE (35) del conjunto excitatriz CE (200), se alimenta desde dicho convertidor de frecuencia (37) cuya frecuencia debe ser regulada automáticamente en el propio convertidor de frecuencia (37) a un valor tal, que el campo magnético giratorio de dicho conjunto excitatriz CE (200) restado de la velocidad física de giro de dicho eje común (15) haga que las corrientes eléctricas inducidas en los devanados (31 , 33) instalados en el rotor del CE (30) tengan una frecuencia - frecuencia inyectada cuyo valor está dado por la fórmula:
fi ~ fexc " Pe■ rpSeje [I] donde:
fi - frecuencia (Hz.) de las corrientes eléctricas inducidas en los dos devanados (31 ) y (33) instalados en el rotor del CE (30). fexc = frecuencia (Hz.) de las corrientes eléctricas aplicadas en el tercer devanado (36) instalado en el estátor del CE (35).
Pe = número de pares de polos en el conjunto excitatriz CE (200). rpseje = velocidad física de giro en (rps) del eje (15) común.
Estas corrientes eléctricas inducidas en los dos devanados (31 , 33) de CE se conectan eléctricamente a los devanados (21 ,41 ) rotóricos de los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400), respectivamente, por supuesto, la frecuencia de las mismas es .
El campo magnético giratorio en el quinto devanado (46) instalado en el estátor del CP1 (45) del primer conjunto de potencia CP1 (300) gira a una velocidad, según la fórmula:
N1 = ^ [II]
Pp donde:
Ni = velocidad de giro del campo magnético producido por el quinto devanado (46) en el estátor del CP1 (45) en rps.
fsist = frecuencia del sistema eléctrico que aporta la potencia reactiva (kVAR) en el quinto devanado (46) en el estátor del CP1 (45) en Hz.
Pp = número de pares de polos en CP1 y CP2.
Sin embargo, este campo magnético giratorio en el estátor del CP1 (45) del primer conjunto de potencia CP1 (300) es sensible el campo magnético producido por las corrientes eléctricas circulando en el cuarto devanado (41 ) del rotor (41 ) a una velocidad de giro, según la fórmula: N2 = rpSeje + — [III] donde:
N2 = velocidad de giro del campo magnético producido en el cuarto devanado (41) del rotor del CP1 (40) respecto al quinto devanado (46) del estator (45) de CP1.
Para que la energía mecánica del eje común sea transferida a energía eléctrica en el quinto devanado (46) del estátor del CP1 (45) a través del correspondiente campo magnético de acoplamiento en primer conjunto de potencia CP1 (300), es necesario que la velocidad de giro descrita en al fórmula [III] sea superior a ÍV, y ahora, se hace necesario introducir el concepto de deslizamiento utilizado en los textos de Maquinaria Eléctrica.
En toda máquina eléctrica trifásica de inducción, el campo magnético giratorio producido por las corrientes eléctricas en el estátor gira a una velocidad Ni en rps o rpm y el campo magnético giratorio producido por las corrientes eléctricas circulando en el cuarto devanado (41 ) del rotor del CP1 (40) gira a una velocidad N2 en rps o rpm. Se denomina deslizamiento "S" al valor proveniente de la fórmula:
Si N1 > N2, S es positivo y la máquina eléctrica de inducción desarrolla par mecánico en el eje del rotor (motor eléctrico) Si N1 < N2, S es negativo y la máquina eléctrica de inducción desarrolla energía eléctrica en el estátor (generador asincrono o de inducción)
En el caso que nos ocupa, N1 está dada por la fórmula [II] pero el campo magnético de las corrientes eléctricas en el rotor del CP1 (40) está girando según fórmula [III] y, por tanto, a fin que el primer conjunto de potencia CP1 (300) opere como generador de inducción se requiere que:
Ni < N2, o sea,
5 U f L < RPSEJE + __ f___ y qUe e| deslizamiento S sea negativo.
En la práctica el valor de N2 debe ser ligeramente superior al valor de Ni a fin que los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400) operen en la parte estable de la curva Par mecánico desarrollado vs velocidad (rps) de l o ambos conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400).
Todo lo antes descrito en el caso del segundo devanado (33) en el conjunto excitatriz CE (200) conectado eléctricamente al cuarto devanado (41 ) del primer conjunto de potencia CP1 (300), también se aplica en el 15 primer devanado (31 ) en el conjunto excitatriz CE (200) conectado eléctricamente al sexto devanado (21 ) del primer conjunto de potencia CP1 (400).
