PT1574708E

PT1574708E - Instalação de energia eólica com gerador anular

Info

Publication number: PT1574708E
Application number: PT05102273T
Authority: PT
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2010-11-29
Also published as: DK1419315T3; CN101001028B; JP4272057B2; EP1574708A1; US20060232156A1; US7642667B2; BR0211540A; US7432610B2; DK2194268T3; EP1574708B1; EP2194268A1; AU2006207844A1; DE50204193D1; NO324921B1; NO20040419L; DE50214768D1; NZ530719A; BR0211540B1; US20080315707A1; PL205332B1

Description

DESCRIÇÃO "INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA COM GERADOR ANULAR" A presente invenção refere-se a uma instalação de energia eólica com um gerador que apresenta um estator, em cujo perímetro interior ou exterior estão configuradas ranhuras espaçadas umas das outras, para o alojamento de um enrolamento do estator. Instalações de energia eólica deste género são conhecidas e são fabricadas e comercializadas, por exemplo, pela empresa ENERCON. Além disso, são conhecidas instalações de energia eólica com geradores de imanes permanentes, por exemplo, a partir da publicação "Direct coupled permanent magnet generators for wind turbine applications", E. Spooner, A. C. Williamson, in IEE proceedings, electric power applications, Institution of electrical engineers, GB, vol. 143, n°. 1, Janeiro de 1996, páginas 1 a 8.

Um processo conhecido para o fabrico de enrolamentos de estator em geradores compreende a utilização das chamadas bobinas moldadas. Estas bobinas moldadas, na sua configuração, são enrolamentos simples do enrolamento do estator já adaptados às ranhuras e às distâncias entre ranhuras do estator, os quais são primeiro colocados em separado nas ranhuras e depois ligados entre si.

Porém, as instalações de energia eólica, durante o seu funcionamento, estão sempre sujeitas a grandes cargas. Com o aumento da velocidade do vento, aumenta o rendimento da 1 instalação de energia eólica, mas, ao mesmo tempo, aumenta também a carga mecânica. Dai resulta que o esforço da instalação de energia eólica em termos mecânicos e eléctricos aumenta, no essencial, ao mesmo tempo. Com velocidades do vento elevadas, o esforço mecânico da instalação é elevado e, ao mesmo tempo, é produzida muita energia eléctrica, de modo que o esforço dos componentes eléctricos é também elevado.

Neste caso, é especialmente solicitado o gerador da instalação de energia eólica, que está sujeito a esforços mecânicos e eléctricos. Desta combinação resultam problemas, por exemplo, quando, em consequência da produção de elevadas correntes eléctricas, a temperatura na zona do gerador é igualmente alta e, em consequência do esforço mecânico, as ligações entre componentes individuais são atingidas por vibrações. Se a dilatação térmica causar ainda uma folga mínima ou a um afrouxamento, os esforços mecânicos podem conduzir aqui a um defeito ou até mesmo a uma danificação.

Se esta anomalia afectar o enrolamento do estator ou uma fase do mesmo, pelo menos esta fase falha na produção de energia. Além disso, surge uma carga assimétrica adicional no gerador, uma vez que essa fase, em consequência da interrupção, actua sem carga. Neste caso, nem sequer são considerados danos mecânicos causados por componentes soltos e que se movem livremente, como casquilhos de ligação.

Num estator com um enrolamento hexafásico de um gerador com 72 pólos resultam 432 bobinas moldadas, que estão ligadas entre si através de 864 pontos de ligação. Estes pontos de ligação são geralmente concebidos como uniões aparafusadas, uniões por aperto ou uniões soldadas. 2

Tendo em consideração as probabilidades estatísticas (por pequenas que sejam), resulta do elevado número de pontos de ligação e das permanentes alterações de carga que, mesmo com um fabrico cuidadoso da ligação entre as bobinas moldadas, existe aqui uma fonte de anomalias considerável. Neste caso, as considerações mencionadas têm em conta apenas um estator. 0 aspecto do fabrico em série evidencia a probabilidade efectiva de uma anomalia deste género. 0 objectivo da presente invenção é, por conseguinte, especificar um estator com um enrolamento no qual aqueles problemas acima referidos são pelo menos diminuídos.

Este objectivo é alcançado com uma instalação de energia eólica do género referido no início, através de um enrolamento do estator concebido de forma contínua. Desta maneira são eliminados, em especial, os meios de ligação entre secções individuais de um enrolamento do estator.

