ES2308911B1 - Sistema de cambio de paso variable accionado electricamente. - Google Patents
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Abstract
Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente por un motor que mueve al menos una pala. El actuador
eléctrico está integrado en el propio buje y su unión se realiza a
través de unas muñequillas que permiten su giro. El interface con
la pala (10) consiste en un mecanismo tipo
biela-manivela formado por una horquilla (4) unida
por un lado al husillo (5) mediante una unión roscada (6), y por el
otro a un bulón (7) conectado sólidamente a su vez con el anillo
interior (8) del rodamiento de pala, a través de unos platos (9) de
pala. Sensores de posición en el interior de los husillos (5) crean
lazos de control para determinar posición, velocidad y aceleración
de las palas. El convertidor (12) está alimentado por la red (17) y
por baterías/condensadores (13) de alta capacidad.
Description
Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente.
La presente invención se refiere, como su propio
título indica, a un sistema de cambio de paso o sistema de pitch
que está accionado eléctricamente mediante un husillo de bolas o de
rodillos.
Es de especial aplicación para los
aerogeneradores de cambio de paso variable.
Existe una tendencia generalizada hacia las
máquinas tripala en las que por razones de seguridad por un lado y
con objeto de mejorar la productividad mediante técnicas de control
por otro, se utilizan actuadotes independientes en cada una de las
palas.
El sistema de control por cambio de paso permite
la extracción óptima en un amplio margen de velocidades de viento,
permitiendo además contar con un sistema de seguridad contra altos
vientos. Para ello llevan asociados complejas partes móviles.
En el mecanismo de cambio de paso el elemento
que conecta la pala con el buje debe permitir el giro de esta
alrededor de su eje longitudinal. Debido a que los ángulos y la
velocidad de giro de la pala son reducidos, los sistemas de soporte
son habitualmente rodamientos de bolas "ball bearing" que
están sometidos a fuertes cargas por momentos de flexión.
El accionamiento del sistema de giro consta de
un actuador, eléctrico o hidráulico, que transmite el movimiento de
giro a la pala a través de un elemento adicional como ruedas
dentadas, actuadores lineales, etc.
El estado de la técnica existente para mover una
corona está basado en el uso de un engranaje del tipo piñón y
cremallera (Enercon y G.E.) o del tipo
biela-manivela (Gamesa y Vestas), y pueden existir
otros sistemas como el de correas dentadas (Vensys). La patente WO
00/09885 de Neg Micon presenta un método para ajustar el pitch y
consecuentemente para ajustar la rotación de las palas, mediante el
funcionamiento de un engranaje piñón y cremallera capaz de rotar la
pala en su eje longitudinal.
Por su parte la patente EP 1126163 de Turbowinds
presenta un sistema de pitch que consta de un eje central para el
cambio de pitch que desliza por unas guías y dispone en sus
extremos de dispositivos de alineación. Todo el sistema está
accionado por un sistema hidráulico como los habitualmente
utilizados en los aerogeneradores actuales.
La patente EP 1306558 de Snecma muestra otro
sistema de pitch que está regulado por un sistema combinado
eléctrico e hidráulico. La sincronización está comandada por un
pistón hidráulico, siendo el motor eléctrico el que comanda el
cilindro de alta presión del pistón.
Y por último, la patente US 2005685694 de
Sundstrand muestra un sistema de pitch especialmente diseñado para
aeronaves, que incorpora un mecanismo de protección de
sobrevelocidad independiente del sistema de pitch y que utiliza un
actuador lineal accionado por un motor eléctrico.
Con objeto se subsanar las carencias existentes
relativas a un sistema de cambio de paso variable accionado
mediante un actuador lineal controlado mediante husillos que puede
actuar sobre una o varias palas independientemente y que está
accionado eléctricamente, se ha desarrollado la presente
invención.
