DISPOSITIVO DE CONTROL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS.

Dispositivo de control para turbinas hidráulicas configurado para adaptar el par resistente que ofrece el generador de movimiento del rodete de una turbina hidráulica (3) de manera que se establezca una presión estable a la entrada (Pi) y a la salida (Po) independientemente del caudal circulante (Q) y adaptar la energía eléctrica producida por la turbina para lograr el comportamiento hidráulico deseado,

que se caracteriza porque comprende unos primeros medios de control (100) y unos segundos medios de potencia (200); en donde dichos primeros medios (100) están conectados con unos medios de captación de la presión a la entrada (Pi) y a la salida (Po) y con un caudalímetro (1) para la obtención del caudal circulante (Q) así como con medios de medida de la potencia (2) de la turbina (3); todo ello, de tal forma, que dichos primeros medios de control (100) actúan sobre los segundos medios de potencia (200) para que se aplique el par de frenado necesario para mantener un valor de consigna estable en la turbina (3).

DISPOSITIVO DE CONTROL PARA TURBINAS HIDRÁULICAS.

5 La presente invención está referida a un dispositivo de control concebido para su uso en turbinas hidráulicas con el objeto de dotarlas de una alta capacidad de recuperación de energía para su instalación, especialmente en redes de abastecimiento.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1 O En la actualidad, en las redes de abastecimiento de agua, se dispone de un amplio abanico de elementos de regulación que permiten adaptar los valores del caudal y presión del agua, en diferentes puntos de la red, con el objetivo de cubrir las necesidades de los usuarios.

15 Ejemplo de esto, es el caso de las válvulas reguladoras, las cuales son capaces de provocar una pérdida de presión por rozamiento para mantener una presión constante a la salida, independientemente del caudal. Estas válvulas se utilizan generalmente para reducir la presión en determinadas zonas de la red evitando roturas o disminuyendo el nivel de fugas.

20 25 En numerosas ocasiones se ha intentado utilizar turbinas hidráulicas para sustituir dichas válvulas reguladoras y conseguir un aprovechamiento eléctrico, siendo el mayor inconveniente la adaptación de la turbina a los valores de caudal cambiantes a lo largo del tiempo (ya que depende de la demanda de los usuarios) , teniendo además que mantener una presión constante a la salida (válvulas reguladoras de presión) o a la entrada (válvulas sostenedoras de presión) .

30 35 Un caso típico de esta variabilidad de caudales lo constituyen las redes de abastecimiento de agua potables urbanas, donde el caudal nocturno es muy bajo en comparación con la demanda de agua en horas de máximo consumo diurno. El solicitante conoce la existencia de numerosos dispositivos o medios para adaptar el funcionamiento de una turbina en función del caudal circulante o el salto de presiones a aprovechar. Dichos sistemas, suelen ser de tipo mecánico y se encuentran en turbinas de elevada potencia en aprovechamientos hidroeléctricos. Ejemplo de esto, podrían citarse los dispositivos basados en la orientación de los álabes de la turbina, como es el caso de las turbinas Kaplan. Estos sistemas, buscan mantener un alto rendimiento y un determinado

régimen de giro en la turbina independientemente del caudal a turbinar y del salto a presión a aprovechar, ya que suelen ir equipadas con generadores síncronos que han de girar a una velocidad determinada para poder inyectar la energía a la red eléctrica.

5 Estos sistemas, presentan el inconveniente de su elevada complejidad mecánica, máxime cuando se trata de instalarlo en una microturbina para aprovechamiento energético en redes de abastecimiento urbanas.

1 O De igual modo, el solicitante conoce la existencia de microturbinas hidráulicas con posibilidad de instalación en redes de abastecimiento, que sin embargo, no cuentan con un sistema de control adecuado que les permita adaptar su funcionamiento a las condiciones de caudal y presión requeridas. Por tanto, estas turbinas no son capaces de garantizar una presión constante a la salida, sino que ésta, depende del caudal circulante.

15 En un intento de mejorar el funcionamiento hidráulico de dichas microturbinas se han llevado a cabo montajes colocando una válvula reductora a la salida, o un obturador a la entrada para conseguir así un nivel de presión constante a la salida independientemente del caudal.

20 A este respecto, cabe destacar que aunque hidráulicamente consiguen su objetivo, energéticamente resultan muy poco eficientes dado que no permiten aprovechar todo el salto de presiones disponible, parte del cual se pierde por rozamiento en la válvula reguladora, el obturador o cualquier otro elemento mecánico.

25 A su vez, y en un aspecto totalmente opuesto a dichos sistemas, el solicitante conoce los denominados "sistemas de frenado regenerativos", utilizados en diversos campos de la industria, los cuales, permiten regular el par de frenado de un generador, y por tanto, la potencia eléctrica generada.

30 Normalmente, dichos sistemas de frenado regenerativo generadores o servomotores de tipo brushlees. se encuentran conectados a

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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El problema técnico que soluciona la presente invención, es el aumento del rendimiento energético global en redes de abastecimiento como son las redes de agua potable, agua de riego filtrada, etc.

Para la solución de este problema técnico se describe el dispositivo de control para turbinas hidráulicas que, conectadas con una microturbina permite un control electrónico y un frenado regenerativo de la microturbina.

Efectivamente, el dispositivo está previsto para que regule el par de frenado que ejerce el generador sobre el eje de la turbina, al cual está solidariamente unido, de manera que se pueda mantener una presión constante a la entrada o salida de la turbina, independientemente del caudal de agua que circule por ella. De esta forma, se consigue que la turbina se comporte hidráulicamente igual que una válvula reguladora de presión, manteniendo un nivel constante de presión a la entrada, con la ventaja además de poder generar energía eléctrica sustituyendo las actuales válvulas reguladoras o sostenedores de presión.

