GENERADOR ELÉCTRICO TRIFÁSICO ASÍNCRONO.

Generador eléctrico trifásico asíncrono.

Permite aprovechar la potencia reactiva de la Red Eléctrica,

y eliminar el uso de "multiplicadora", escobillas y anillos rozantes, destacando fundamentalmente por comprender un único circuito de flujo magnético, denominado generador de inducción con triple circuito estatórico GITE (100), que comprende siete devanados trifásicos conectados en estrella (Y), siendo: tres devanados de primera etapa CE11, CE21 y CE22 (31, 21, 22) adaptados para la excitación y conversión de energía eléctrica, el primero de ellos situado en el estator (30) y los otros dos en el rotor (20), y cuatro devanados de segunda etapa CP11, CP12, CP21 y CP22 (32, 33, 23, 24) adaptados para la transmisión de energía, los dos primeros situados en el estator (30) y los dos últimos en el rotor (20).

Generador eléctrico trifásico asíncrono

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 asíncrono (o de inducción) que permite la conversión de energía mecánica en energía eléctrica empleando la potencia reactiva de la Red Eléctrica, y que además permite evitar el empleo del mecanismo multiplicador de velocidad, escobillas y anillos rozantes.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad, la demanda eléctrica en España crece a un promedio de 62% en periodos de diez años, y por otra parte, la producción de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles (carbón. petróleo y gas) , está limitada y gravada por el Protocolo de Kyoto. Sobre la energía nuclear pesan dos factores de riesgo: peligro de accidente con su correspondiente fuga de material radiactivo, 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 en España cubrió un 16% de la demanda eléctrica, y alcanzó un 20% de la capacidad total instalada. Esta cifra tiende a incrementarse a tenor de las limitaciones inherentes en centrales generadoras termoeléctricas y termonucleares.

Sin embargo, los sistemas actuales de generación de energía eléctrica a partir de turbinas eólicas presentan algunos inconvenientes, entre los que destacan:

- Requieren el uso de una máquina o caja “multiplicadora”, con los elevados costes de instalación y mantenimiento que dicha multiplicadora conlleva;

- Emplean escobillas y anillos rozantes, los cuales exigen una constante revisión, mantenimiento y/o sustitución debido a su desgaste periódico.

- Presentan una gran complejidad estructural debido al elevado número de componentes que intervienen, repercutiendo todo ello de forma negativa tanto en su proceso de fabricación como en los costes de mano de obra.

Por otra parte, cabe citar aquí un documento de patente (P201030583) , 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, independientes entre sí, los cuales comprenden un circuito de primera etapa y dos circuitos de potencia de segunda etapa, cada uno de ellos con su correspondiente rotor y estator.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Mediante la presente invención se resuelven los inconvenientes anteriormente citados proporcionando un generador eléctrico trifásico asíncrono, de especial aplicación en turbinas eólicas o hidráulicas, mediante el cual se aprovecha la potencia reactiva de la Red Eléctrica y se elimina el uso de “multiplicadora”, escobillas y anillos rozantes, eliminando las desventajas mencionadas en el apartado anterior. Más concretamente, con respecto al generador descrito en la solicitud de patente (P201030583) arriba mencionada, se obtiene aquí una solución alternativa proporcionando un generador asíncrono que destaca por incluir un único circuito de flujo magnético en lugar de tres, presentando una mayor facilidad en su proceso de construcción, y reduciendo el material y número de componentes necesarios, disminuyendo en consecuencia los costes de mano de obra.

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 las máquinas 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].

Más concretamente, el generador eléctrico trifásico de la presente invención comprende un único circuito de flujo magnético rotativo, denominado generador de inducción de triple circuito estatórico, en adelante generador GITE, cuyo eje se acopla o es común con el de un motor primario, por ejemplo, las aspas de un aerogenerador de una estación eólica o de una turbina hidráulica. Además, el generador eléctrico comprende unos medios para transmitir la potencia generada a la Red Eléctrica. A continuación se describen con mayor detalle estos elementos:

-En el estator: a) un devanado estatórico de primera etapa CE11, de excitación y conversión de energía eléctrica. b) dos devanados estatóricos de segunda etapa CP11 y CP12, de transmisión de energía, ambos idénticos entre sí y simétricos, desplazados eléctricamente uno del otro 180º (en “oposición de fase”) .

-En el rotor: c) dos devanados rotóricos de primera etapa CE21 y CE22, de excitación y conversión de energía eléctrica, ambos idénticos entre sí y desplazados eléctricamente uno del otro 180º (en “oposición de fase”) , en forma simétrica y a su vez, conectados en serie cada uno de ellos con los siguientes otros dos devanados.

d) dos devanados rotóricos de segunda etapa CP21 y CP22, de transmisión de energía, ambos idénticos entre sí y desplazados eléctricamente uno del otro 180º (en “oposición de fase”) , en forma simétrica; además, el devanado CE21 está conectado en serie con el devanado CP21, mientras que el devanado CE22 está conectado en serie con el devanado CP22.