Los sistemas de cambio de paso que se montan
actualmente en los aerogeneradores con control de potencia mediante
la variación del ángulo de pitch de las palas están basados en uno
de los siguientes mecanismos de actuación:
\bullet Mecanismo tipo engranaje
piñón-corona formado por uno o varios piñones por
pala con accionamiento eléctrico.
\bullet Mecanismo tipo
biela-manivela formado por uno o varios cilindros
actuados hidráulicamente.
\bullet Correa dentada.
Además de los mecanismos de actuación
mencionados, se plantea la posibilidad de utilizar actuadotes
lineales tipo husillo (de bolas o de rodillos según necesidades de
capacidad de carga y precisión de posicionamiento) controlados
eléctricamente, lo cual supone las siguientes ventajas con respecto
a los sistemas anteriores:
- Mayor precisión de posicionamiento de las
palas.
- Mayor rapidez de actuación sobre el ángulo de
pitch.
- Mayor simplicidad constructiva frente a la
opción hidráulica (eliminación del Grupo hidráulico, junta rotativa
hidráulica, filtros, racorería, mangueras...), lo cual contribuye a
reducir sustancialmente las operaciones de mantenimiento en el
sistema de cambio de paso.
- Mayor limpieza frente a la opción hidráulica
(pequeñas fugas en racores y mangueras o durante operaciones de
mantenimiento...).
- Menor impacto ambiental frente a la opción
hidráulica (se evita el consumo de cientos de litros de aceite en
cada aerogenerador a lo largo de su vida).
- Mayor compacidad del sistema, ya que todo el
accionamiento eléctrico se encuentra en el buje.
- Menor variabilidad de las condiciones de
actuación frente a un sistema hidráulico (Influencia importante de
la temperatura en la viscosidad del aceite...).
- Mayor control de la posición de las palas
durante las maniobras de parada de emergencia (control continuo
durante toda la emergencia) gracias a las baterías de
condensadores; lo cual implica una reducción de cargas sustancial en
los diversos componentes del aerogenerador.
Otra ventaja importante de los actuadotes tipo
husillo es que son muy similares físicamente a los usados en
sistemas hidráulicos. Dicha similitud hace posible que los
interfaces del husillo (en caso de utilizar uno por máquina) o de
los husillos (en caso de utilizar uno por pala) con el
aerogenerador puedan ser idénticos a los utilizados por los
actuadores hidráulicos ya existentes; lo cual implica una total
intercambiabilidad entre ambos sistemas. Esto permitiría a los
fabricantes de aerogeneradores que basan su sistema de pitch en la
hidráulica realizar un cambio a un sistema de pitch eléctrico sin
tener que realizar modificaciones importantes en el diseño de
componentes como pueden ser el buje o el rodamiento de pala;
reduciendo al mínimo el impacto económico del cambio.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 es una vista general del buje y de
los sistemas de cambio de paso incluidos en dicho buje.
La figura 2 representa una vista seccionada del
interior del buje en la que se pueden apreciar con mayor detalle la
configuración del actuador lineal y su integración con la pala.
La figura 3 muestra un esquema del circuito
eléctrico del sistema de cambio de paso.
\vskip1.000000\baselineskip
Para explicar más en detalle el sistema de
cambio de paso propuesto, se presenta su aplicación concreta en un
aerogenerador de 2MW con control del ángulo de pitch independiente
en cada pala:
Tal y como se muestra en las figuras 1 y 2, los
sistemas de cambio de paso están formados por actuadores eléctricos
(1) y están incluidos en el propio buje (2). Se dispone de un
actuador (1) para cada pala (no mostrada en el dibujo). Esto
proporciona una gran precisión, superior a la alcanzada en sistemas
hidráulicos de cambio de paso.
La unión del actuador (1) al buje (2) se hace a
través de unas muñequillas (3) que permiten su giro en un plano
perpendicular al eje de giro de la pala.
El interface con la pala consiste en un
mecanismo tipo biela-manivela formado por una
horquilla (4) unida por un lado al husillo (5) mediante una unión
roscada (6), y por el otro a un bulón (7) conectado sólidamente a
su vez con el anillo interior (8) del rodamiento de pala (es un
anillo que gira con la pala), a través de unos platos (9) de
pala.