Numa forma preferida de realização da invenção, todas as fases do estator apresentam sempre um enrolamento contínuo.

Para poder compensar efeitos de deslocamento de corrente em cada uma das espiras, as espiras são fabricadas a partir de pelo menos dois feixes de fios condutores, sendo que em cada feixe de fios condutores existe uma pluralidade de condutores isolados uns dos outros. Estes feixes de fios condutores são colocados numa sequência pré-determinada em ranhuras do estator e, em distâncias igualmente pré-determinadas, a ordem é alterada, de modo que, alternadamente, cada um dos feixes de fios condutores seja afectado por estes efeitos o mais uniformemente possível. Através desta actuação uniforme de todos os feixes de fios 3 condutores de uma fase, é possível prescindir de medidas de compensação.

Para facilitar o manuseamento do estator durante o fabrico do enrolamento e para criar uma situação ergonómica favorável, o estator é mantido num dispositivo de suporte, no qual as ranhuras ficam a uma altura de trabalho conveniente para o fabrico do enrolamento e que permite uma rotação do estator em direcção periférica, numa dimensão pretendida. Isto pode ser realizado, de modo preferido, com utilização de um accionamento por motor.

Além disso, está previsto pelo menos um dispositivo de suporte para sustentar pelo menos uma bobina com fio de enrolamento. Este dispositivo de suporte permite o manuseamento do fio de enrolamento, por exemplo, sob a forma de feixes de fios condutores, cujo comprimento, de acordo com a invenção, é dimensionado de modo que a fase no estator possa ser enrolada de forma continua. 0 comprimento necessário para esse efeito dos feixes de fios condutores conduz a um peso considerável, que já não pode ser manuseado manualmente.

Cada dois tambores com fio de enrolamento são manuseados aos pares, para poder assim manusear em simultâneo ambos os feixes de condutores e um dispositivo de suporte sustenta três pares de tambores com fio de enrolamento, de modo que, com utilização de um dispositivo de suporte deste género, possa ser feito o enrolamento no estator de um sistema trifásico, respectivamente, com dois feixes de fios condutores por fase.

Os tambores com o fio de enrolamento estão dispostos de forma a poder rodar em torno de um eixo de rotação central do dispositivo de suporte. Por meio desta disposição é possível 4 compensar uma torção dos feixes de fios condutores resultante da rotação do estator no dispositivo de retenção, por meio da correspondente rotação conjunta dos tambores nos dispositivos de suporte.

Outras formas vantajosas de realização da invenção são indicadas nas reivindicações dependentes.

Em seguida, a invenção é descrita em pormenor com base nas figuras. Neste caso mostram:

Figura 1 de forma simplificada, um estator de um gerador anular num dispositivo de suporte; Figura 2 um corte transversal através de um feixe de fios condutores; Figura 3a uma parte das ranhuras do estator de acordo com a invenção, com feixes de fios condutores colocados; Figura 3b uma parte das ranhuras do estator de acordo com a invenção (alternativa), com feixes de fios condutores colocados; Figura 3c uma estrutura conhecida de um enrolamento do estator; Figura 3d uma estrutura de um enrolamento do estator de acordo com a invenção; 5

Figura 4 de forma simplificada, um dispositivo de suporte de acordo com a invenção, numa vista lateral;

Figura 5 uma vista frontal de um dispositivo de suporte; e

Figura 6 a disposição dos dispositivos de suporte e do estator para o fabrico de um enrolamento do estator de acordo com a invenção.

Na figura 1, o número de referência 10 designa o estator, que apresenta ranhuras 12 que se prolongam na direcção axial no perímetro interior. Este é o modelo mais frequente de um gerador. O rotor (não representado) encontra-se no interior do estator 10. Este modelo é designado como rotor interno. Em alternativa, num chamado rotor externo, no qual o rotor circunda o estator 10, as ranhuras 12 podem estar previstas no perímetro exterior do estator. As ranhuras 12 estão representadas ampliadas na figura. O estator 10 está contido num dispositivo 14 de suporte, que está assente no chão, mantendo assim o estator 10 e, em especial, as ranhuras 12, a uma altura que cria uma posição de trabalho ergonomicamente favorável.

