ES2280770T3 - Sistema de control redundante de paso de pala para turbina de viento. - Google Patents
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Abstract
Sistema de paso de pala para una turbina eólica que comprende al menos un impulsor de paso de pala (20, 21, 22) para cambiar un ángulo de paso de la pala del rotor, al menos dos módulos de control de potencia (60, 61, 62, 6'') para controlar dicho impulsor de paso de pala (20, 21, 22) para ajustar dicho ángulo de paso de la pala del rotor, y al menos una unidad conmutadora (10) para conectar dicho impulsor de paso de pala (20, 21, 22) con cada uno de dichos dos módulos de control de potencia (60, 61, 62, 6'').
Description
Sistema de control redundante de paso de pala
para turbina de viento.
La presente invención se refiere en general a
una turbina eólica y en particular a un sistema de paso de pala de
una turbina eólica.
Las turbinas eólicas se usan habitualmente para
convertir la energía cinética de una corriente de aire en energía
eléctrica. Una pieza esencial de una turbina eólica es el rotor con
sus palas del rotor, que captura la energía cinética y la convierte
en energía rotacional. La eficacia de admisión de energía cinética
depende principalmente del perfil aerodinámico y el ángulo de paso
de las palas del rotor. Para ajustar el ángulo de paso, las palas
del rotor, que están montadas de manera rotatoria al cubo del rotor
por un rodamiento de paso, pueden girar alrededor de su eje
longitudinal usando un impulsor de paso (por ejemplo, documento
US-A-4 348 155).
A velocidades muy altas del viento, la potencia
capturada del viento por el rotor puede sobrepasar los límites
establecidos por la resistencia estructural de la turbina eólica.
Adicionalmente, la potencia máxima permisible del generador
constituye un límite para la potencia de salida del rotor. Además,
variar la velocidad del viento conduce a una rotación no uniforme
del rotor y crea de esta manera una carga no uniforme adicional. Por
lo tanto, se desea controlar constantemente la captura de potencia
del rotor y mantener el rotor a una velocidad rotacional uniforme.
Además, la manera más eficaz es el ajuste mecánico del ángulo de
paso de las palas del rotor. En general, las palas del rotor giran
con la ayuda de impulsores de paso controlados activamente.
Típicamente, cada pala del rotor tiene su propio impulsor de paso
para permitir un ajuste individual del ángulo de paso. En
consecuencia, para controlar los impulsores de paso, se asigna un
módulo de control de potencia diferente a cada impulsor de paso.
El despliegue de un sistema de control de paso
de una pala esbozado en la medida en que permita una reacción
instantánea a las condiciones de viento variable, incluso durante
una ráfaga de viento. El funcionamiento apropiado del sistema de
control de paso de una pala es esencial para el funcionamiento
seguro de una turbina eólica. Por lo tanto, un deseo es asegurar un
control constante y fiable.
Este objeto se consigue mediante un sistema de
paso de pala para una turbina eólica que incluye al menos un
impulsor de paso de pala para cambiar el ángulo de paso de la pala
del rotor; al menos dos módulos de control de potencia para
controlar el impulsor de paso de pala para ajustar dicho ángulo de
paso de la pala del rotor; y al menos una unidad conmutadora para
conectar el impulsor de paso de pala con cada uno de los dos módulos
de control de potencia.
En el caso de un funcionamiento erróneo o fallo
de un módulo de control de potencia, el impulsor de paso de pala
puede desconectarse de este módulo de control de potencia y
conectarse a otro módulo de control de potencia. Para excluir
cualquier interferencia, el impulsor de paso de pala se conecta a
cualquiera de los al menos dos módulos de control de potencia al
mismo tiempo. Por lo tanto, dicha unidad conmutadora permite una
conexión alternativa entre dicho impulsor de paso de pala y cada
uno de dichos dos módulos de control de potencia.
El sistema de paso de pala de la invención puede
usarse para turbinas eólicas controladas por pérdida de sustentación
activa así como para turbinas eólicas controladas por paso de pala.
Las turbinas eólicas controladas por pérdida de sustentación activa
aumentan el ángulo de ataque de la corriente de aire resultante
sobre las palas del rotor para conseguir un estado aerodinámico de
pérdida de sustentación. Esto hace disminuir la propulsión
aerodinámica sobre las palas del rotor y por lo tanto hace disminuir
la potencia que sale de la turbina eólica. Por otro lado, una
turbina eólica controlada por paso de pala reduce la captura de
potencia reduciendo el ángulo de ataque de la pala del rotor de la
corriente de aire resultante sobre las palas. Esto reduce también
la propulsión aerodinámica, pero sin crear un estado de pérdida de
sustentación. Sin embargo, ambos procedimientos de control
requieren un control del ángulo de ataque, que puede conseguirse
girando las palas del rotor o partes de las mismas alrededor de su
eje longitudinal.
