Generador eléctrico (100), que comprende:

una turbina (1);

un rotor (5),

accionable mediante la turbina (1);

un estator que tiene bobinas del estator (6);

un controlador (9); y

un circuito eléctrico (150), conectado a las bobinas del estator (6) y que presenta una impedancia de carga almismo;

en el que el componente real de la impedancia de carga presentada a las bobinas del estator (6) incluye unoo más elementos calefactores resistivos;

caracterizado por que el controlador (9) controla la selección de la impedancia del circuito eléctrico (150)basado en una velocidad de rotación de la turbina medida de manera que el generador (100) produce unasalida del generador cuya tensión y frecuencia varía con la velocidad del viento a través de un rangopredeterminado de velocidades de viento, mientras que la salida de potencia se mantiene en o adyacente auna salida de potencia pico del generador (100) a través de ese rango predeterminad de velocidades deviento.

Generador de electricidad

Antecedentes de la invención

Los generadores asíncronos o de inducción durante algún tiempo han formado la base para la generación de electricidad a partir de turbinas eólicas. Son atractivos debido a su relativa simplicidad, economicidad y robustez. Varios tipos de generadores de inducción son conocidos, pero todos funcionan sobre el mismo principio básico: un motor primario (tal como un álabe de turbina) proporciona energía mecánica para hacer girar un rotor, que gira en la proximidad de las bobinas primarias excitadas de un estator. Para actuar como un generador, el rotor debe ser accionado por encima (pero sólo ligeramente por encima) de su velocidad síncrona, es decir, el rotor debe girar a una frecuencia que exceda ligeramente de la frecuencia de rotación del campo magnético producido por las bobinas del estator cuando se activan (una llamada condición de "deslizamiento negativo") .

Dentro de la categoría general de los generadores de inducción, son posibles diferentes construcciones y procedimientos específicos de activación de la bobina del estator. Una construcción particular emplea un denominado rotor de "jaula de ardilla" que comprende una pluralidad de barras (típicamente de aluminio o cobre) que se extienden en paralelo alrededor de un eje longitudinal, conectado eléctricamente mediante tapas de anillo, y que define un rotor cilíndrico. La jaula de ardilla usualmente tiene un núcleo de hierro y gira dentro del estator.

Las bobinas del estator deben activarse para la disposición para producir electricidad. Esto puede realizarse mediante la excitación de una fuente externa o mediante excitación por sí misma, tal como se propone en el documento US 4242628. En una turbina eólica (destinada a la generación de electricidad para la red) , la propia red puede suministrar energía a las bobinas del estator, ya sea directa o indirectamente. La excitación directa de las bobinas mediante la red tiene la ventaja de que la electricidad se genera a la frecuencia y a la tensión impuestas por la red. Sin embargo, requiere también que la velocidad de rotación de la turbina esté ligada a la frecuencia de red, de modo que el generador es más o menos ineficiente en absoluto, sino una gama muy estrecha de velocidades de viento. Han sido propuestas cajas de cambio mecánicas para aliviar esto, pero éstas son ruidosas, complejas, costosas y se añaden a la masa total. Además, una vez que el motor primario acciona el generador por encima de su velocidad de generación, cesa la generación y cesa la resistencia al movimiento del motor primario, lo que a su vez puede dar lugar a una velocidad excesiva y a la autodestrucción. El documento WO-A-94/03970 soluciona este problema, pero requiere un costoso motor de inducción del rotor de la bobina a medida, en lugar del motor de inducción más simple y más barato de jaula de ardilla que se ha descrito anteriormente.

En lugar de una conexión directa de tres fases desde la red, en su lugar puede proporcionarse un sistema electrónico para suministrar energía trifásica a las bobinas del estator a una tensión y frecuencia variable para permitir la combinación de turbina/generador para extraer energía con la máxima eficiencia en un rango de velocidades de viento: véase, por ejemplo, "Power electronics for modern wind turbines" de Blaabjerg, publicado por Morgan y Claypool.

Aunque estas disposiciones proporcionan mucha más flexibilidad que las disposiciones conectadas directamente a la red descritas anteriormente, sin embargo son muy caras, complejas y difíciles de encontrar y reparar fallos, cuando están in situ. Así, son prohibitivas para pequeñas turbinas eólicas destinadas al uso doméstico, con una producción de, digamos, 10 kW o menos.

