Cascada con desconexión electrónica y campo de revoluciones ampliado.

Accionamiento regulado con máquina asíncrona de doble alimentación comprendiendo una máquina asíncrona dedoble alimentación (4) con arrollamientos del estator (4.

1), arrollamientos del rotor (4.2) y anillos rozantes (4.3), unconvertidor de frecuencia (7) con un convertidor de frecuencia (7.1) del lado de la red, un convertidor de frecuencia (7.2)del lado del motor y un condensador del circuito intermedio (7.3), un interruptor de protección de la red (2), una unidad deprecarga (6) y una unidad de regulación (10), conectado a una red mediante un transformador de red (20), pudiendointerrumpirse el flujo de energía que va a los arrollamientos del estator (4.1) de la máquina asíncrona de doblealimentación (4), que se alimentan desde el transformador de red (20), mediante un interruptor instalado en el circuitoeléctrico del estator, manteniéndose cerrado en corto el interruptor durante el funcionamiento normal de la máquinaasíncrona de doble alimentación (4) permitiendo de este modo realizar la alimentación de energía entre el transformadorde red (20) y los arrollamientos del estator (4.1), y que está abierto fuera del régimen normal y en un caso de avería, y conlo cual interrumpe la alimentación de energía entre el transformador de red (20) y los arrollamientos del estator (4.1),caracterizado porque el conmutador está realizado como conmutador electrónico (11) que consta de semiconductoresde potencia conmutados por la red o con conmutación forzada, con lo cual se obtiene un funcionamiento que no requieremantenimiento

Cascada con desconexión electrónica y campo de revoluciones ampliado La invención se refiere a una cascada con desconexión electrónica según la reivindicación 1.

Los accionamientos eléctricos regulados son convertidores de energía que convierten energía mecánica en energía eléctrica y viceversa, en los que se pueden regular las revoluciones del motor y la demanda de potencia de la instalación. Estos accionamientos se emplean cada vez más para la conversión de energía mecánica procedente de fuentes de energía regenerativas en energía eléctrica, donde es preciso variar las revoluciones del generador ya que varía la aportación de energía del viento, del agua, etc. La potencia eléctrica cedida depende de la tercera potencia del número de revoluciones, es decir que se puede limitar el campo de trabajo de las revoluciones del accionamiento. En el caso de bombas y soplantes, que constituyen la mayoría de los consumidores de energía eléctrica en el sector industrial, las proporciones son iguales -una ligera desviación respecto a las revoluciones nominales basta para estrangular el consumo.

La figura 1 muestra un accionamiento regulado clásico con un motor asíncrono 4 y un convertidor de frecuencia 7 que convierte la totalidad de la energía de accionamiento. El convertidor de frecuencia 7 está compuesto por dos convertidores AC/DC, un convertidor de frecuencia 7.1 por el lado de la red y un convertidor de frecuencia 7.2 por el lado del motor, que están acoplados por medio de un condensador de circuito intermedio 7.3. El convertidor de frecuencia 7.1 del lado de la red puede estar realizado con diodos o tiristores o con conmutadores (IGBT) .

El motor asíncrono 4 comprende unos arrollamientos de estator 4.1 que están unidos con el transformador de la red o con la red 1 por medio de un guardamotor 3 y de un interruptor de protección de la red 2. Una unidad de precarga 6 está prevista para efectuar la carga del condensador de circuito intermedio 7.3. Una unidad de regulación 10 está unida con los dos convertidores de frecuencia 7.1, 7.2 y se ocupa de todos los cometidos de regulación.

Otra especie de accionamiento regulado es la cascada, que se emplea principalmente en plantas eólicas reguladas. La cascada comprende un motor de inducido de anillos rozantes (máquina asíncrona de doble alimentación) y un convertidor de frecuencia 7, desacoplándose la energía de deslizamiento del rotor 4.2 del motor 4 con el convertidor de frecuencia 7.2 del lado del motor, y se inyecta en la red mediante un convertidor de frecuencia 7.1 del lado de la red a través del conmutador de alimentación 9 (véase la figura 1) . Esta clase de instalaciones han sido descritas por ejemplo por V. Quaschning (Regenerative Energiesysteme, Carl Hansen Verlag München Wien 1998, S. 217-226) – (Sistemas de Energía Regenerativa, Editorial Carl Hansen, Múnich Viena 1998, pág. 217-226) . Este accionamiento tiene la ventaja de que por el convertidor de frecuencia 7 se transmite únicamente una proporción reducida de la energía total, ya que la proporción de la potencia convertida en el convertidor de frecuencia es proporcional al deslizamiento S, es decir que supone únicamente una fracción de la potencia total del sistema. Otra ventaja es el mayor grado de rendimiento del sistema, ya que la proporción mayor de energía se inyecta directamente del estator en la red. La potencia activa necesaria del convertidor de frecuencia para una regulación del 90% de la potencia de una planta eólica es de aproximadamente un 30 -40% de la potencia total.