La invención proporciona un sistema de paso de
pala fiable para una pala que permite una reacción instantánea a
cualquier funcionamiento erróneo de los módulos de control de
potencia. En caso de funcionamiento erróneo de un módulo de control
de potencia el sistema de paso de pala de la invención permite
diferentes modos principales de funcionamiento.
En un primer modo operativo, se proporciona una
conexión entre el impulsor de paso de pala cuyo módulo de control
de potencia está fallando y un módulo de control de potencia de
reserva mediante la unidad conmutadora. Este modo permite un
funcionamiento normal en curso de la turbina eólica sin una parada.
El módulo de control de potencia que funciona erróneamente puede
repararse en la siguiente sesión de mantenimiento. Para funcionar
de este modo, se necesita un módulo de control de potencia de
reserva u opcional.
En contraste con esto, si el sistema de control
de paso no incluye un módulo de control de potencia de reserva o si
el módulo de control de potencia de reserva ya está en uso, la
turbina eólica puede apagarse de forma segura haciendo funcionar el
sistema de control de paso en un segundo modo. En caso de
funcionamiento erróneo de un módulo de control de potencia, las
otras palas del rotor de la turbina eólica, cuyos módulos de control
de potencia aún funcionan, se llevan a una posición de
estacionamiento. Dentro del alcance de la invención, una posición
de estacionamiento de una pala del rotor se define como una posición
en la que la pala del rotor ya no captura más energía de la
corriente de aire o en la que la captura de energía se reduce
drásticamente. Las palas del rotor se pondrán en una posición de
estacionamiento independientemente de si la turbina está controlada
por pérdida de sustentación activa o por paso de pala.
En una etapa anterior, la pala del rotor cuyo
módulo de control de potencia está funcionando erróneamente se
lleva también a una posición de estacionamiento. Para este fin, el
módulo de control de potencia que funciona erróneamente se
sustituye por uno de los módulos de control de potencia intactos
cambiando entre estos dos módulos de control de potencia.
Funcionando de este modo, el ángulo de paso de cada pala del rotor
puede ajustarse sucesivamente a una posición de estacionamiento
para apagar la turbina eólica. Incluso si sólo un módulo de control
de potencia está operativo todavía y todos los demás están
averiados, aún es posible una parada de emergencia. Aunque este
modo de funcionamiento no permite un funcionamiento continuo de la
turbina eólica, pueden evitarse averías de la turbina eólica
mediante un apagado fiable, rápido y seguro.
Los modos operativos mencionados anteriormente
pueden describirse de manera más general como un procedimiento para
hacer funcionar una turbina eólica, la turbina eólica incluye al
menos un impulsor de paso de pala para cambiar un ángulo de paso de
la pala del rotor, al menos dos módulos de control de potencia para
controlar el impulsor de paso de pala para ajustar el ángulo de
paso de la pala del rotor, y al menos una unidad conmutadora para
conectar alternativamente el impulsor de paso de pala con cada uno
de los dos módulos de control de potencia, incluyendo el
procedimiento las etapas de:
a) controlar el módulo de control de potencia
que está conectado actualmente con el impulsor de paso de pala para
detectar un funcionamiento erróneo del módulo de control de
potencia,
b) si se detecta un funcionamiento erróneo
entonces desconectar el módulo de control de potencia que funciona
erróneamente del impulsor de paso de pala y conectar el impulsor de
paso de pala con los otros dos módulos de control de potencia
mediante la unidad conmutadora.
Además, el modo de parada de emergencia puede
describirse como un procedimiento para la parada de emergencia para
una turbina eólica, la turbina eólica incluye al menos dos palas de
rotor, al menos dos impulsores de paso de pala para cambiar
independientemente el ángulo de paso de las dos palas de rotor, al
menos dos módulos de control de potencia para controlar los dos
impulsores de paso de pala para ajustar los ángulos de paso, y al
menos una unidad conmutadora para conectar alternativamente
cualquiera de los dos módulos de control de potencia con cualquiera
de los dos impulsores de paso de pala, incluyendo el procedimiento
las etapas de:
a) controlar los dos módulos de control de
potencia para detectar un funcionamiento erróneo de los dos módulos
de control de potencia,
b) si se detecta un funcionamiento erróneo de
uno de los dos módulos de control de potencia entonces
- b1)
- ajustar el ángulo de paso de esta pala del rotor que tiene un módulo de control de potencia en funcionamiento a una posición de estacionamiento,
- b2)
- conectar el módulo de control de potencia en funcionamiento con este impulsor de paso de pala cuyo módulo de control de potencia está funcionando erróneamente mediante la unidad conmutadora, y
- b3)
- ajustar el ángulo de paso de la otra pala del rotor a una posición de estacionamiento.