Como um tal estator 10 de um gerador anular apresenta um diâmetro de vários metros e, correspondentemente, um peso elevado, o estator 10 está apoiado, de modo a poder rodar, sobre rolamentos 16 de rotação e pode ser rodado num valor desejado, por exemplo, no sentido da seta, para colocar as ranhuras 12 a trabalhar numa posição desejada. Naturalmente, esta rotação do estator 10 pode ser realizada com utilização de um motor de propulsão (não representado). 6

Na figura 2 está representado um feixe 20 de fios condutores, constituído por uma pluralidade de condutores 22 individuais, que são colocados como feixe nas ranhuras (número de referência 12 na figura 1). Neste caso, cada condutor 22 está isolado dos outros através de um revestimento. A formação de feixes 20 de fios condutores a partir de condutores 22 individuais tem a vantagem de estes feixes de fios condutores não serem fixos na sua forma de secção transversal, mas antes podem ser alterados, de modo que são conduzidos, por um lado, através de uma abertura de ranhura relativamente estreita, mas, por outro lado, através de deformação correspondente, podem depois preencher o mais possível a secção transversal mais larga da ranhura, para obter um bom factor de enchimento da ranhura (número de referência 12 na figura 1). A figura 3a mostra uma secção desenrolada do perímetro interior do estator 10. As ranhuras 12 estão aqui dispostas lado a lado na horizontal. Nas ranhuras 12 estão colocados os feixes de fios condutores, que estão aqui representados de forma simplificada como feixes 20 circulares de fios condutores. Cada dois destes feixes 20 de fios condutores são reunidos numa espira de uma fase. Isto está representado na figura através de pontes 24, que ligam cada dois dos feixes 20 de fios condutores. Assim, correspondendo à representação nesta figura, em cada ranhura estão colocadas duas espiras de uma fase. Para uma visão mais simples, cada feixe de fios condutores está numerado de baixo para cima com os números de 1 a 4. Para distinguir as várias fases do sistema hexafásico aqui representado, estas são identificadas com as designações de Pl a P6, por baixo da ranhura. 7

Na figura é fácil de reconhecer que os feixes 1 e 2 de fios condutores formam sempre a primeira espira, enquanto que os feixes 3 e 4 de fios condutores formam sempre a segunda espira, que está colocada na ranhura 12 correspondente.

Na figura 3a, iniciando-se com a observação a partir da esquerda, as fases Pl a P6 estão representadas lado a lado, por ordem crescente e a sequência dos feixes de fios condutores é indicada pelos números 4, 3, 2, 1. Após a ranhura 12 com a fase P6, esta sequência de fases repete-se, começando novamente por Pl. Na segunda ranhura 12, representada nesta figura com a fase P5, a sequência dos feixes 20 de fios condutores é alterada. A primeira espira, disposta na ranhura 12 em baixo, continua a ser constituída pelos feixes 1 e 2 de fios condutores, no entanto, a sua sequência foi invertida. Da mesma forma, a segunda espira continua a ser constituída pelos feixes 20 de fios condutores designados por 3 e 4, mas a sua sequência também foi invertida. A fase 6 situada ao lado apresenta novamente a sequência já conhecida dos feixes de fios condutores.

Na parte direita desta figura estão novamente representadas as fases Pl a P6. Adicionalmente à inversão dos feixes 20 de fios condutores da fase P5 designados por 1, 2 e 3, 4, também aqui os feixes de fios condutores da fase P3 estão representados trocados. Naturalmente, também aqui os feixes 20 de fios condutores designados por 1 e 2 formam a primeira espira e os feixes 20 de fios condutores designados por 3 e 4 formam a segunda espira desta fase; no entanto, no interior da espira a posição dos feixes de fios condutores encontra-se novamente invertida. A razão para esta inversão torna-se reconhecível, quando se considera que as linhas de campo magnético se prolongam não só no sentido longitudinal das abas 26, que limitam lateralmente as ranhuras 12, mas também através das ranhuras entre duas abas 26 com polaridades diferentes. Daqui resulta um deslocamento de corrente em cada feixe 20 de fios condutores, em função da sua posição na ranhura 12.

