METODOS PARA EVITAR EFECTOS INDESEADOS DEL PAR DE ROTACION IRREGULAR EN UN AEROGENERADOR.
Métodos para evitar efectos indeseados del par de rotación irregular en un aerogenerador.
Son métodos de operación de un aerogenerador, preferentemente un aerogenerador accionado directamente, que comprende un generador (41) de imanes permanentes accionado por un rotor eólico (15) que proporciona potencia a una red eléctrica (7) a través de una unidad de electrónica de potencia (47), que, en una situación de marcha en vacío que crea un par de rotación irregular que puede parar el rotor eólico (15), configuran el convertidor de frecuencia (49) de la unidad de electrónica de frecuencia (47) para controlar la corriente de manera que se cree un par opuesto a dicho par de rotación irregular permitiendo una situación de marcha en vacío libre. La invención también se refiere a un sistema de control para implementar dichos métodos y a un aerogenerador que comprende dicho sistema de control.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201000882.
Solicitante: GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: BIRK,JENS.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03D7/04 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03D MOTORES DE VIENTO. › F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p. ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p. ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › Control automático; Regulación.
- F03D9/00 F03D […] › Adaptaciones de los motores de viento para usos especiales; Combinaciones de motores de viento con los aparatos que accionan; Motores de viento especialmente adaptados para su instalación en lugares particulares (sistemas híbridos de energía eólica-fotovoltaica para la generación de energía eléctrica H02S 10/12).
- H02K7/18 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02K MAQUINAS DINAMOELECTRICAS (relés dinamoeléctricos H01H 53/00; transformación de una potencia de entrada en DC o AC en una potencia de salida de choque H02M 9/00). › H02K 7/00 Dispositivos para manipular energía mecánica estructuralmente asociados con con máquinas dinamo-eléctricas, p. ej. asociación estructural con un motores mecánico de arrastre o máquinas dinamoeléctrica auxiliares. › Asociación estructural de generadores eléctricos con motores de arrastre, p. ej. turbinas.
- H02P6/10 H02 […] › H02P CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELÉCTRICOS, GENERADORES ELECTRICOS O CONVERTIDORES DINAMOELECTRICOS; CONTROL DE TRANSFORMADORES, REACTANCIAS O BOBINAS DE CHOQUE. › H02P 6/00 Disposiciones para el control de motores síncronos u otros motores dinamoeléctricos mediante conmutación electrónica en función de la posición del rotor; Conmutadores electrónicos a este fin (control vectorial H02P 21/00). › Disposiciones para el control de la ondulación del par motor, p. ej. asegurando una ondulación reducida del par motor.
Fragmento de la descripción:
MÉTODOS PARA EVITAR EFECTOS INDESEADOS DEL PAR DE
ROTACIÓN IRREGULAR EN UN AEROGENERADOR
CAMPO DE LA INVENCIÓN
5
La invención se refiere a métodos para evitar efectos indeseados del par
de rotación irregular en un aerogenerador con un generador de imanes
permanentes (PM) y a un aerogenerador con sistemas de control para
implementar dichos métodos.
10
ANTECEDENTES
Como se muestra en la Figura 2, en un generador o motor de imanes
permanentes (PM) el rotor 45 contiene imanes permanentes 51 y el estator 43
15 contiene laminados apilados que son placas de acero. Los laminados del estator
tienen ranuras 55, en las que se sitúan los devanados 57, y dientes 53 que son
los laminados entre las ranuras 55. Los imanes 51 del rotor serán atraídos
naturalmente por el material magnético del estator 43 o más específicamente
por los dientes 53.
2 o Así pues al girar el rotor 45 la máquina PM tratará de encontrar una
posición de equilibrio en la que los imanes 51 están atraídos por los dientes 53
del estator. Por ello mover el rotor 45 más allá de los dientes 53 requiere cierta
fuerza. Si se continúa girando el rotor 45, aparecerá el siguiente diente 53 en la
dirección de rotación y entones los imanes 51 serán atraídos por el material
2 5 magnético en el diente 53 y conduciendo con ello el giro hacia la siguiente
posición de equilibrio.
Consiguientemente, hacer girar lentamente el rotor 45 a una velocidad
dada requiere una fuerza para, en primer lugar, mover el rotor más allá de una
posición de equilibrio y a continuación con la fuerza necesaria para retener el
3 o rotor y evitar que se mueva demasiado deprisa hacia la nueva posición de
equilibrio.
Será pues necesaria normalmente una fuerza sinusoidal dependiente de
la geometría del rotor 45 y del estator 43. El par necesario se llama el par de
rotación irregular.