Como es sabido, las máquinas asíncronas de doble alimentación 4 se construyen con anillos rozantes 4.3 y rotores 4.2 y estatores 4.1 bobinados. El convertidor de frecuencia 7 compuesto por un convertidor de frecuencia 7.2 del lado del motor y un convertidor de frecuencia 7.1 del lado de la red se construye con componentes desconectables [IGBTs (integrated gate base transistor) , GTOs (gate controlled tiristor) , etc.], estando el convertidor de frecuencia 7.2 del lado del motor y el convertidor de frecuencia 7.1 del lado de la red acoplados entre sí por medio del condensador 7.3 (véase la figura 1) . El dispositivo de precarga 6 se ocupa de que el gran condensador 7.3 se vaya cargando lentamente, antes de conectar el convertidor de frecuencia 7 a la red 1 a través del interruptor de alimentación 9. De este modo se suprimen unas corrientes de conexión a la red indeseablemente grandes.

El convertidor de frecuencia 7.2 del lado del motor alimenta los arrollamientos del rotor 4.2 con las tensiones del rotor Uru, Urv. Urw a través de los anillos rozantes 4.3. Fluyen entonces las corrientes del rotor Iru, Irv, Irw que presentan un componente de magnetización y un componente activo proporcional al deslizamiento. El convertidor de frecuencia 7.1 del lado de la red intercambia la energía de deslizamiento con la red 1, al inyectar las corrientes Iiu, Iiv, Iiw en la red cuando el deslizamiento es S < 0 (gama de revoluciones hipersíncrona) . En la gama de revoluciones hiposíncrona (S > 0) la energía fluye de la red 1 al convertidor de frecuencia 7.1 del lado de la red. Las corrientes de red Iiu, Iiv, Iiw son por lo tanto el resultado de la suma de las corrientes del estator Isu, Isv, Isw y las corrientes Iiu, Iiv, Iiw.

En las memorias de manifestación WO 99/07996 (Zond Energy Systems: Variable Speed Wind Turbine Generator) – (Sistemas de Energía Zond: Generador de turbina eólica de velocidad variable) y EP 0569556-B1 (Zond Energy Systems: Variable Speed Wind Turbine) – (Sistemas de Energía Zond: Turbina eólica de velocidad variable) se describe el conjunto global de un sistema generador con máquina asíncrona de doble alimentación comprendiendo un convertidor de frecuencia del lado del motor, un convertidor de frecuencia del lado de la red con circuito intermedio, generador, guardamotor e interruptor de alimentación. Además se describen los procedimientos para la producción de energía activa 2 10

y energía reactiva y el par de giro en el campo de revoluciones normal para corrientes y tensiones senoidales.

La máquina asíncrona de doble alimentación actúa en estado parado como un transformador AC, conectado a la red 1 con unas tensiones Uu, Uv, Uw, incrementándose las tensiones inducidas del rotor Uru, Urv. Urw por el factor de multiplicación del motor. La relación de transmisión del motor se elige mayor que uno, de modo que estando parado el rotor las tensiones del rotor Uru, Urv. Urw son mayores que las tensiones de red Uu, Uv, Uw. Dado que el convertidor de frecuencia del lado del motor no está diseñado para estas tensiones, se conecta el motor a la red únicamente cuando el deslizamiento S llegue a ser suficientemente pequeño. El campo de revoluciones admitido para esta clase de accionamientos para plantas eólicas es de aprox. -0, 3 < S < 0, 3, es decir que el campo de trabajo de las revoluciones de las máquinas asíncronas de doble alimentación para plantas eólicas está en 0, 7 veces las revoluciones nominales hasta 1, 3 veces las revoluciones nominales. La conexión y desconexión del motor respecto a la red al salir del campo de revoluciones admitido tiene lugar a través del guardamotor 3, que está dispuesto detrás del interruptor de protección de la red 2 (véase la figura 1) . El interruptor de protección de la red 2 se ocupa de la separación del accionamiento respecto a la red relevante, para la seguridad. En el caso de avería, por ejemplo un fallo de red monofásico, pueden aparecer también sobretensiones en el convertidor de frecuencia 7.2 del lado del motor dentro del campo de revoluciones admitido. Éstos son puestos en corto por un puente de cortocircuito 5 en el circuito del rotor, de modo que el convertidor de frecuencia 7.2 del lado del motor queda protegido evitando su destrucción. Al activar el puente de cortocircuito 5 fluyen importantes corrientes del rotor y del estator, se abre el interruptor de protección de la red 2 y el guardamotor 3 y de este modo el accionamiento queda separado galvánicamente de la red 1.

