ES2715016T3

ES2715016T3 - Procedimiento para detener una turbina eólica y turbina eólica para la realización del procedimiento

Info

Publication number: ES2715016T3
Application number: ES14709560T
Authority: ES
Inventors: Tobias Muik
Original assignee: WIND DIRECT GmbH
Current assignee: WIND DIRECT GmbH
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: PT2981709T; EP2981709A1; DK2981709T3; US9777710B2; EP2981709B1; DE102013004580A1; WO2014146764A1; US20160290318A1

Abstract

Procedimiento para detener el rotor (6) de una turbina eólica (1) que tiene al menos un álabe de rotor (10) que se puede ajustar sobre su eje longitudinal mediante un dispositivo de ajuste (12) desde una posición operativa hasta una posición de bandera, en la que prácticamente no se aplica ningún par de motor sobre rotor (6), accionando el rotor (6) un generador (16) y pudiéndose bloquear contra la rotación en una posición de bloqueo, introduciendo un perno de bloqueo (32) en un orificio receptor (36) del lado del rotor, caracterizado porque cortocircuitando al menos un devanado de estator (24) del generador (16) se lleva el rotor (6) hasta un movimiento de rotación lenta con una velocidad de rotación tan baja que permite introducir el perno de bloqueo (32) en un orificio receptor (36) del lado del rotor, estando el rotor (6) girando.

Description

DESCRIPCION

Procedimiento para detener una turbina eolica y turbina eolica para la realizacion del procedimiento

La invention se refiere a un procedimiento para la detention de una turbina eolica, as^ como a una turbina eolica para la realizacion del procedimiento segun el concepto general de las reivindicaciones 1 y 8.

Turbinas eolicas modernas, ver por ejemplo la patente US 2011/260461 A1, en el rango de multimegavatios estan normalmente provistas de alabes de rotor que mediante un dispositivo de ajuste pueden hacerse girar alrededor de un eje central longitudinal para alejarlos del viento, si es necesario, lo cual se conoce en los circulos profesionales como “rotorpitch”. Si se alejan del viento los alabes del rotor, se reduce la superficie de action eolica del rotor y se minimiza el par aerodinamico en el eje de transmision. Como este freno aerodinamico descrito es normalmente el unico freno, es necesario proveer cada alabe de rotor con un sistema pitch completamente redundante, de manera que en caso de fallar un alabe o su correspondiente dispositivo de ajuste, puedan alejarse del viento de forma fiable el resto de alabes y asi garantizar una reduction segura de la velocidad. Despues del proceso de frenado el rotor permanece normalmente en el llamado “modo ralenti”, en el cual los alabes de rotor se mueven libremente en el viento a modo de bandera. Asi la turbina no se detiene totalmente, pero disminuye las cargas aerodinamicas sobre el rotor y la torre.

Solo se requiere una parada del rotor para trabajos de mantenimiento y reparation en la parte giratoria de la turbina, por ejemplo, en la parte del dispositivo de ajuste del lado del buje, o en el rotor, etc. Para detener la turbina eolica para este tipo de trabajos, es conocido desacelerar la turbina mediante un dispositivo de frenado mecanico en el sistema de propulsion y detener el rotor de forma positiva en la position angular deseada, en la que, en particular, se crea un acceso a la parte giratoria del rotor del lado del buje. Dicha detencion positiva esta determinada en normas prescritas y consiste en introducir a mano un perno de bloqueo desde el estator hasta un correspondiente orificio receptor. Para poder introducir el perno de bloqueo desde cualquier posicion del rotor, es conocido en la practica guiar el rotor a la posicion deseado, por ejemplo mediante un generador accionado por motor. La desventaja en este contexto es que se necesita ademas un convertidor de frecuencia de cuatro cuadrantes y un codificador de posicion para la posicion del rotor, lo cual encarece la turbina eolica. En caso de no estar operativo el convertidor (por ejemplo por falta de red de abastecimiento) se da ademas la posibilidad, en caso de suficiente viento, de aproximarse a la deseada posicion del rotor por medio de un ajuste manual preciso de los alabes y un accionamiento simultaneo del freno mecanico, para despues introducir el perno de bloqueo manualmente en el lado del rotor del orificio receptor. Sin embargo, en la practica esto requiere relativamente mucha experiencia y personal formado, ya que el freno mecanico y el ajuste de los alabes del rotor deben modificarse al mismo tiempo dependiendo de la respectiva velocidad y direction del viento.

