CADENA CINEMÁTICA PARA LA TRANSMISIÓN DE UNA POTENCIA VARIABLE.

Cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con régimen de entrada variable para una instalación de generación de energía accionada por una turbomáquina,

tal como una turbina eólica (3) o una turbina de agua; 1.1 con una transmisión de ramificación de potencia (5) para la división de la potencia en al menos una primera rama de potencia (7) y al menos una segunda rama de potencia (18); 1.2 la primera rama de potencia (7) acciona al menos indirectamente un generador eléctrico (11); 1.3 se establece una conexión entre la primera rama de potencia (7) y la segunda rama de potencia (18) mediante un circuito hidráulico (12) dispuesto en el lado de salida con respecto a la transmisión de ramificación de potencia (5) y el flujo de potencia se ve influido mediante el circuito hidráulico (12) de tal manera que el régimen con el que se acciona el generador eléctrico (11) es esencialmente constante; caracterizada porque 1.4 el circuito hidráulico es un convertidor de regulación hidrodinámico o un convertidor de par

La invención se refiere a una cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con un régimen de entrada variable y un régimen de salida constante. La invención se refiere particularmente a instalaciones con una aplicación de potencia variable, tal como se da en la utilización de recursos energéticos 5 naturales de viento, agua y otros recursos.

El documento WO-A-81/01444 describe una cadena cinemática de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Ésta comprende una instalación de generación de energía, una transmisión de ramificación de potencia y un generador eléctrico. A este respecto se establece una conexión entre las dos ramas de potencia mediante un circuito hidráulico y se influye de tal forma en el flujo de potencia, que el régimen de entrada del 10 generador es constante. Otra cadena cinemática configurada de acuerdo con este principio se obtiene además a partir del documento EP 0 120 654 A1.

La utilización de la energía eólica es interesante sobre todo con potencias superiores a 1 MW. Además es necesario organizar la explotación de la instalación de tal manera que se realice un rendimiento máximo de potencia con una carga dinámica mínima. Para establecer el grado de eficacia de todo el sistema de modo óptimo, y de hecho 15 en la fase de arranque de la instalación así como en la fase de funcionamiento y en la parada, se necesita una regulación del régimen para la máquina operadora, que también se puede respaldar por zonas por otros tipos de regulación (por ejemplo, graduación de las aspas del rotor).

A continuación se representa por tanto con ayuda del ejemplo de turbinas eólicas la problemática de una transmisión de potencia variable en el tiempo, particularmente con un régimen de entrada modificable en el tiempo y 20 el par que se puede modificar en el tiempo de forma correspondiente, cuando como condición secundaria en la transmisión de potencia se requiere un régimen de salida esencialmente constante en el tiempo.

El funcionamiento de una turbina eólica es por tanto característico de la problemática representada anteriormente, ya que la energía eléctrica generada por la turbina eólica se introduce en una red de interconexión eléctrica, que presenta una frecuencia de red fija. Debido a que en el caso de la frecuencia de red se trata de la 25 propia magnitud primaria para la estabilización y regulación de la red, un acoplamiento directo del generador de la turbina eólica presupone que el mismo se abastece por la cadena cinemática con un régimen constante. Tales instalaciones eólicas también se denominan turbinas eólicas de régimen constante.

A este respecto se usan habitualmente generadores asincrónicos para turbinas eólicas de régimen constante, que debido al deslizamiento de principio se pueden conectar de un modo simple a una red de 30 interconexión.

La aplicación de potencia variable en el tiempo en turbinas eólicas a causa de condiciones eólicas fluctuantes contrasta con el requisito del sistema de un régimen de salida constante en la cadena cinemática. A este respecto, esta problemática se agrava adicionalmente debido a la característica inherente del sistema de la transformación energética mecánica de la energía cinética del flujo de aire en la energía cinética del movimiento de 35 rotor. En una turbina eólica de régimen constante existe una determinación de una frecuencia determinada de rotor o unas pocas frecuencias de rotor, siendo entonces posible más de una frecuencia de rotor solamente si el generador posee una regulación por cambio de número de polos o se usan diferentes generadores. A este respecto, la velocidad de circulación deseada del rotor se alcanza habitualmente por una graduación angular de las aspas del rotor, lo que también se denomina regulación de paso (pitch). 40

La desventaja de turbinas eólicas de régimen constante es que con carga parcial, que se da frecuentemente con condiciones eólicas típicas, solamente se pueden hacer funcionar con una eficacia reducida.

Si una turbina eólica se hace funcionar con régimen variable en el ámbito de carga parcial, existe la posibilidad de configurar una cadena cinemática con un régimen de salida variable o constante. A este respecto, en ambos casos la potencia de salida también se puede modificar en el tiempo debido al par que varía en el tiempo. 45

El primer caso conlleva en turbinas eólicas el uso de convertidores de frecuencia con un circuito intermedio de corriente continua. Este enfoque, sin embargo, se desvía del objetivo representada en este documento y está asociado particularmente a complicaciones adicionales, tales como una gran retroactividad de la red en combinación con una mayor carga de armónicos y potencias reactivas altas.

El segundo enfoque, concretamente la unión de un régimen variable del rotor de la turbina eólica con un 50 régimen constante del generador, corresponde a la temática representada en este documento de una cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con un régimen de entrada variable y un régimen de salida constante. Las soluciones conocidas de esta problemática, particularmente para turbinas eólicas, utilizan un

engranaje de superposición en la cadena cinemática, que se usa para la ramificación o superposición de la potencia mecánica. En turbinas eólicas de régimen variable solamente se conocen dos enfoques basados en esto, que se usan para mantener constante la frecuencia del generador.

