Generador eléctrico trifásico de inducción para turbina eólica o hidráulica.

Permite la conversión de la energía mecánica rotativa de una turbina (eólica o hidráulica) en energía eléctrica, aprovechando la potencia reactiva de la Red Eléctrica (50) y evitando el uso de un mecanismo multiplicador de velocidad, destacando fundamentalmente por comprender un único circuito de flujo magnético denominado generador de inducción con doble circuito estatórico, en la memoria generador GIDE (200), cuyo eje (15) se acopla directamente a un motor primario (10), como por ejemplo, las aspas de un aerogenerador de una estación eólica o de una turbina hidráulica. Además, el generador aquí descrito comprende unos medios de transmisión (45) de la potencia eléctrica generada a la Red Eléctrica (50).

Generador eléctrico trifásico de inducción para turbina eólica o hidráulica

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de los generadores eléctricos, y más concretamente a la generación de energía eléctrica a partir de una turbina eólica, hidráulica o cualquier otro ingenio motriz en el que no sea necesario o posible mantener una velocidad de accionamiento constante.

El objeto principal de la presente invención es un generador eléctrico trifásico de inducción, que permite la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, aprovechando la potencia reactiva de la Red Eléctrica, y evitando el uso de cualquier mecanismo multiplicador de velocidad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente la demanda de energía eléctrica en España crece en un promedio del 62% en periodos de diez años. Asimismo, la producción de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) está limitada y gravada por el Protocolo de Kyoto. Por otro lado, sobre la energía nuclear pesan dos factores de riesgo principales: peligro de accidente con sus correspondientes fugas de materiales radiactivos, 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 2010, la generación de energía eólica cubrió un 16% de la demanda eléctrica y alcanzó un 20% de la capacidad instalada. Esta cifra tiende a incrementarse a tenor de las limitaciones inherentes en centrales generadoras termoeléctricas y termonucleares.

Sin embargo, actualmente la generación de energía eléctrica mediante turbinas eólicas presenta ciertas dificultades durante su operación, tales como que el sistema de generación consume potencia reactiva (kVAR) de la Red Eléctrica, y que existe un gasto de mantenimiento importante en el mecanismo de velocidad de giro (multiplicadora) de las aspas del aerogenerador.

Por otro lado, cabe mencionar aquí la patente con número de solicitud P201030583, relativa a: "Generador y sistema eléctricos trifásicos para turbina", correspondiente al mismo solicitante de la presente invención, y en el cual se describe un generador eléctrico trifásico de inducción formado por "tres" circuitos de flujo magnético (CE, CP1, CP2) , independientes entre sí, los cuales comprenden un circuito de primera etapa y dos circuitos de potencia de segunda etapa, contando cada uno de ellos con su correspondiente rotor y estator. Aunque esta máquina logra evitar el uso de la multiplicadora, sus costes de fabricación y montaje son elevados debido sobre todo al gran tamaño y peso que exigen dichos tres circuitos de flujo magnético. Por tanto, esta máquina presenta una complejidad estructural considerable, siendo su configuración y modo de funcionamiento claramente optimizables.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un generador eléctrico trifásico de inducción, 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 evita el uso de un mecanismo multiplicador de velocidad, eliminando los inconvenientes citados 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 la máquina 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 eléctrico trifásico objeto de invención comprende básicamente un único circuito de flujo magnético denominado generador de inducción con doble circuito estatórico, en adelante generador GIDE, cuyo eje se acopla a un motor primario, como por ejemplo, las aspas de un aerogenerador de una estación eólica o de una turbina hidráulica. Además, el generador aquí descrito comprende unos medios para transmitir la potencia generada a la Red Eléctrica. A continuación se describen con mayor detalle estos elementos:

a) Generador de inducción con doble circuito estatórico GIDE que comprende:

- un estator dotado de un primer devanado y un segundo devanado trifásicos independientes, conectados ambos en estrella y desfasados eléctricamente 180º entre sí, y

- un rotor acoplado directamente al eje de la turbina y dotado de un tercer devanado trifásico conectado en estrella, estando alimentado dicho tercer devanado a través de un juego de escobillas y anillos deslizantes por medio de un convertidor de frecuencia conectado a la Red Eléctrica y adaptado para regular la frecuencia de alimentación del devanado del rotor en función de la velocidad de giro del eje.

b) Medios de transmisión de potencia eléctrica:

- conectados a los devanados del estator para transmitir a la Red Eléctrica la potencia eléctrica producida por el generador GIDE.