Como una alternativa a la excitación externa de las bobinas del estator, también es posible la excitación propia mediante la provisión de una corriente reactiva local. La forma más sencilla de proporcionar dicha corriente reactiva es hacer funcionar el generador a una carga pasiva que tiene un componente reactivo adecuado, tal como un banco de condensadores local. La condición de excitación propia es que la impedancia en serie total del generador más su carga es cero; es decir, los componentes reales e imaginarios de la impedancia total son cero. A continuación, el componente conductor de la impedancia del generador se cancela mediante la capacitancia de la impedancia de carga y la resistencia negativa aparente del generador es igual a la resistencia de la carga.

Aunque la excitación propia evita el requisito de una conexión a la red, en el lado inferior, un generador de inducción cargado de manera capacitiva que está configurado para dar salida a una tensión dada es capaz de generar sólo en una banda muy estrecha de frecuencias por encima de la frecuencia para la que la impedancia total del circuito es cero. Por lo tanto, para mantener la generación, la frecuencia del motor primario debe regularse cuidadosamente. Una disposición adecuada para tratar eso se muestra en el documento GB-A-405, 234. Sin embargo, estas disposiciones sufren de las mismas desventajas que los generadores de inducción directamente conectados a la red descritos anteriormente, en que la turbina debe girar a una velocidad esencialmente fija, de manera que debe ser empleada una caja de engranajes mecánica o de las aspas de la turbina. Una desventaja adicional con esta disposición es que la tensión de salida de dicho generador de inducción auto excitado varía con el par proporcionado por el motor primario (aspa de la turbina) a menos que se tomen medidas para su regulación. Los documentos USA-2006/132, 103 y US-A-4, 417, 194 proponen técnicas para la regulación de la tensión y la frecuencia de un generador de inducción auto excitado. Sin embargo, estas disposiciones no son adecuadas para su uso con una turbina eólica debido a la necesidad de controlar el par de entrada. Otras disposiciones de bobinas del estator se contemplan en, por ejemplo, los documentos US-B-6, 788, 031 y US-A-2004/0263110, pero de nuevo estas sufren del coste y de la complejidad de fabricación.

En principio, la corriente reactiva necesaria para excitar un generador de inducción auto excitado se puede variar mediante el empleo de un condensador variable como la carga reactiva en el generador. Sin embargo, el tamaño de la capacitancia requerida para un generador viable es de decenas o de cientos de microfaradios y los condensadores variables de esta magnitud son poco prácticos. Una solución que ha sido propuesta para este problema práctico es utilizar una red electrónica que realiza la corrección del factor de potencia activa (CFAP) . Esto se basa en la observación de que la corriente reactiva suministrada al generador no necesita ser una onda senoidal perfecta para que el generador se auto excite. Triacs puede ser utilizados para conmutar los componentes inductivos y reactivos dentro y fuera del circuito generador en una escala de tiempo comparable o menor que el período de un ciclo de energía eléctrica. Esto tiene el efecto de moderar la amplitud efectiva de la corriente reactiva inyectada y, por lo tanto, es similar en el efecto de variar el valor de un condensador de carga sencilla. Los documentos US-A2006/132103 y US-A-4, 242, 628 muestran ejemplos de este enfoque. El coste y la complejidad son, sin embargo, los problemas, una vez más.

El documento US-A-2, 758, 272 muestra un procedimiento diferente y más primitivo de implementación de la corrección del factor de potencia. Aquí, el generador de inducción se opera en paralelo con la bobina primaria de un transformador saturable a través de la bobina secundaria que está conectada a una carga reactiva fija. Al variar la corriente continua a través de las bobinas del transformador, la saturación del núcleo magnético puede controlarse, para lo que a su vez los controles modifican la inductancia mutua y, por lo tanto, a su vez el valor de la reactancia secundaria vista reflejada en los terminales primarios. Aunque esta técnica evita el uso de la electrónica de semiconductores de potencia, y por lo tanto, las etapas laterales de la elección entre los semiconductores baratos pero de baja confiabilidad y triacs caros pero más fiables, el coste y la complejidad de la fabricación de un transformador saturable convenientemente a medida también significa que este enfoque no es favorable.

En lugar de tratar de controlar múltiples variables (par, corriente reactiva, tensión y/o frecuencia) - véase, por ejemplo, el documento US-A-2006/132103 referenciado anteriormente - todavía más disposiciones de... [Seguir leyendo]

1. Generador eléctrico (100) , que comprende:

una turbina (1) ; un rotor (5) , accionable mediante la turbina (1) ; un estator que tiene bobinas del estator (6) ; un controlador (9) ; y un circuito eléctrico (150) , conectado a las bobinas del estator (6) y que presenta una impedancia de carga al mismo; en el que el componente real de la impedancia de carga presentada a las bobinas del estator (6) incluye uno

o más elementos calefactores resistivos; caracterizado por que el controlador (9) controla la selección de la impedancia del circuito eléctrico (150) basado en una velocidad de rotación de la turbina medida de manera que el generador (100) produce una salida del generador cuya tensión y frecuencia varía con la velocidad del viento a través de un rango predeterminado de velocidades de viento, mientras que la salida de potencia se mantiene en o adyacente a una salida de potencia pico del generador (100) a través de ese rango predeterminad de velocidades de viento.

2. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 1, en el que el circuito eléctrico (150) comprende una primera

(200) parte que presenta una carga sustancialmente reactiva a las bobinas del estator (6) , y una segunda parte (300) que presenta una carga sustancialmente resistiva a las bobinas del estator (6) , y en el que la carga sustancialmente resistiva incluye dicho uno o más elementos calefactores resistivos.

3. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 2, en el que la reactancia de la carga sustancialmente reactiva es variable, el controlador (9) está dispuesto para controlar el tamaño de la reactancia de la carga sustancialmente reactiva variable, basado en la velocidad de rotación de la turbina medida y una magnitud de la tensión a través de las bobinas del estator (6) para mantener la potencia de salida del generador (100) en o cerca de la salida de potencia óptima para una velocidad del viento particular.

4. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 3, en el que el controlador (9) está también dispuesto para controlar el tamaño de la impedancia de la carga sustancialmente resistiva basado en la velocidad de rotación medida de la turbina y la magnitud de la tensión a través de las bobinas del estator (6) , también para mantener la potencia de salida del generador (100) en o cerca de la salida de potencia óptima para dicha velocidad del viento particular.

5. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 4, en el que el controlador (9) está dispuesto para controlar la reactancia de la carga sustancialmente reactiva independientemente de la impedancia de la carga sustancialmente resistiva.

6. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 3, la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que la primera parte del circuito eléctrico (150) comprende o incluye una pluralidad de condensadores (15) y medios de conmutación (7) , estando los medios de conmutación (7) bajo el control del controlador (9) para conmutar en el circuito (150) aquel o aquellos condensador (es) (15) determinado (s) por el controlador (9) para presentar una reactancia a las bobinas del estator (6) , para una velocidad del viento medida determinada, que mantiene la potencia de salida óptima desde el generador (100) .

7. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 3, la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que la primera parte del circuito eléctrico (150) comprende una unidad de corrección del factor de potencia activa que incluye una reactancia fija junto con medios de regulación de la corriente, estando dispuesto el controlador (9) para controlar los medios de regulación de la corriente de la unidad de corrección del factor de potencia activa de modo que la excitación de corriente reactiva del generador (100) es a su vez controlada para mantener la salida de potencia óptima del generador para una velocidad dada del viento.

8. Generador eléctrico (100) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que la segunda parte del circuito eléctrico (150) comprende o incluye una pluralidad de resistencias (16) y medios de conmutación (8) , estando los medios de conmutación (8) bajo el control del controlador (9) para conmutar en el circuito (150) aquella o aquellas resistencia (s) (16) determinada (s) por el controlador (9) para presentar una carga resistiva a las bobinas del estator (6) , para una velocidad del viento y reactancia particular medida, que mantiene la salida de potencia óptima del generador (100) .

9. Generador eléctrico (100) según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, en el que la segunda parte del circuito eléctrico (150) comprende una resistencia fija (16A) , junto con unos medios de regulación de corriente (8A) , estando dispuesto el controlador (9) para controlar los medios de regulación de corriente (8A) de modo que la resistencia efectiva de la carga sustancialmente resistiva presentada a las bobinas del estator (6) está a su vez controlada para mantener la salida de potencia óptima del generador para una velocidad del viento dada.

10. Generador eléctrico (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el o cada elemento de calentamiento resistivo está adaptado para ser sumergido en agua para su calentamiento.

11. Generador eléctrico (100) según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que el controlador (9) incluye una

tabla de consulta para convertir la tensión medida a través de las bobinas del estator (6) (o un parámetro eléctrico relacionado con la misma) en jXm, la impedancia del generador.

12. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 6 o la reivindicación 8, en el que la pluralidad de resistencias

(16) están dispuestas en serie con la pluralidad de condensadores (15) . 10

13. Generador eléctrico (100) según la reivindicación 6 o la reivindicación 8, en el que la pluralidad de resistencias

(16) están dispuestas en paralelo con la pluralidad de condensadores (15) .

14. Generador eléctrico (100) según cualquier reivindicación anterior, que también comprende una caja de 15 engranajes mecánica entre la turbina (1) y el rotor (5) .

15. Generador eléctrico (100) según cualquier reivindicación anterior, en el que el rotor (5) es del tipo de jaula.