En el primer sistema se divide la potencia de entrada por el engranaje de superposición entre un generador grande y un servomotor pequeño, transmitiéndose habitualmente al servomotor aproximadamente un 30% de la 5 potencia de entrada. El generador está unido a la red eléctrica con frecuencia fija, mientras que el servomotor está conectado a la red mediante un convertidor de frecuencia. Para estabilizar el régimen del generador se hace funcionar el servomotor como motor o como generador. Este sistema tampoco está libre de efectos retroactivos para la red eléctrica. Además, un sistema de este tipo solamente se puede regular con dificultad y presenta como acumulador de energía esencialmente sólo las masas inertes de la cadena cinemática y del rotor. Por lo demás, los 10 costes de inversión son relativamente altos debido a la utilización de convertidores de frecuencia.

En el segundo sistema, que trabaja de forma hidrostática, se usan motores hidráulicos y bombas en vez del servomotor eléctrico. Aquí también se da la problemática de una característica de regulación difícil, particularmente un comportamiento de respuesta inerte y tiempos muertos relevantes, así como fuerte falta de linealidades. Además, los componentes hidráulicos del sistema son desventajosos debido al esfuerzo en el diseño y el peso. 15

En la siguiente tabla se resumen las diferentes regulaciones conocidas representadas de potencia activa de turbinas eólicas:

generador con convertidor

generador con convertidor y engranaje con transmisión fija

generador con engranaje de superposición

tipo de sistema

electrónico

transmisión sencilla

transmisión

transmisión

con motor eléctrico

con hidrostática

generador

generador sincrónico excitado permanentemente

generador sincrónico

generador asincrónico con polaridad 4/6 o sincrónico

generador asincrónico con polaridad 4/6 alimentado de modo doble

generador asincrónico con polaridad 4/6 o sincrónico

generador asincrónico con polaridad 4/6 o sincrónico

convertidor

PWM - VSI

PWM-VSI

PWM -VSI

PWM-VSI

-

-

transmisión

-

escalón planetario

escalón planetario + escalón de engranaje recto

escalón planetario + escalón de engranaje recto

escalón planetario + escalón de engranaje con solapamiento

escalón planetario + escalón de engranaje con solapamiento...

1. Cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con régimen de entrada variable para una instalación de generación de energía accionada por una turbomáquina, tal como una turbina eólica (3) o una turbina de agua;

5

1.1 con una transmisión de ramificación de potencia (5) para la división de la potencia en al menos una primera rama de potencia (7) y al menos una segunda rama de potencia (18);

1.2 la primera rama de potencia (7) acciona al menos indirectamente un generador eléctrico (11);

1.3 se establece una conexión entre la primera rama de potencia (7) y la segunda rama de potencia (18) mediante un circuito hidráulico (12) dispuesto en el lado de salida con respecto a la transmisión de 10 ramificación de potencia (5) y el flujo de potencia se ve influido mediante el circuito hidráulico (12) de tal manera que el régimen con el que se acciona el generador eléctrico (11) es esencialmente constante; caracterizada porque

1.4 el circuito hidráulico es un convertidor de regulación hidrodinámico o un convertidor de par.

15

2 Cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con régimen de entrada variable de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el convertidor de regulación hidrodinámico (12) o el convertidor de par comprende un rotor de bomba (13) que está dispuesto en un árbol de rotación rápida de la transmisión de ramificación de potencia (5) y el árbol de rotación rápida es un árbol de salida (10) de la cadena cinemática, con el que está unido al menos de forma indirecta el generador eléctrico (11). 20

3. Cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con régimen de entrada variable de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque un engranaje (4) adicional está dispuesto por delante o por detrás de la transmisión de ramificación de potencia (5).

25

4 Cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con régimen de entrada variable de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1-3, caracterizada porque en la segunda rama de potencia (18) está dispuesto un engranaje (16, 16.2) adicional para aumentar el régimen con el que se acciona el circuito hidrodinámico (12).

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5. Método para el funcionamiento de una cadena cinemática para la transmisión de una potencia variable con régimen de entrada variable para una instalación de generación de energía, accionada por una turbomáquina, tal como una turbina eólica (3) o una turbina de agua;

5.1 con una transmisión de ramificación de potencia (5) para la división de la potencia en al menos una 35 primera rama de potencia (7) y una segunda rama de potencia (18), en la que la primera rama de potencia (7) acciona al menos indirectamente un generador eléctrico (11) y

5.2 en la que se establece una conexión entre la primera rama de potencia (7) y la rama de potencia (18) mediante un circuito hidrodinámico (12) dispuesto en el lado de salida con respecto a la transmisión de ramificación de potencia (5) en forma de un convertidor de regulación hidrodinámico o un convertidor de par, 40 donde el circuito hidrodinámico (12) comprende un componente de reacción (15),

que comprende la etapa del método

5.3 que durante el funcionamiento de la turbomáquina en el ámbito de la carga parcial para el componente de reacción (15) se mantiene un ajuste predeterminado que influye de tal manera en el flujo de potencia en la transmisión de ramificación de potencia (5), que el régimen con el que se acciona el generador eléctrico (11) 45 es esencialmente constante.