El accionamiento de los husillos se llevará a
cabo mediante motores eléctricos (11) convenientemente
dimensionados según necesidades.
El control de la posición de las palas se
realizará mediante sensores de posición lineales colocados en el
interior de los husillos (5) y controlados en todo momento por un
sistema de control. Diversos lazos de control permitirán controlar
el giro de las palas (10) en posición, velocidad y aceleración.
Las operaciones de emergencia durante las cuales
no se disponga de tensión, estarán cubiertas mediante baterías
eléctricas (13) dimensionadas a tal efecto. Dichas baterías
incluyen condensadores de alta capacidad y son capaces de alimentar
no sólo los motores eléctricos (11), sino también los sensores de
posición y el PLC, de modo que la posición de las palas durante la
emergencia pueda ser controlada en todo momento. Tal y como se
muestra en el esquema del circuito eléctrico de la figura 3.
El motor eléctrico (11) se utiliza para el
movimiento de al menos una de las palas (10). Un convertidor (12)
regula el movimiento del motor (11) permitiéndole desarrollar par y
velocidad suficientes para el movimiento de la pala (10). De igual
forma el convertidor (12) controla frecuencia, voltaje e intensidad
necesarias para el motor (11).
El convertidor (12) está alimentado bien por las
baterías (13) o bien por la red (17). Comandándose el cambio de
alimentación eléctrica desde un interruptor accionado desde el
armario. El motor (11) está equipado con frenos que permiten
mantenerla pala (10) fija en la posición deseada.
En caso de fallo del convertidor (12) el motor
(11) debe cambiar al circuito de emergencia (mostrado en líneas
discontinuas). En la solución de c.c. (15) el motor (11) está
conectado directamente a la batería (13) y en la solución de c.a.
(16) el motor (11) se conecta directamente a la red (17) o al
convertidor (18) del generador (19).
Claims (6)
1. Sistema de cambio de paso de los que actúa
sobre una o varias palas (10) permitiendo que estas giren
independientemente y que está accionado por un motor eléctrico
(11), caracterizado porque el mecanismo de empuje está
integrado en el buje (2) del aerogenerador, el movimiento de al
menos una pala (10) se realiza por el accionamiento de un tandem
biela-manivela, el empuje sobre el plato de la pala
(9) lo ejerce un actuador lineal (1) tipo husillo (5) de bolas o
rodillos y el convertidor (12) del motor está alimentado
eléctricamente bien desde las baterías/condensadores (13) o bien
desde la red (17) indistintamente, comandándose tal acción mediante
un interruptor de control.
2. Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente según reivindicación 1ª, caracterizado porque
el interface con la pala (10) consiste en un mecanismo tipo
biela-manivela formado por una horquilla (4) unida
por un lado al husillo (5) mediante una unión roscada (6), y por el
otro a un bulón (7) conectado sólidamente a su vez con el anillo
interior (8) del rodamiento de pala, a través de unos platos (9) de
pala.
3. Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente según reivindicación 1ª, caracterizado porque
la unión del actuador (1) al buje (2) se hace a través de unas
muñequillas (3) que permiten su giro en un plano perpendicular al
eje de giro de la pala (10).
4. Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente según reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque existen lazos de control para la
posición y velocidad de las palas alimentados por sensores de
posición colocados en el interior de los husillos (5).
5. Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente según reivindicación 1ª, caracterizado porque
en caso de fallo del convertidor (12) el motor (11) cambia al
circuito de emergencia conectándose directamente a la batería (13)
en la solución de c.c. (15) y conectándose directamente a la red
(17) o al convertidor (18) del generador (19) en la solución de
c.a. (16).
6. Sistema de cambio de paso variable accionado
eléctricamente según reivindicación 1ª, caracterizado porque
las baterías/condensadores son de alta capacidad.
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Effective date: 20180912 |