En otro aspecto más de la invención, el sistema
de paso de pala incluye n impulsores de paso de pala y al
menos n módulos de control de potencia, donde n es un
número natural mayor de 1, y los n módulos de control de
potencia están conectados con los n impulsores de paso de
pala mediante la unidad conmutadora. Típicamente, n es igual
al número de palas del rotor de la turbina eólica. De nuevo, la
unidad conmutadora proporciona una conexión entre cualquiera de los
n módulos de control de potencia y cualquiera de los
n impulsores de paso de pala. En una realización particular,
el sistema de paso de pala incluye además de los n módulos
de control de potencia al menos otro módulo de control de potencia,
y la unidad conmutadora permite una conexión del módulo de control
de potencia adicional con cada uno de los n impulsores de
paso de pala. El módulo de control de potencia adicional es
típicamente el módulo de control de potencia de reserva u
opcional.
Para controlar la unidad conmutadora y controlar
los módulos de control de potencia el sistema de control de paso de
una pala puede incluir una unidad de gestión.
Una descripción completa y habilitante de la
presente invención, que incluye el mejor modo de la misma, para un
especialista habitual en la técnica, se muestra más particularmente
en el resto de la memoria descriptiva, que incluye referencia a las
figuras adjuntas en las que:
Las Figuras 1 y 2 muestran realizaciones que
incluyen impulsores de paso de pala con un motor CA trifásico;
Las Figuras 3 y 4 muestran realizaciones que
incluyen impulsores de paso de pala con un motor CC; y
La Figura 5 muestra el despliegue de una turbina
eólica.
Ahora se hará referencia en detalle a las
diversas realizaciones de la invención, ilustrándose en los dibujos
uno o más ejemplos de la misma. En las Figuras y en la descripción
que las sigue, los números de referencia similares se refieren a
elementos similares. Cada ejemplo se proporciona a modo de
explicación de la invención, y no significa una limitación de la
invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas
como parte de una realización pueden usarse en o junto con otras
realizaciones para producir otra realización adicional. Se pretende
que la presente invención incluya dichas modificaciones y
variaciones. Para describir la invención con más detalle, se hace
referencia principalmente al procedimiento de control del paso de
pala debido al hecho de que la mayor parte de las turbinas eólicas
actuales funcionan usando este procedimiento. Sin embargo, el
sistema de paso de pala de la invención puede usarse también para
regulación por pérdida de sustentación activa.
La Figura 1 muestra un sistema de paso de pala
para una turbina eólica de tres palas del rotor. Sin embargo, el
sistema puede modificarse a cualquier número de palas del rotor.
Cada pala del rotor está equipada con un impulsor de paso de pala
20, 21, 22 diferente. Típicamente, un impulsor de paso de pala
incluye un motor eléctrico acoplado con un engranaje de piñón de
transmisión mediante un reductor de marchas. El reductor de marchas
aumenta el par motor proporcionado por el motor eléctrico y reduce
la velocidad rotacional. El engranaje de piñón de transmisión se
engrana con un engranaje principal que se une rígidamente a la pala
del rotor. En esta realización particular, los motores CA
trifásicos 40, 41, 42 se usan como motores eléctricos para cada
impulsor de paso de pala. Sin embargo, el concepto de la invención
no se restringe a motores CA trifásicos o a cualquier tipo
específico de sistema de engranajes sino que puede extenderse a
cualquier transmisión eléctrica que pueda usarse como impulsor de
paso de pala o a cualquier otro sistema de engranajes que pueda
usarse.
Para accionar los motores eléctricos, se asignan
módulos de control de potencia 60, 61, 62 a cada uno de los motores
eléctricos 40, 41, 42. Estos tres módulos de control de potencia
controlan los motores eléctricos 40, 41, 42 y, por lo tanto, los
impulsores de paso de pala 20, 21, 22.