Los tres devanados estatóricos CE11, CP11 y CP12, están alojados en el núcleo magnético estatórico, el cual está montado en la carcasa de la máquina eléctrica. Por su parte, los cuatro devanados rotóricos CE21, CE22, CP21 y CP22, están alojados en el núcleo magnético rotórico, el cual está montado en el eje de la máquina, al que se acoplará directamente o pudiendo incluso ser común, el eje del mecanismo impulsor de la energía (turbina eólica o hidráulica) .

El generador eléctrico objeto de invención comprende además unos medios para transmitir la potencia eléctrica generada a la Red Eléctrica.

Con objeto de que la velocidad rotacional (rps) del campo magnético resultante en el entrehierro del generador objeto de la invención, sea la misma a pesar de estar producido desde dos fuentes distintas de potencia reactiva, se hace necesario que ambas fuentes mantengan la relación siguiente:

fE

NE = ……………………………………………………………………. [1]

PE

Donde,

NE = Velocidad del campo magnético (rps) producido por la corriente eléctrica “inyectada” en el devanado estatórico CE11. fE = Frecuencia (Hz) de la tensión y corriente eléctrica “inyectada” en el devanado estatórico CE11. PE = Número de pares de polos en CE11, CE21 y CE22.

Además,

fP

NP = ………………………………………………………………... [2]

PP

Donde,

NP = Velocidad del campo magnético (rps) que, producido por la corriente eléctrica, circula en CP11 y CP12.

fP = Frecuencia de la Red Eléctrica en CP11 y CP12. PP = Número de pares de polos en CP11, CP12, CP21 y CP22.

Ya que,

NE = NP ………………………………………………………………….… [3]

Por tanto,

fE fP

= ………………………………………………………………….. [4]

PE PP

A continuación se describen con mayor detalle cada uno de los devanados del generador objeto de invención:

1. Generador eléctrico trifásico asíncrono, de especial aplicación en turbinas eólicas o hidráulicas, que comprende

a) un único generador de inducción GITE (100) que comprende a su vez:

-un estator (30) que dispone de un devanado estatórico de primera etapa CE11 (31) adaptado para la excitación y conversión de energía eléctrica, y dos devanados estatóricos de segunda etapa CP11, CP12 (32, 33) adaptados para la transmisión de energía, estando el devanado CE11 (31) alimentado por un convertidor de frecuencia (37) conectado a la Red Eléctrica (50) y adaptado para regular la frecuencia de alimentación de dicho devanado CE11

(31) en función de la velocidad de giro del eje (15) ,

- un rotor (20) directamente acoplado al eje (15) de la turbina o común con dicho eje (15) , y que dispone de dos devanados rotóricos de primera etapa CE21, CE22 (21, 22) adaptados para la excitación y conversión de energía eléctrica, y dos devanados rotóricos de segunda etapa CP21, CP22 (23, 24) adaptados para la transmisión de energía, y

b) unos medios de transmisión de potencia eléctrica (45) conectados a los devanados CP11 y CP12 (32, 33) del estator (30) para transmitir a la Red Eléctrica (50) la potencia eléctrica producida por el generador GITE (100) ,

caracterizado porque los devanados estatóricos de segunda etapa CP11, CP12 (32, 33) están eléctricamente desfasados entre sí 180º, así como también lo están los devanados rotóricos de primera etapa CE21, CE22 (21, 22) y los devanados rotóricos de segunda etapa CP21, CP22 (23, 24) , estando el devanado rotórico de primera etapa CE21 (21) conectado en serie con el devanado rotórico de segunda etapa CP21 (23) , mientras que el otro devanado rotórico de primera etapa CE22

(22) está conectado en serie con el devanado rotórico de segunda etapa CP22 (24) , de modo que la reacción de armadura del devanado CE21 (21) se compensa con la reacción de armadura del devanado CE22 (22) , y por tanto, en el devanado estatórico de primera etapa CE11 (31) no hay variación del valor de tensión o corriente eléctrica para cualquier estado de carga eléctrica del generador.

2. Generador eléctrico trifásico asíncrono de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los devanados del estator (30) CE11, CP11, CP12 (31, 32, 33) son trifásicos, independientes y conectados en estrella.

3. Generador eléctrico trifásico asíncrono de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los devanados del rotor (20) CE21, CE22, CP21, CP22 (21, 22, 23, 24) son trifásicos y conectados en estrella.