Típicamente el par de rotación irregular se reduce tanto como sea posible
5 al diseñar la máquina eléctrica bien desviando los imanes 51 en el rotor 45 o
desviando las ranuras 55 en el estator 43 como se describe, por ejemplo, en US
2008/0036215.
Sin embargo, debido a las tolerancias de fabricación, el par de rotación
irregular no puede reducirse a O.
10 Cuando se usa una máquina PM como un motor, la rotación está
afectada siempre por este fenómeno y por ello las rpm siempre contendrán una
pequeña fluctuación con la frecuencia de paso por ranura. Para ciertos motores
esto resulta inaceptable ya que deben funcionar con un 1 00% de suavidad y por
tanto las fluctuaciones son compensadas controlando la potencia del motor y
15 acelerando o decelerando el rotor para compensar pequeñas variaciones. Esto
se hace controlando la corriente en el motor en un convertidor de frecuencia.
Se sabe análogamente que cuando se usa una máquina PM como
generador hay un par de rotación irregular debido a la frecuencia de paso por
ranura. Su magnitud típica es 1-2% del par nominal y también puede ser
2 o compensado controlando la corriente vía un convertidor de frecuencia.
En el caso de aerogeneradores con generadores PM en una situación de
marcha en vacío, es decir en ausencia de carga o de red, este par de rotación
irregular introduce una variación de par de aproximadamente un 1% del par
nominal. Particularmente en el caso de una máquina con un generador PM
2 5 accionada directamente ese par de rotación irregular será visible directamente
en el rotor y por ello causa algunos problemas.
El par de rotación irregular puede causar una parada del rotor en una
posición de equilibrio. Esta parada puede impedir la lubricación de los cojinetes
principales lo que puede provocar marcas de fricción en los cojinetes dañando
3 o con ello esta parte del aerogenerador.
La presente invención está orientada a la solución de estosinconvenientes.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Un objeto de la presente invención es proporcionar un método para evitar
5 la parada del rotor en una situación de marcha en vacío en aerogeneradores
con un generador de imanes permanentes.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para
controlar la velocidad del rotor en una situación de marcha en vacío en
aerogeneradores con un generador de imanes permanentes.
1 o En un aspecto, estos y otros objetos se consiguen proporcionando un
método de operación de un aerogenerador, preferiblemente un aerogenerador
accionado directamente, que comprende un generador de imanes permanentes
accionado por un rotor eólico que proporciona potencia a una red eléctrica a
través de una unidad de electrónica de potencia, que, en una situación de
15 marcha en vacío que crea un par de rotación irregular que puede parar el rotor
eólico, configura el convertidor de frecuencia de la unidad de electrónica de
potencia para controlar la corriente de manera que se cree un par opuesto a
dicho par de rotación irregular permitiendo una situación de marcha en vacío
libre.
20 En realizaciones preferentes, se proporcionan diferentes métodos para
identificar situaciones de marcha en vacío: a) una situación en la que la
velocidad instantánea del rotor W¡ ó la filtrada con un paso bajo Wt, bien en un
instante individual o a lo largo de un intervalo temporal T1, está por debajo de
un valor predeterminado en cada caso; b) una situación en la que hay
2 5 variaciones de la velocidad instantánea del rotor W¡ ó la filtrada con un paso
bajo Wt en un intervalo temporal T2 debidas al par de rotación irregular por
encima de unos primeros valores predeterminados; e) una situación en la que
hay variaciones de la velocidad instantánea del rotor W¡ ó la filtrada con un paso
bajo Wt en un intervalo temporal T2 debidas al par de rotación irregular por
3 o encima de unos segundos valores predeterminados y la velocidad instantánea
del rotor W¡ ó la filtrada con un paso bajo Wt, mínima o media, en dicho intervalotemporal T2 está por debajo de un valor predeterminado en cada caso. Uno o
más de dichos métodos puede ser implementado en el aerogenerador
dependiendo de sus circunstancias particulares.
En una realización preferente, el convertidor de frecuencia se configura
para hacer que el generador funcione a la velocidad rpmref de una situación de
5 marcha en vacío libre. Se consigue con ello un método que puede reutilizar
esquemas de control y métodos de control que normalmente ya están
implementados en el aerogenerador.
En otra realización preferente, el convertidor de frecuencia se configura
para proporcionar una corriente fija a la frecuencia fija correspondiente a la
1 o velocidad del generador rpmref de una situación de marcha en vacío libre. Se
consigue con ello un método estable a una velocidad muy baja.