Si dicho sistema o incluso sólo un impulsor de
paso de pala o módulo de control de potencia falla, el rotor puede
capturar demasiada energía de la corriente de aire y, por lo tanto,
girar incontroladamente, lo que puede poner en peligro la
estabilidad de toda la turbina eólica. En particular, los módulos de
control de potencia están sometidos a fallo por ejemplo por una
huelga relámpago. Si un módulo de control de potencia de una pala
del rotor funciona erróneamente, ya no es posible nunca más un
ajuste en curso del ángulo de paso de esta pala del rotor y esto
dará como resultado un ángulo de paso fijo. Como la captura de
potencia depende del ángulo de paso, cada pala del rotor
experimenta una fuerza diferente. En el peor de los casos, la pala
del rotor descontrolada se sobrecarga y desestabiliza toda la
turbina eólica.
Por lo tanto, para mejorar la fiabilidad
añadiendo redundancia, el impulsor de paso de pala puede incluir un
módulo de control de potencia de reserva u opcional 6' para el caso
de un funcionamiento erróneo de cualquiera de los módulos de
control de potencia que funcionan actualmente. La conexión eléctrica
entre los tres módulos de control de potencia 60, 61, 62 y los
motores eléctricos 40, 41, 42 de los impulsores de paso de pala se
proporciona mediante una unidad conmutadora 10. En esta realización
particular es posible cualquier conexión alternativa entre los
módulos de control de potencia 60, 61, 62 incluyendo el módulo de
control de potencia de reserva 6' y los impulsores de paso de pala
20, 21, 22. Para eliminar la posibilidad de interferencia entre los
módulos de control de potencia, sólo puede establecerse una conexión
entre un impulsor de paso de pala y un módulo de control de
potencia a la vez. Para ello, la unidad conmutadora 10 incluye
interruptores de cambio 50a, 50b, 50c, 51a, 51b, 51c, 52a, 52b, 52c
para cada impulsor de paso de pala. Cada uno de los interruptores
de cambio tiene dos entradas y sólo una salida y puede proporcionar
sólo una conexión alternativa entre sus dos entradas y su salida.
Las entradas de los interruptores de cambio 50b, 50c, 51b, 51c, 52b,
52c están conectadas con los tres módulos de control de potencia
60, 61, 62, y el módulo de control de potencia de reserva 6',
respectivamente, mientras que las salidas de estos interruptores de
cambio están conectadas con las entradas de los interruptores de
cambio 51 a, 51 a, 52a.
Únicamente para simplificar, la conexión entre
los módulos de control de potencia y los impulsores de paso de pala
se indican como una única línea. Sin embargo, se sabe que los
motores CA trifásicos necesitan 3 fases diferentes que están
indicadas en las Figuras mediante tres diagonales oblicuas sobre las
líneas de conexión. En consecuencia, cada interruptor de cambio
incluye tres interruptores diferentes para cada fase.
Para controlar los motores CA de los impulsores
de paso de pala cada módulo de control de potencia incluye
conversores de frecuencia 70, 71, 72, 7' para convertir una
corriente CC en una corriente CA. Los módulos de control de
potencia pueden incluir micro controladores 80, 81, 82, 8' (como se
muestra por ejemplo en la Figura 3) así como controlar los
conversores de frecuencia. Usando los conversores de frecuencia,
puede controlarse la velocidad rotacional y la dirección de la
rotación de los motores CA para ajustar el ángulo de paso de las
palas del rotor.
La corriente CC está proporcionada por el
rectificador 12 que rectifica la corriente CA obtenida de una red
de energía. El número de referencia 14 se refiere a anillos
colectores que establecen la conexión eléctrica entre el rotor y la
góndola de la turbina eólica. Más detalles del despliegue principal
de una turbina eólica se describen junto con la Figura 5 a
continuación. En este punto, debe observarse que el sistema de paso
de pala se aloja típicamente dentro del eje del rotor
giratorio.
El sistema de paso de pala puede incluir un
rectificador opcional o de reserva 12' si el rectificador 12 falla.
En este caso, una unidad conmutadora 16 opcional proporciona la
conexión entre cualquiera de los dos rectificadores y los módulos
de control de potencia. Una unidad central de gestión 18 para hacer
funcionar el sistema de paso de pala controla las unidades
conmutadoras 10, 16 y supervisa los módulos de control de potencia.
Para hacer funcionar la turbina eólica, por ejemplo en el caso de
perder la conexión con la compañía eléctrica o con la red de
energía, un suministro local de CC está conectado a los módulos de
control de potencia. El suministro local de CC puede incluir
acumuladores y/o capacitores, en particular capacitores de doble
capa.