Muchos fabricantes omiten por razones de coste el guardamotor 3, de modo que a través del interruptor de protección de la red no solo tienen lugar las desconexiones por avería sino también las desconexiones durante el funcionamiento normal, lo cual incrementa notablemente la frecuencia de conmutación del interruptor de protección de la red. En este régimen de funcionamiento es por lo tanto necesario sustituir con frecuencia el interruptor de protección de la red 2, ya que se limita notablemente la vida útil del interruptor de protección de la red, que es de carácter mecánico.

En el documento de patente US 6.285.533 se describe un accionamiento regulado con una máquina asíncrona... [Seguir leyendo]

1. Accionamiento regulado con máquina asíncrona de doble alimentación comprendiendo una máquina asíncrona de doble alimentación (4) con arrollamientos del estator (4.1) , arrollamientos del rotor (4.2) y anillos rozantes (4.3) , un convertidor de frecuencia (7) con un convertidor de frecuencia (7.1) del lado de la red, un convertidor de frecuencia (7.2) del lado del motor y un condensador del circuito intermedio (7.3) , un interruptor de protección de la red (2) , una unidad de precarga (6) y una unidad de regulación (10) , conectado a una red mediante un transformador de red (20) , pudiendo interrumpirse el flujo de energía que va a los arrollamientos del estator (4.1) de la máquina asíncrona de doble alimentación (4) , que se alimentan desde el transformador de red (20) , mediante un interruptor instalado en el circuito eléctrico del estator, manteniéndose cerrado en corto el interruptor durante el funcionamiento normal de la máquina asíncrona de doble alimentación (4) permitiendo de este modo realizar la alimentación de energía entre el transformador de red (20) y los arrollamientos del estator (4.1) , y que está abierto fuera del régimen normal y en un caso de avería, y con lo cual interrumpe la alimentación de energía entre el transformador de red (20) y los arrollamientos del estator (4.1) , caracterizado porque el conmutador está realizado como conmutador electrónico (11) que consta de semiconductores de potencia conmutados por la red o con conmutación forzada, con lo cual se obtiene un funcionamiento que no requiere mantenimiento.

2. Accionamiento regulado según la reivindicación 1, caracterizado porque el conmutador electrónico (11) desconecta los arrollamientos del estator (4.1) de tal modo que resulta imposible que aparezcan unas tensiones demasiado elevadas en los arrollamientos del rotor (4.3) y en el convertidor de frecuencia (7.2) del lado del motor.

3. Accionamiento regulado según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el conmutador electrónico (11) es excitado de tal modo que la corriente de la red transcurre principalmente en sentido de contrafase respecto a la tensión de la red o al generador y por lo tanto en un caso de avería no son posibles esencialmente aumentos de tensión en el convertidor de frecuencia (7.2) del lado del motor.

4. Accionamiento regulado según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el convertidor de frecuencia (7) es un convertidor con circuito intermedio de tensión.

5. Accionamiento regulado según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el convertidor de frecuencia

(7) es un convertidor de tensión de circuito intermedio bidireccional, compuesto por un convertidor de frecuencia (7.1) del lado de la red y de un convertidor (7.2) del lado del motor, que están acoplados por medio del condensador del circuito intermedio (7.3) .

6. Accionamiento regulado según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el conmutador electrónico

(11) está realizado a base de conmutadores electrónicos respective tiristores (14) conmutados por la red y dispuestos en conexión antiparalela.

7. Accionamiento regulado según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conmutador electrónico

(11) está realizado a base de tiristores (14) conmutados por la red y conectados en disposición antiparalela con aquellos, tiristores (13) desconectables de conmutación forzosa o GTOs, donde un rectificador (16) y un condensador Snubber (15) se ocupan de limitar la tensión a través de los arrollamientos del estator (4.1) al desconectar las corrientes del estator.

8. Accionamiento regulado según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conmutador electrónico

(11) está realizado a base de tiristores (14) conmutados por la red y tiristores (13) desconectables de conmutación forzosa en conexión antiparalela con aquéllos, o GTOs con un rectificador (16) y porque la energía transmitida a través del rectificador se realimenta al condensador del circuito intermedio (7.3) a través de un diodo (17) .

9. Accionamiento regulado según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la unidad de precarga (6) consta de una instalación para determinar la tensión del condensador y de una instalación para excitar el conmutador electrónico (11) , donde este último calcula el ángulo de corte de fase del conmutador electrónico (11) y porque el cálculo del circuito de corte de fase del conmutador electrónico (11) tiene lugar dentro de un circuito de regulación utilizando la tensión del condensador como magnitud de regulación, o dentro de un control directo.