Se for invertida agora a posição dos feixes de fios condutores em determinados intervalos, ambos os feixes 20 de fios condutores de uma espira são submetidos alternadamente a este efeito, de modo que, com uma escolha adequada da posição de inversão e da frequência, ambos os feixes 20 de fios condutores de uma fase são submetidos a este efeito, de modo quase uniforme, de modo que não passam correntes de compensação significativas, resultantes de uma carga irregular e, assim, pode ser fornecido pelo gerador o máximo de corrente possível. A figura 3b mostra, portanto, a representação das ranhuras do estator com enrolamentos do estator ou condutores do estator nelas colocados, sendo perceptível que as ranhuras do estator se encontram extensamente preenchidas com os enrolamentos e sendo que também a direcção do fluxo de corrente nos condutores (ponta da seta, cruz da seta) é perceptível. Além disso, a disposição das fases é alterada em relação à figura 3a, para também ilustrar melhor a inversão no sentido do enrolamento. Mas a representação de acordo com a figura 3b também ilustra que mais de 80%, de modo preferido mais de 95% de todo o espaço da ranhura do estator, está preenchido com enrolamentos e, assim, a percentagem de ar existente na ranhura do estator é extremamente reduzida. 9 A figura 3c mostra uma parte de um enrolamento fabricado de modo convencional, no entanto, sem a representação do estator e das ranhuras, nas quais o enrolamento está colocado. 0 enrolamento, neste caso, é formado por bobinas 40 de forma, que apresentam duas espiras 41 e 42. Para melhor percepção, estas espiras 41 e 42 estão representadas deslocadas uma em relação à outra. Na ranhura (não representada nesta figura) estes encontram-se, evidentemente, colocados exactamente sobrepostos.

Estão representadas três bobinas 40 de forma de uma fase. O distanciamento resulta do facto de entre bobinas moldadas desta fase alternarem bobinas moldadas das outras fases do estator, que, no entanto, não estão representadas na figura. A ligação das bobinas 40 de forma de uma fase entre si pode ser realizada através de uniões por soldadura ou uniões por aperto e aparafusamento ou técnicas semelhantes.

Estas ligações, representadas na figura 3c, são potenciais fontes de anomalias. A figura 3d mostra a realização, de acordo com a invenção, de uma fase com um enrolamento contínuo. Também aqui, correspondendo à representação na figura 3b, está representada, novamente, uma parte do enrolamento de uma fase. Neste caso, as espiras 41 e 42 individuais estão também representadas deslocadas entre si, para evidenciar o género de realização.

Nesta forma de realização é imediatamente perceptível que as junções representadas na figura 3b como potencial fonte de anomalias foram eliminadas nesta invenção. Por isso, já não pode surgir uma interrupção nas junções entre as secções de enrolamentos individuais. 10 A figura 4 mostra um dispositivo 30 de suporte para os feixes de fios condutores utilizados como fios de enrolamento, em vista lateral. Uma estrutura 31 de base, em forma de L, consegue uma posição segura de todo o dispositivo 30 de suporte. Um prato 32 de suporte está ligado à estrutura 31 de base através de um mancai 33 articulado. No prato 32 de suporte estão fixados braços 34 de suporte, que se prolongam de uma determinada secção do centro do prato 32 de suporte para a periferia do prato 32 de suporte e que se prolongam num comprimento pré-determinado, a partir do prato 32 de suporte, no essencial na horizontal.

Nestas secções dos braços 34 de suporte, que se prolongam na horizontal, estão fixados, de modo a poder rodar, tambores 36, com os feixes de fios condutores utilizados como fio de enrolamento.

Entre a secção vertical do braço 34 de suporte paralelo ao prato 32 de suporte e a sua secção que se prolonga na horizontal está previsto um mancai articulado (não representado) . Este mancai articulado actua em conjunto com um accionamento 35 e permite uma rotação da secção horizontal do braço 34 de suporte em torno do seu eixo longitudinal, juntamente com os tambores 36 ali colocados. Desta forma pode ser compensada uma torção, que surge quando se enrola o enrolamento do estator, entre os feixes de fios condutores deste enrolamento. A figura 5 mostra uma vista frontal deste dispositivo 30 de suporte. Aqui está representada uma estrutura 31 de base, que se adelgaça da base para a ponta. Para o aumento da estabilidade estão previstas duas travessas 38 e 39. 11

Na estrutura 31 de base o prato 32 de suporte está disposto de modo a poder rodar e sobre o prato 32 de suporte estão dispostos, respectivamente, três braços 34 de suporte, deslocados entre si num ângulo igual (120°), em cujas consolas, no essencial na horizontal, estão fixados, respectivamente, dois tambores 36 para os feixes de fios condutores. Com o apoio rotativo do prato 32 de suporte e os tambores nele fixados firmemente, através dos braços 34 de suporte, pode ser rodado por meio de um segundo motor 37.