En otra realización preferente, dicho convertidor de frecuencia se
configura para aplicar una corriente conformadora a la corriente de salida para
producir dicho par opuesto. Se consigue con ello un método que reacciona muy
15 rápidamente a las variaciones del par de rotación irregular permitiendo con ello
una velocidad de marcha en vacío muy baja.
En otro aspecto, los objetos mencionados anteriormente se consiguen
proporcionado un sistema de control para un aerogenerador que comprende un
generador de imanes permanentes accionado por un rotor eólico que
2 o proporciona potencia a una red eléctrica a través de una unidad de electrónica
de potencia que incluye un convertidor de frecuencia, dispositivos de medida o
de estimación de al menos la velocidad del rotor W, la velocidad del generador
rpm, la intensidad 1y el par T, que también comprende una unidad de control
conectada a dichos dispositivos y a dicho convertidor de frecuencia adaptada
2 5 para ejecutar los métodos mencionados anteriormente.
En otro aspecto, los objetos mencionados anteriormente se consiguen
proporcionando un aerogenerador que comprende dicho sistema de control.Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán
de la siguiente descripción detallada de una realización ilustrativa y no limitativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
5 BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
1 o 15 2 o
La Figura 1 es una vista esquemática en sección lateral de un aerogenerador accionado directamente con el generador situado aguas arriba del rotor eólico. La Figura 2 es una vista esquemática en sección lateral de un generador PM. La Figura 3 es un diagrama de bloques de un...
Reivindicaciones:
reivindicaciones
siguientes.REIVINDICACIONES
1. Método de operación de un aerogenerador que comprende un
generador (41) de imanes permanentes accionado por un rotor eólico (15) que
5 proporciona potencia a una red eléctrica (7) a través de una unidad de
electrónica de potencia (47) , caracterizado porque, en una situación de marcha
en vacío que crea un par de rotación irregular que puede parar el rotor eólico
(15) , se configura el convertidor de frecuencia (49) de la unidad de electrónica
de potencia (47) para controlar la corriente de manera que se cree un par
1 o opuesto a dicho par de rotación irregular permitiendo una situación de marcha
en vacío libre.
2. Método de operación de un aerogenerador según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha situación de marcha en vacío es una de las
15 siguientes:
a) una situación en la que la velocidad instantánea del rotor ó la filtrada
con un paso bajo (W¡ Wt, ) , bien en un instante individual o a lo largo de un
intervalo temporal T1, está por debajo de un valor predeterminado en cada
caso;
2 o b) una situación en la que hay variaciones de la velocidad instantánea
del rotor ó la filtrada con un paso bajo (W¡ Wt, ) por encima de unos primeros
valores predeterminados debidas al par de rotación irregular en un intervalo
temporal T2;
e) una situación en la que hay variaciones de la velocidad instantánea
2 5 del rotor ó la filtrada con un paso bajo (W¡ Wt, ) por encima de unos segundos
valores predeterminados debidas al par de rotación irregular en un intervalo
temporal T2 y la velocidad instantánea del rotor ó la filtrada con un paso bajo
(W¡ Wt, ) , mínima o media, en dicho intervalo temporal T2 está por debajo de un
valor predeterminado en cada caso.
30
3. Método de operación de un aerogenerador según cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, caracterizado porque el convertidor de frecuencia (49) se
configura para hacer que el generador (41) funcione una situación de marcha en vacío libre. a la velocidad rpmref de
5 4. Método de operación de un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque el convertidor de frecuencia (49) se configura para proporcionar una corriente fija a la frecuencia fija correspondiente a la velocidad del generador rpmref de una situación de marcha en vacío libre.
10 5. Método de operación de un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque dicho convertidor de frecuencia (49) se configura para aplicar una corriente conformadora a la corriente de salida para producir dicho par opuesto.
15 6. Método de operación de un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque dicho aerogenerador es un aerogenerador accionado directamente.
2 o 2 5 7. Un sistema de control para un aerogenerador que comprende un generador (41) de imanes permanentes accionado por un rotor eólico (15) que proporciona potencia a una red eléctrica (7) a través de una unidad de electrónica de potencia (47) que incluye un convertidor de frecuencia (49) , dispositivos de medida o de estimación de al menos la velocidad del rotor W, la velocidad del generador rpm, la intensidad 1 y el par T, caracterizado porque también comprende una unidad de control conectada a dichos dispositivos y a dicho convertidor de frecuencia (49) adaptada para ejecutar un método según cualquiera de las reivindicaciones 1-6.
8. Un aerogenerador comprendiendo el sistema de control objeto de la reivindicación 7.
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