El funcionamiento del sistema de paso de pala de
la invención se describe junto con la Figura 1. Se supone que los
módulos de control de potencia 70, 71, 72 están funcionando
apropiadamente y que cada módulo de control de potencia está
conectado a un impulsor de paso de pala mediante la unidad
conmutadora. Para simplificar, el módulo de control de potencia 70
se conectará al impulsor de paso de pala 20, el módulo de control de
potencia 71 al impulsor de paso de pala 21, y el módulo de control
de potencia 72 al impulsor de paso de pala 22, respectivamente. Los
módulos de control de potencia son supervisados por la unidad de
gestión 18 para detectar cualquier funcionamiento erróneo. Si uno
de los tres módulos de control de potencia en funcionamiento falla,
por ejemplo por una huelga relámpago, la unidad de gestión decide
cómo manejar este suceso. Como el ángulo de paso de las palas del
rotor debe ser ajustable en todo momento por razones de seguridad,
la turbina eólica debe apagarse o el módulo de control de potencia
que funciona erróneamente debe sustituirse por un módulo de control
de potencia totalmente funcional.
En el caso de que el módulo de control de
potencia falle o funcione erróneamente de cualquier manera, se
desconecta de su impulsor de paso de pala asignado y este impulsor
de paso de pala se conectará al módulo de control de potencia de
reserva 6' mediante la unidad conmutadora 10. Para este modo
operativo, que proporciona la mejor flexibilidad, el sistema de
paso de pala incluye un módulo de control de potencia de reserva. La
sustitución del módulo de control de potencia averiado por el
módulo de control de potencia de reserva 6' permite que continúe el
funcionamiento de la turbina eólica. No se requiere una parada de
emergencia. Esto permite una reducción del coste de propiedad y
reduce el tiempo improductivo. El módulo de control de potencia
averiado puede repararse en la siguiente visita de mantenimiento o
servicio. Para indicar la necesidad de mantenimiento, la unidad de
gestión 18 puede transmitir un informe a una unidad de servicio
externa.
En el caso de que el módulo de control de
potencia de reserva no esté presente o ya se esté usando, aún sigue
siendo posible un apagado seguro de la turbina eólica. Cuando el
funcionamiento erróneo del módulo de control de potencia 60 es
detectado por la unidad de gestión 18, los otros módulos de control
de potencia 61, 62 en funcionamiento están controlados por la
unidad de gestión 18 para ajustar el ángulo de paso de sus
impulsores de paso de pala 21, 22 asignados a una posición de
estacionamiento (en bandolera). En una posición en bandolera, se
hace girar al borde conductor de una pala del rotor hacia la
dirección del viento. En una etapa posterior, uno de los módulos de
control de potencia en funcionamiento, por ejemplo el módulo de
control de potencia 62, está conectado mediante la unidad
conmutadora 10 al impulsor de paso de pala 40 y el módulo de control
de potencia averiado 60. Después de conectar el impulsor de paso de
pala 40 al módulo de control de potencia 62 la última pala del
rotor se lleva también a una posición de estacionamiento. Este modo
operativo permite un apagado rápido y seguro de la turbina eólica
si ya no están disponibles suficientes módulos de control de
potencia en funcionamiento. Incluso en un caso muy improbable de que
sólo un módulo de control de potencia sea aún totalmente funcional,
aún es posible un apagado seguro y fiable. Para ello, el último
módulo de control de potencia totalmente funcional se conecta
sucesivamente mediante la unidad conmutadora 10 con cada impulsor
de paso de pala para llevar a todas las palas del rotor a una
posición de estacionamiento sucesivamente.
Puede implementarse aún otro modo operativo más
en sistemas en los que el número de impulsores de paso de pala y el
de módulos de control de potencia es el mismo. Cada impulsor de paso
de pala está conectado a al menos un módulo de control de potencia
adicional que, en el modo de funcionamiento normal, ya controla otro
impulsor de paso de pala. De esta manera, un módulo de control de
potencia controla dos impulsores de paso de pala al mismo tiempo y
está conectado, por lo tanto, con dos impulsores de paso de pala
mediante la unidad conmutadora 10. El impulsor de paso de pala cuyo
módulo de control de potencia asignado principalmente falla está
conectado al módulo de control de potencia adicional operativo de
otro impulsor de paso de pala. Como los módulos de control de
potencia controlan la potencia eléctrica consumida por el sistema de
paso de palas, es ventajoso para este modo operativo que los
módulos de control de potencia se dimensionen adecuadamente para
evitar la sobrecarga si dos impulsores de paso de pala se asignan a
un módulo de control de potencia.