No fabrico do enrolamento no estator 10, cada feixe 20 de fios condutores é colocado numa ranhura 12, dobrado na cabeça de enrolamento na extremidade da ranhura 12 e levado até uma nova ranhura 12 paralela, na cabeça de enrolamento. Em seguida, o feixe 20 de fios condutores é novamente dobrado, de modo a poder ser colocado nesta ranhura 12. À saida desta ranhura 12, o feixe 20 de fios condutores é novamente dobrado, de modo a poder ser conduzido para a próxima ranhura 12. Desta maneira, naturalmente, resulta também uma torção correspondente no feixe 20 de fios condutores que corre na direcção do tambor 36.

Os tambores 36 estão dispostos em pares, nas secções horizontais dos braços 34 de suporte. Como estas secções horizontais podem rodar em torno do seu eixo longitudinal, através dos accionamentos 35, os tambores 36 também rodam conjuntamente. Desta maneira pode ser compensada uma torção dos feixes de fios condutores, através de rotação do braço 34 de suporte correspondente.

Um segundo accionamento 37 está situado entre a estrutura 31 de base e o prato 32 de suporte e permite uma rotação do prato 32 de suporte, com todos os braços 34 de suporte e tambores 12 36 nele dispostos, para realizar também a rotação do estator 10 no suporte 14 do estator e, desta maneira, evitar uma torção dos feixes de fios condutores. A figura 6 mostra, de forma simplificada e sem feixes de fios condutores entre os dispositivos 30 de suporte e o estator 10, a disposição de dois dispositivos 30 de suporte e um estator 10 a prover de um enrolamento. O estator 10 está apoiado num dispositivo 14 de suporte e pode rodar no sentido do seu perímetro (no sentido da seta). Como cada um dos dispositivos 30 de suporte também apresenta tambores 36 apoiados de modo a poder rodar, estes podem também efectuar ou imitar a rotação do estator através de uma rotação correspondente. Dispondo de dois dispositivos 30 de suporte, cada um com três pares de tambores, podem, portanto, ser enroladas seis fases em simultâneo num estator. É evidente que a presente invenção é aplicável não só em geradores anulares para instalações de energia eólica, mas, em princípio, em qualquer máquina síncrona, sendo de salientar que não se trata aqui de máquinas pequenas, mas sim de máquinas que apresentam dimensões consideráveis e as quais têm, em regra, cargas conectadas, eventualmente, de várias centenas de kW e mais. Para um gerador anular de uma instalação de energia eólica é típica, por exemplo, uma potência nominal superior a 500 kW; já estão também a ser testados e utilizados futuramente geradores com uma potência nominal superior a 4 MW. Só o estator da máquina síncrona descrita pesa várias toneladas, em geradores anulares com mais de 4 MW eventualmente ainda mais de 50 toneladas.

Lisboa, 22 de Novembro de 2010 13

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Instalação de energia eólica com um gerador com uma potência de vários 100 kW e que apresenta um estator (10), em cujo perímetro interior ou exterior estão configuradas ranhuras (12) espaçadas umas das outras, para o alojamento de um enrolamento (40) do estator, caracterizada por o enrolamento estar enrolado de forma continua, sem interrupção.
2. Instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por um estator (10) com pelo menos dois enrolamentos (41, 42) de fase enrolados de forma continua.
3. Instalação de energia eólica de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por estarem dispostos no interior de uma ranhura apenas enrolamentos de uma fase (Pl) .
4. Instalação de energia eólica de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por estarem dispostos adjacentes enrolamentos de ranhuras de fases (P1-P6) diferentes.
5. instalação de energia eólica de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por o enrolamento de uma fase (Pl) ser constituído por pelo menos um feixe (20) de fios condutores, sendo que um feixe (20) de fios condutores é constituído por uma pluralidade de condutores (22) isolados uns dos outros. 1
6. Instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por numa ranhura (12) estarem dispostos pelo menos dois feixes (20) de fios condutores sobrepostos.
7. Instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por em ranhuras (12) nas quais se encontram colocados vários feixes (20) de fios condutores, as posições dos feixes de fios condutores superiores e inferiores estarem invertidas numa ordem pré-determinada.
8. Instalação de energia eólica de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por em cada ranhura (12) estarem colocadas duas espiras (24). Lisboa, 22 de Novembro de 2010 2