Tal y como se ha citado anteriormente el devanado del rotor está alimentado a través de un juego de escobillas y anillos deslizantes, con un sistema trifásico de tensiones equilibrado de un cierto valor a una frecuencia determinada, la cual se denomina "frecuencia de inyección". El convertidor de frecuencia, alimentado desde la Red Eléctrica, suministra a través de las escobillas y los anillos deslizantes la tensión y frecuencia de inyección a este devanado del rotor.

En el estator están situados el primero y el segundo devanados (desfasados uno del otro 180º eléctricos) a través de los cuales circulan las corrientes eléctricas entregadas a la Red Eléctrica. Estas corrientes eléctricas son el producto de la conversión de la energía mecánica del eje común en energía eléctrica a través del campo magnético de acoplamiento existente en el entrehierro del generador GIDE. Como las tensiones y corrientes eléctricas de los dos devanados del estator están desfasados 180º eléctricos uno del otro, se requiere que los medios de transmisión de potencia eléctrica a la Red Eléctrica estén preparados para restablecer "en fase" las tensiones de ambos devanados al transmitirlas a la Red Eléctrica. 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 solo transformador trifásico de al menos tres devanados, respectivamente conectados a cada uno de los devanados del estator del generador GIDE 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 del transformador está conectado al primer devanado del estator del generador GIDE, el otro devanado en estrella del transformador está conectado al segundo devanado del estator del generador GIDE; y el devanado en triángulo del transformador está conectado a la Red Eléctrica. Así, el devanado conectado en triángulo (Δ) recibe de la Red Eléctrica la potencia reactiva (kVAR) y a través del mismo entrega a la Red Eléctrica la potencia activa generada. En este caso, es condición imprescindible que las inductancias mutuas entre los devanados del transformador conectados en estrella (Y) (a su vez conectados a los devanados del estator del generador GIDE) , y el devanado del transformador conectado en triángulo (Δ) sean idénticas.

2) Una segunda posibilidad es emplear dos transformadores trifásicos de dos devanados cada uno, y grupos de conexión Yyn0d y Yyn6d, ambos de idénticas características electromagnéticas (iguales tensiones nominales, resistencias, reactancias e inductancias mutuas) , conectados respectivamente a los devanados del estator del generador GIDE y a la Red Eléctrica. Por supuesto, ambos transformadores 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...

1. Generador eléctrico trifásico de inducción para turbina eólica o hidráulica caracterizado porque comprende:

a) un único generador de inducción con doble circuito estatórico GIDE (200) que comprende:

- un estator (30) dotado de un primer devanado (32) y un segundo devanado (34) trifásicos independientes, conectados ambos en estrella y eléctricamente desfasados 180º entre sí, y

- un rotor (20) directamente acoplado al eje (15) de la turbina y dotado de un tercer devanado (21) trifásico conectado en estrella, estando alimentado dicho tercer devanado (21) a través de un juego de escobillas y anillos deslizantes por medio de un convertidor de frecuencia (27) conectado a la Red Eléctrica (50) y adaptado para regular la frecuencia de alimentación del primer devanado (21) del rotor (20) en función de la velocidad de giro del eje (15) ; y

b) unos medios de transmisión de potencia eléctrica (45) conectados a los devanados (32, 34) del estator (30) para transmitir a la Red Eléctrica (50) la potencia eléctrica producida por el generador GIDE (200) .

2. Generador eléctrico trifásico de inducción de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de transmisión de potencia eléctrica (45) comprenden un transformador trifásico (48) de tres devanados, conectados respectivamente al primer devanado (32) del estator (30) , al segundo devanado (34) del estator (30) y a la Red Eléctrica (50) .

3. Generador eléctrico trifásico de inducción de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el transformador trifásico (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 del transformador (48) está conectado al primer devanado (32) del estator (30) del generador GIDE (200) , otro devanado en estrella del transformador (48) está conectado al segundo devanado (34) del estator (30) del generador GIDE (200) , y el devanado en triángulo del transformador (48) está conectado a la Red Eléctrica (50) .

4. Generador eléctrico trifásico de inducción de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de transmisión de potencia eléctrica (45) comprenden dos transformadores trifásicos (48') de dos devanados cada uno y grupos de conexión Yyn0d y Yyn6d, ambos de idénticas características electromagnéticas, conectados respectivamente al primer devanado (32) y segundo devanado (34) del estator (30) del generador GIDE (200) , y a la Red Eléctrica (50) .

5. Generador eléctrico trifásico de inducción de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende adicionalmente un generador de impulsos (58) 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 (27) aplicada al tercer devanado (21) trifásico del rotor (20) , de forma tal que si el eje (15) varía su velocidad de giro la frecuencia de salida del convertidor de frecuencia (27) varía proporcionalmente su valor para que el deslizamiento S se mantenga dentro de una zona estable de la curva característica "Par mecánico desarrollado vs velocidad de giro".