Una realización alternativa que incluye motores
CA trifásicos se muestra en la Figura 2. El despliegue principal se
parece a la de la Figura 1 con la excepción de que la unidad
conmutadora 10 permite una conexión alternativa entre un impulsor
de paso de pala y cualquiera de los módulos de control de potencia
asignados o el módulo de control de potencia de reserva. El módulo
de control de potencia de reserva 6' aquí es obligatorio. Si un
módulo de control de potencia falla se sustituirá por el módulo de
control de potencia de reserva 6' cambiando entre el módulo de
control de potencia averiado y el de reserva permitiendo de esta
manera una operación en curso de la turbina eólica. Además de esto,
la unidad de gestión puede transmitir un mensaje a una unidad de
servicio externa para informar del funcionamiento erróneo del módulo
de control de potencia.
Se describe otra realización junto con la Figura
3 que muestra un sistema de paso de pala que incluye impulsores de
paso de pala con motores CC. Como el control de los motores CC
difiere del de los motores CA, los módulos de control de potencia
correspondientes están equipados con controladores de tiristor 80,
81, 82, 8', respectivamente. La característica básica de un
controlador de tiristor es su capacidad de cambiar entre un estado
CONECTADO de baja impedancia y un estado DESCONECTADO de alta
impedancia. Esta característica permite un control fácil de la
potencia CC aplicada a los motores CC. Opcionalmente, pueden usarse
los controladores IGBT o Power MOSFET en lugar de los controladores
de tiristor para controlar los motores CC. Como la instalación o red
de energía típicamente proporciona una tensión CA trifásica, los
módulos de control de potencia incluyen rectificadores para
convertir la tensión CA en CC. Únicamente para simplificar, la
conexión entre los módulos de control de potencia y los impulsores
de paso de pala están indicados como una única línea. Sin embargo,
se sabe que los motores CC necesitan 2 fases diferentes que están
indicadas mediante dos diagonales oblicuas sobre las líneas de
conexión. En consecuencia, cada interruptor de cambio incluye dos
interruptores diferentes para cada fase. Los otros componentes son
fundamentalmente iguales a los del despliegue ya descrita junto con
la Figura 1.
Debido al despliegue similar, el sistema de paso
de pala de la Figura 3 permite los mismos modos operativos que el
sistema de paso de pala de la Figura 1. En el caso de un
funcionamiento erróneo de uno de los controladores de tiristor 80,
81, 82, el controlador de tiristor de reserva 8' está conectado
mediante la unidad conmutadora 10 al impulsor de paso de pala cuyo
módulo de control de potencia está fallando. Como alternativa, es
posible una parada de emergencia como ya se ha descrito junto con
la Figura 1 si no se proporciona un módulo de control de potencia
de reserva de acuerdo con la presente invención.
La realización de la Figura 4 es el equivalente
a la realización de la Figura 2 para motores CC. De nuevo, se
proporcionan los mismos modos operativos que los descritos al
observar la Figura 2 de acuerdo con la presente invención.
La Figura 5 muestra una turbina eólica típica de
transmisión con rotor de tres palas, que puede utilizar el sistema
de paso de pala de la invención de acuerdo con la presente
invención. Sin embargo, el sistema de paso de pala puede integrarse
a cualquier turbina eólica con ángulo de paso controlado
activamente. La turbina eólica incluye una góndola 102 montada
sobre una torre 100 soportada por unos cimientos 128. La góndola 102
aloja un tren de transmisión para transmitir la rotación de un
rotor 106 a un árbol de transmisión 118 de un generador 114. El
tren de transmisión incluye un árbol del rotor 104 que conecta el
rotor 106 a una caja de cambios 112 para aumentar la rotación del
árbol de transmisión 118 del generador 114. El árbol de transmisión
118 a menudo se denomina árbol de alta velocidad y el árbol del
rotor 104 se conoce como el árbol de baja velocidad. El árbol del
rotor 104 está conectado al eje del rotor 108, que generalmente
soporta tres palas del rotor 110. La caja de cambios puede omitirse
opcionalmente uniendo directamente el rotor 106 al generador 114.