La figura 3a y la figura 3b representan los diagramas fasoriales en los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400).
20
Si los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400) son de idéntica construcción sus rotores (20, 40) giran en igual velocidad y en el mismo sentido y, además, cada devanado (41 , 21 ) está respectivamente conectado eléctricamente a uno de los devanados (33, 31 ) rotóricos del conjunto
25 excitatriz CE (200) los cuales están desfasados 180°, entonces, los valores de la corriente eléctrica que circula en los dos devanados (41 , 21 ) I2 estarán desfasados 180° y la reacción de inducido de uno se compensa con la del otro y, por tanto, en el tercer devanado (36) del conjunto excitatriz CE (200) no habrá variación del valor de tensión o corriente eléctrica para cualquier
30 estado de carga eléctrica del generador. En el extremo posterior de dicho eje (15) se instala un generador de impulsos (38) o tacogenerador, el cual mide la velocidad de giro de este eje común (15) y envía una señal para regular automáticamente la frecuencia que "inyecta" el convertidor de frecuencia (37) en el tercer devanado trifásico (36) del estátor del CE (35) del conjunto excitatriz CE (200).
Ello constituye un circuito de control automático en "lazo cerrado", de forma tal que la frecuencia de las corrientes eléctricas en ambos devanados trifásicos (31 , 33) en el rotor (30) del conjunto excitatriz CE (200), sumada a la velocidad de giro del eje común (15), haga que los devanados trifásicos (26, 46) de los estátores (25, 45) de cada conjunto de potencia CP1 , CP2 (300, 400) sea sensible al campo magnético producido por las corrientes eléctricas en los devanados (21 , 41 ), en los rotores (20, 40) que giran a una velocidad ligeramente superior a la velocidad de giro del campo magnético en los devanados (26, 46) de los conjuntos de potencia (CP1 , CP2) los cuales dependen de la frecuencia de la Red Eléctrica.
Por supuesto, los devanados (26, 46) de los estátores (25, 45) trifásicos de los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400) se conectan a la red eléctrica (50) y de la misma reciben la potencia reactiva (kVAR), la cual produce el anteriormente mencionado campo magnético giratorio, en el entrehierro de estos dos conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400). El número de polos de los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300,
400) debe ser superior al número de polos en el conjunto excitatriz CE (200) y de esta forma la frecuencia de las corrientes eléctricas circulando en los devanados (21 , 41 ) en los rotores (20, 40) de los conjuntos de potencia CP1 , CP2 (300, 400) multiplica su efecto respecto a la frecuencia impuesta por la Red Eléctrica (50). Con esta máquina es posible lograr convertir la energía mecánica rotativa en la turbina (eólica o hidráulica) en energía eléctrica aportada a la Red Eléctrica (50) sin necesidad de instalación de mecanismo multiplicador de esta velocidad de giro.
Además, la conversión de energía mecánica a energía eléctrica se produce a velocidades de giro subsíncronas. La frecuencia a "inyectar" en el conjunto excitatriz CE (200) se lleva a cabo en el estátor del CE (35) y los devanados (31 , 33, 41 , 21 ) de los rotores (20, 30, 40) de los tres circuitos magnéticos o conjuntos (CE, CP1 , CP2) son coaxiales en dicho eje (15), operando los tres rotores (20, 30, 40) a una velocidad de giro común e igual. Las conexiones eléctricas entre los devanados (41 , 33, 31 , 21 ) de los rotores (40, 30, 20) se realizan de forma directa o solidaria por lo que no se requiere el uso de anillos rozantes.
Como esta máquina puede instalarse en lo alto de una torre de central eólica, en el interior de una "góndola", la protección ambiental de la carcasa del trialternador en la práctica, casi no se necesita y, por tanto, el peso de góndola disminuye apreciablemente y también los esfuerzos estructurales en la torre de la central eólica.
El transformador trifásico (48) "inversor de fase" puede instalarse a nivel de suelo, y por tanto, no añade esfuerzo estructural al conjunto.
Es posible utilizar la máquina eléctrica de la presente invención en "isla", es decir, no conectada a la red eléctrica, para lo cual se requiere instalar, conectando en paralelo una fuente de potencia reactiva (kVAR) la cual puede ser, por ejemplo, una máquina síncrona (generador o motor eléctrico sobreexcitado), o también un condensador estático previamente cargado.