Actualmente se utilizan frenos de rotor electromecanicos e hidraulicos. Los dispositivos de frenado hidraulico ampliamente extendidos en el mercado tienen la desventaja de que fugas de aceite y valvulas desgastadas en el sistema hidraulico pueden provocar a menudo una falta de fuerza de frenado hasta una caida total del sistema de frenado. Trabajos de mantenimiento frecuentes en el sistema hidraulico conllevan elevados costes de mantenimiento y largos tiempos de inactividad de la turbina eolica. Especialmente en instalaciones de alta mar los costes de mantenimiento y los tiempos de inactividad a causa de un sistema hidraulico defectuoso son mucho mas altos que en instalaciones en tierra firme.

Los conocidos frenos de rotor electromecanicos ofrecen mayor fiabilidad y una mejor capacidad de funcionamiento que los frenos de rotor hidraulicos. En estos las pastillas de freno se mueven por medio de un motor electrico. Las ventajas esenciales del freno de rotor electromecanico con respecto al sistema hidraulico consisten en una construction compacta del sistema de frenado al suprimirse el agregado hidraulico y reducirse el numero de piezas de construccion. Aunque los sistemas de frenado de rotor electromecanicos ofrecen mayor seguridad de la instalacion y requieren menos mantenimiento, tambien en este sistema es necesario cambiar las pastillas de freno desgastadas.

En turbinas eolicas con transmision entre la turbina y el generador, se instala el freno del rotor mecanico generalmente en el lado del generador que funciona a mayor velocidad, debido al menor par motor y al reducido volumen asociado a este. Sin embargo, en una turbina eolica accionada directamente, el par de motor del lado de la turbina debe ser absorbido por el freno. Por eso el dispositivo de frenado conlleva un volumen de construccion grande y conduce a un considerablemente mayor espacio en la gondola.

Sin embargo, a pesar de las desventajas mencionadas anteriormente, no se puede prescindir de frenos mecanicos de rotor en las turbinas eolicas conocidas, ya que de lo contrario no seria posible desacelerar y detener el rotor cuando el convertidor no este operativo.

Por consiguiente, es un objetivo de la presente invencion proporcionar un procedimiento para detener el rotor de una turbina eolica y una turbina eolica para llevar a cabo dicho procedimiento, en los cuales se pueda suprimir el uso de un dispositivo de frenado mecanico adicional.

Este objetivo se alcanza mediante las caracteristicas de las reivindicaciones 1 y 8.

En las reivindicaciones dependientes se describen otras caracteristicas de la invencion.

Segun la invencion, el procedimiento para detener el rotor de una turbina eolica, que acciona un generador y dispone de al menos un alabe de roto ajustable alrededor de su eje longitudinal mediante un dispositivo de ajuste desde una posicion operativa a una posicion de bandera, en la cual no se ejerce sustancialmente ningun par motor sobre el rotor, pudiendose bloquear el rotor contra una rotacion introduciendo un perno de bloqueo en un orificio receptor del lado del rotor, se caracteriza porque, mediante un cortocircuito de al menos un devanado del estator del generador, se traslada el rotor a un movimiento rotativo lento con una velocidad de rotacion tan baja que es posible introducir el perno de bloqueo en el orificio receptor del lado del rotor, estando este girando.