Esta configuración se conoce como un generador de transmisión
directa. El generador 114 suministra la energía eléctrica generada
a la red de energía a través de cables de energía eléctrica 124 con
una conexión de red 126 que usa dispositivos de potencia eléctrica
tales como un conversor y/o transformador de frecuencia. También es
posible que la energía eléctrica sea consumida directamente por los
consumidores sin ser suministrada a una red de energía pública.
Cuando una corriente de aire 116 entrante hace
girar el rotor 106, la energía cinética del viento se convierte en
energía rotacional del rotor 106 y es transmitida por el tren de
transmisión al generador, que finalmente convierte la energía
rotacional en energía eléctrica.
La eficacia de una turbina eólica depende de
muchos parámetros que incluyen la orientación de la góndola, o más
específicamente la localización del plano del rotor con respecto a
la dirección de la corriente de aire. Esto se controla típicamente
mediante una transmisión de guiñada 122 o una transmisión azimutal,
que orienta la góndola hacia el viento. En las turbinas eólicas
modernas los componentes eléctricos y mecánicos forman una
transmisión de guiñada. Más específicamente, un motor de transmisión
de alta velocidad eléctrico se acopla mediante un reductor de
marchas que tiene un engranaje de piñón de transmisión que engrana
un engranaje principal. Habitualmente el motor de transmisión
eléctrica, el reductor de marchas, y el engranaje de piñón de
transmisión se montan sobre la placa base 120 de la góndola
mientras que el engranaje principal se fija a la torre 100. Para
controlar la transmisión de guiñada se usa un detector de medida del
viento, que puede medir la dirección del viento.
Una configuración similar se aplica a un
impulsor de paso de pala 107 para ajustar el ángulo de paso de cada
una de las palas del rotor 106. Esto afecta también drásticamente a
la eficacia de la turbina eólica.
Para la turbina eólica de tres palas del rotor
como se ha descrito, el sistema de paso de pala incluye tres
impulsores de paso de pala y tres módulos de control de potencia y
puede incluir uno o más módulos de control de potencia opcionales o
de reserva. Típicamente, los módulos de control de potencia se
disponen dentro del eje cerca de los impulsores de paso de pala.
Como una conexión eléctrica 'normal' entre la góndola 102 y el
rotor 106 con cables de energía eléctrica no es posible debido a la
rotación del rotor 106, se usan anillos colectores 14. Típicamente,
se alinean axialmente respecto al árbol de transmisión 104.
Habiendo descrito así la invención en detalle,
debe resultar evidente que pueden realizarse diversas modificaciones
en la presente invención sin alejarse del alcance de las siguientes
reivindicaciones.
- 10
- unidad conmutadora
- 12, 12'
- rectificadores
- 14
- anillos colectores
- 16
- unidad conmutadora opcional
- 18
- unidad de gestión
- 20, 21, 22
- impulsores de paso de pala
- 40, 41, 42
- motores CA trifásicos
- 50a, 50b, 50c, 51a, 51b,
- interruptores de cambio
51c, 52a, 52b, 52c
- 60, 61, 62, 6'
- módulos de control de potencia
- 70, 71, 72, 7'
- conversores de frecuencia
- 80, 81, 82, 8'
- micro controladores
- 90, 91, 92, 9'
- controladores de tiristor
- 100
- torre
- 102
- góndola
- 104
- árbol del rotor
- 106
- rotor
- 107
- impulsor de paso
- 108
- eje
- 110
- palas del rotor
- 112
- caja de cambios
- 114
- generador
- 116
- corriente de aire
- 118
- árbol de transmisión del generador
- 120
- placa base de la góndola 102
- 122
- transmisión de guiñada
- 124
- cables de energía eléctrica
- 126
- conexión de red
- 128
- cimientos
Claims (10)
1. Sistema de paso de pala para una turbina
eólica que comprende
al menos un impulsor de paso de pala (20, 21,
22) para cambiar un ángulo de paso de la pala del rotor,
al menos dos módulos de control de potencia (60,
61, 62, 6') para controlar dicho impulsor de paso de pala (20, 21,
22) para ajustar dicho ángulo de paso de la pala del rotor, y
al menos una unidad conmutadora (10) para
conectar dicho impulsor de paso de pala (20, 21, 22) con cada uno
de dichos dos módulos de control de potencia (60, 61, 62, 6').
2. Sistema de paso de pala de acuerdo con la
reivindicación 1,
caracterizado porque
dicha unidad conmutadora (10) permite una
conexión alternativa entre dicho impulsor de paso de pala (20, 21,
22) y cada uno de dichos dos módulos de control de potencia (60, 61,
62, 6').