Más concretamente, el dispositivo de control para turbinas hidráulicas configurado para adaptar el par resistente que ofrece el generador al movimiento del rodete de una turbina hidráulica de manera que se establezca una presión estable a la entrada o a la salida independientemente del caudal circulante, y adaptar la energía eléctrica producida por la turbina para lograr el comportamiento hidráulico deseado, que se caracteriza porque comprende unos primeros medios de control y unos segundos medios de potencia; en donde dichos primeros medios están conectados con unos medios de captación de la presión a la entrada y a la salida, y con un caudalímetro para la obtención del caudal circulante, así como con medios de medida de la potencia de la turbina; todo ello, de tal forma, que dichos primeros medios de control actúan sobre los segundos medios de potencia para que se aplique el par de frenado necesario para mantener un valor de consigna estable en la turbina.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

5 FIG. 1 muestra una vista esquemática de un ejemplo típico de montaje del dispositivo de control para turbinas hidráulicas. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

1O Tal y como ha sido explicado anteriormente el dispositivo objeto de la invención, permite una nueva estrategia de control en base a la cual la turbina aprovecha en todo momento la máxima energía hidráulica disponible en la red, asegurando además un comportamiento hidráulico estable a pesar de las variaciones de caudal que se producen en las redes de abastecimiento, por depender éste de las necesidades de los usuarios.

15 El empleo de un sistema de frenado regenerativo en turbinas hidráulicas, permite adaptar el par resistente que ofrece el generador de movimiento del rodete, de manera que se puede garantizar un nivel de presión estable a la entrada o salida de la turbina independientemente del caudal circulante por la mismas y, por tanto, adaptar la energía eléctrica generada a la energía hidráulica disponible.

20 Tal y como muestra el esquema adjunto, el dispositivo objeto de la invención comprende unos primeros medios de control (100) y unos segundos medios de potencia (200) .

25 Los primeros medios de control (100) , en una primera realización práctica, comprende un PLC que reciba las señales de presión a la entrada (Pi) , presión a las salida (Po) , caudal circulante (Q) obtenido a través de un caudalímetro (1) y potencia eléctrica generada, que se obtiene a través de un analizador de red (2) conectado directamente a la señal de potencia de la turbina (3) .

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1. Dispositivo de control para turbinas hidráulicas configurado para adaptar

el par resistente que ofrece el generador de movimiento del rodete de una turbina

5 hidráulica (3) de manera que se establezca una presión estable a la entrada (Pi) o a la

salida (Po) independientemente del caudal circulante (Q) y adaptar la energía eléctrica

producida por la turbina para lograr el comportamiento hidráulico deseado, que se

caracteriza porque comprende unos primeros medios de control (100) y unos segundos

medios de potencia (200) ; en donde dichos primeros medios (100) están conectados con

1O unos medios de captación de la presión a la entrada (Pi) y a la salida (Po) y con un

caudalímetro (1) para la obtención del caudal circulante (Q) así como con medios de

medida de la potencia (2) de la turbina (3) ; todo ello, de tal forma, que dichos primeros

medios de control (100) actúan sobre los segundos medios de potencia (200) para que se

aplique el par de frenado necesario para mantener un valor de consigna estable en la

15 turbina (3) .

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque

en base a las señales recibidas, los primeros medios de control (100) están configurados

para trabajar en uno de los siguientes modos:

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a) un primer modo, en donde la turbina (3) regula la presión; donde los primeros

medios de control (100) están configurados para calcular el par de frenado necesario para

mantener la consigna de presión a la salida o a la entrada de la turbina (3)

independientemente del caudal demandado, comportándose hidráulicamente igual que

25 una válvula reguladora de presión;

b) un segundo modo, con la turbina (3) en máxima potencia en donde los primeros

medios de control (100) están configurados para calcular el par de frenado con la máxima

potencia generada sin asegurar una presión constante, ya que dependerá del caudal (Q)

demandado;

30 e) un tercer modo, con la turbina (3) a máximo rendimiento, en donde los primeros

medios de control (100) están configurados para decidir el par de frenado necesario para

que el rendimiento sea el máximo posible, no pudiendo garantizar un valor de presión

constante, maximizando el cociente entre potencia eléctrica generada y la potencia

hidráulica disponible; y,

35 d) un cuarto modo, con la turbina (3) regulando el caudal (Q) , en donde los medios

de control (100) están configurados para establecer el par de frenado necesario para

mantener una consigna de caudal constante independientemente de la presión aguas arriba (Pi) o abajo (Po) de la turbina (3) .

3. Dispositivo, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque los segundos medios de potencia (200) excitan las bobinas del estator del generador de acuerdo con la orden los primeros medios de control (100) de manera que el par resistente en el mismo, es el adecuado para mantener la consigna.

4. Dispositivo, de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado 1O porque los segundos medios de potencia (200) comprenden un driver (201) basado en un puente de tiristores o IGBT configurados en antiparalelo y sincronizados por medios de las señales recibidas por los primeros medios de control (100) , permitiendo de forma controlada el paso de corriente generada por el propio generador, y así regular el par de frenado que este ejerce sobre el rodete de la turbina.

S. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los segundos medios de potencia (200) están conectados al sistema receptor de la energía (S) , que podrá ser un inversor para inyección de electricidad a red, un equipo de carga de baterías, una instalación particular para autoconsumo, o cualquier otro sistema susceptible de aprovechar energía eléctrica.