Por último, la Fig. 2 muestra un ejemplo de generador donde el transformador (48) se sustituye por dos transformadores trifásicos (48') de dos devanados cada uno y grupos de conexión YynO y Yyn6, ambos de idénticas características electromagnéticas, conectados respectivamente entre los estatores (45, 26) de los conjuntos de potencia CP1 (300) y CP2 (400) y la red (50)

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
1. Generador eléctrico trifásico para turbina eólica o hidráulica caracterizado porque comprende: a) un conjunto excitatriz CE (200) que comprende:
- un rotor (30) acoplado al eje (15) de la turbina y dotado de un primer devanado (33) y de un segundo devanado (31 ) trifásicos, conectados en estrella y eléctricamente desfasados 180° entre sí, y
- un estator (35) dotado de un tercer devanado trifásico (36) conectado en estrella,
estando alimentado el conjunto excitatriz (200) por medio de un convertidor de frecuencia (37) conectado a la red eléctrica (50) que está adaptado para regular la frecuencia de alimentación del tercer devanado (36) en función de la velocidad de giro del eje (15); b) un primer conjunto de potencia CP1 (300) que comprende:
- un rotor (40) acoplado a dicho eje (15) y dotado de un cuarto devanado (41 ) trifásico conectado en estrella y en contacto mediante una conexión solidaria con el segundo devanado (33) del rotor (30) del conjunto excitatriz CE (200), y
- un estator (45) dotado de un quinto devanado (46) trifásico conectado en estrella; c) un segundo conjunto de potencia CP2 (400) que comprende:
- un rotor (20) acoplado al eje (15) y dotado de un sexto devanado (21 ) trifásico conectado en estrella y en contacto mediante una conexión solidaria con el primer devanado (31 ) del rotor (30) del conjunto excitatriz CE (200) y - un estator (25) dotado de un séptimo devanado trifásico (26) conectado en estrella; y d) unos medios de transmisión de potencia (48, 48') conectados a los estatores (45, 25) para transmitir a la red eléctrica (50) la potencia generada por los conjuntos de potencia CP1 (300) y CP2 (400).
2. Generador según la reivindicación 1 , donde los medios de transmisión de potencia comprenden un transformador trifásico (48) de al menos tres devanados respectivamente conectados al estator (45) del conjunto de potencia CP1 (300), al estator (26) del conjunto de potencia CP2 y a la red eléctrica (50).
3. Generador según la reivindicación 2, donde el transformador (48) tiene tres devanados con un grupo de conexión Dyn11yn5 o Dyn1yn7, siendo iguales las inductancias mutuas entre el devanado conectado en triángulo y ambos devanados conectados en estrella, y donde un devanado en estrella está conectado al estator (45) del conjunto de potencia CP1 (300), otro devanado en estrella está conectado al estator (25) del conjunto de potencia CP2 y el devanado en triángulo está conectado a la red eléctrica (50).
4. Generador según la reivindicación 1 , donde los medios de transmisión de potencia comprenden dos transformadores trifásicos (48*) de dos devanados cada uno y grupos de conexión YynO y Yyn6, ambos de idénticas características electromagnéticas, conectados respectivamente entre los estatores (45, 25) de los conjuntos de potencia CP1 (300) y CP2 (400) y la red (50).
5. Generador según la reivindicación cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los conjuntos de potencia CP1 (300) y CP2 (400) son idénticos.
6. Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde tanto el número de polos del primer conjunto de potencia CP1 (300) como el número de polos del segundo conjunto de potencia CP2 (400) es superior al número de polos del conjunto excitatriz CE (200)
7. Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde los conjuntos excitatriz CE (200) y de potencia CP1 (300), CP2 (400) están dispuestos de forma que son independientes entre sí.
8. Generador según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que adicionalmente comprende un generador de impulsos (38) adaptado para captar la velocidad de giro del eje (15) y convertirla en una señal eléctrica proporcional-integral que controla la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia (37) aplicada al tercer devanado trifásico (36), de forma tal que si el eje (15) varía su velocidad de giro la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia (37) varía proporcionalmente su valor para que un deslizamiento S en los conjuntos de potencia CP1 (300) y CP2 (400) se mantenga dentro de una zona estable de la curva característica Par mecánico desarrollado vs velocidad de giro.
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