3. Sistema de paso de pala de acuerdo con la
reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque
dicho sistema de paso de pala comprende n
impulsores de paso de pala (20, 21, 22) y al menos n módulos
de control de potencia (60, 61, 62, 6'), donde n es un número
natural mayor de 1, y
dichos n módulos de control de potencia
(60, 61, 62, 6') están conectadas con dichos n impulsores de
paso de pala (20, 21, 22) mediante dicha unidad conmutadora
(10).
4. Sistema de paso de pala de acuerdo con la
reivindicación 3,
caracterizado porque
dicha unidad conmutadora (10) permite una
conexión de cualquiera de dichos n módulos de control de
potencia (60, 61, 62, 6') con cualquiera de dichos n
impulsores de paso de pala (20, 21, 22).
5. Sistema de paso de pala de acuerdo con la
reivindicación 3 o 4,
caracterizado porque
dicho sistema de paso de pala comprende además
de dichos n módulos de control de potencia al menos otro
módulo de control de potencia (6'), y
dicha unidad conmutadora permite una conexión de
dicho módulo de control de potencia (6') adicional con cada uno de
dichos n impulsores de paso de pala (20, 21, 22).
6. Sistema de paso de pala de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
dicho sistema de paso de pala comprende al menos
dos rectificadores (12, 12') y una unidad conmutadora (16) opcional
para conectar dichos rectificadores (12, 12') con dichos módulos de
control de potencia (60, 61, 62, 6').
7. Sistema de paso de pala de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque
dicho sistema de paso de pala comprende
adicionalmente una unidad de gestión (18) para controlar dicha
unidad conmutadora y/o dicha unidad conmutadora opcional.
8. Procedimiento para hacer funcionar una
turbina eólica, comprendiendo dicha turbina eólica
al menos un impulsor de paso de pala (20, 21,
22) para cambiar un ángulo de paso de la pala del rotor,
al menos dos módulos de control de potencia (60,
61, 62, 6') para controlar dicho impulsor de paso de pala (20, 21,
22) para ajustar dicho ángulo de paso de la pala del rotor, y
al menos una unidad conmutadora (10) para
conectar alternativamente dicho impulsor de paso de pala (20, 21,
22) con cada uno de dichos dos módulos de control de potencia (60,
61, 62, 6'),
comprendiendo el procedimiento las etapas
de:
a) controlar el módulo de control de potencia
que está conectado actualmente con dicho impulsor de paso de pala
para detectar un funcionamiento erróneo de dicho módulo de control
de potencia,
b) si se detecta un funcionamiento erróneo
entonces desconectar dicho módulo de control de potencia que
funciona erróneamente de dicho impulsor de paso de pala y conectar
dicho impulsor de paso de pala con el otro de dichos dos módulos de
control de potencia mediante dicha unidad conmutadora.
9. Procedimiento de parada de emergencia para
una turbina eólica, comprendiendo dicha turbina eólica al menos dos
palas de rotor,
al menos dos impulsores de paso de pala (20, 21,
22) para cambiar independientemente el ángulo de paso de dichas dos
palas de rotor,
al menos dos módulos de control de potencia (60,
61, 62, 6') para controlar dichos dos impulsores de paso de pala
(20, 21, 22) para ajustar dichos ángulos de paso, y
al menos una unidad conmutadora (10) para
conectar alternativamente cualquiera de dichos dos módulos de
control de potencia (60, 61, 62, 6') con cualquiera de dichos dos
impulsores de paso de pala (20, 21, 22),
comprendiendo el procedimiento las etapas
de:
a) controlar dichos dos módulos de control de
potencia para detectar un funcionamiento erróneo de dichos dos
módulos de control de potencia,
b) si se detecta un funcionamiento erróneo de
uno de dichos dos módulos de control de potencia entonces
- b1)
- ajustar el ángulo de paso de la pala del rotor que tiene un módulo de control de potencia en funcionamiento a una posición de estacionamiento,
- b2)
- conectar el módulo de control de potencia en funcionamiento con el impulsor de paso de pala cuyo módulo de control de potencia está funcionando erróneamente mediante dicha unidad conmutadora, y
- b3)
- ajustar el ángulo de paso de la otra pala del rotor a una posición de estacionamiento.
10. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 8 o 9,
caracterizado porque
dicha turbina eólica comprende adicionalmente
una unidad de gestión (18) para controlar dicha unidad conmutadora
(10) y para controlar dichos módulos de control de potencia (60, 61,
62, 6').
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