En este caso, el procedimiento segun la invencion requiere un generador, en particular un generador sincrono de excitacion por imanes permanentes, aprovechando la invencion el efecto fisico de que el campo del rotor del generador existente de forma permanente con independencia de la red de suministro, induce en cada movimiento del rotor una tension electrica en el correspondiente devanado del estator. Si el generador es un generador sincrono de excitacion electrica, en caso de falta de red de suministro se llevara a cabo el accionamiento con la ayuda de baterias. Mediante un cortocircuito adecuado del devanado del estator y un accionamiento o apertura de un interruptor de cortocircuito, con el que se cortocirucuitan entre si preferiblemente las tres fases del generador segun el diagrama de circuito equivalente de la maquina en la figura 2, se aprovecha despues la fuerza resultante electromagnetica de frenado del generador, para llevar al rotor, impulsado por el viento con un par motor relativamente bajo a causa de la posicion casi de bandera de los alabes del rotor, a la posicion de bloqueo, en la que se puede introducir el perno de bloqueo en el correspondiente orificio.

Aunque la velocidad de rotacion del rotor no puede reducirse a cero debido al contrapar generado electromagneticamente, sino que el rotor siempre debe girar aunque sea a una velocidad muy baja para generar el efecto de frenado, el solicitante ha apreciado que la velocidad de movimiento que se produce es lo suficientemente lenta como para poder acoplar mecanicamente de manera fiable el rotor de la turbina con el estator introduciendo el perno de bloqueo al alcanzar la posicion de bloqueo y asi poder detener el rotor de la turbina eolica de manera fiable cuando se trabaja en el rotor. Por lo tanto, ya no es necesario un dispositivo de frenado mecanico complejo y que requiera mucho mantenimiento.

En el ejemplo de realization preferido de la invencion el procedimiento comprende las fases descritas a continuation.

Primero, la turbina eolica se coloca en el modo ralenti, de modo que al menos un alabe del rotor, pero preferiblemente todos los alabes del rotor, se muevan desde la posicion operativa a la posicion de bandera. Si se ha establecido de manera fiable el modo ralenti, se detecta o verifica la velocidad del viento y / o la direction del mismo y luego se orienta la gondola de la turbina eolica de forma que el eje del rotor apunte sustancialmente en la direccion del viento. A continuacion, se comprueba la velocidad del rotor y se verifica el modo ralenti de modo que la velocidad del rotor sea sustancialmente cero. Posteriormente, se cortocircuita al menos un devanado de estator del generador, que es en particular un generador sincrono de excitacion mediante un iman permanente de accionamiento directo, para iniciar el movimiento de rotacion lenta del rotor. A continuacion, para alcanzar la posicion de bloqueo deseada, se ajusta el al menos un alabe de rotor en funcion de la fuerza del viento con respecto a la posicion de bandera. Una vez alcanzada la posicion de bloqueo se introduce el perno de bloqueo en los orificios receptores. Posteriormente, el al menos un alabe de rotor retorna preferiblemente a la posicion de bandera.

En el ejemplo de realizacion preferido del procedimiento segun la invencion, para dirigirse a la posicion de bloqueo desde la posicion de bandera (90 °), al menos un alabe del rotor se ajusta en un intervalo angular de entre aproximadamente 95 ° y 85° grados con respecto al plano de rotacion del rotor. En este caso el angulo respectivo se ajusta y cambia, en particular, manualmente, en funcion de la velocidad y/o la direccion del viento imperantes en el momento. En el ejemplo de realizacion preferido del procedimiento, durante la aproximacion a la posicion de bloqueo, se ajusta progresivamente el angulo a dicho intervalo, para mantener la velocidad de rotacion del movimiento lento de rotacion, preferiblemente sustancialmente constante y por debajo de un limite superior maximo.

La velocidad de rotacion del rotor durante el movimiento lento de rotacion se ajusta, mediante el sistema pitch del o de los alabes del rotor, de tal modo que sea inferior a 1 grado/s, en particular, entre 0,00 y 0,15 grados/s.

De acuerdo con otro de los conceptos subyacentes de la invencion, puede ser apropiado reducir aun mas la velocidad de rotacion del movimiento lento de rotacion poco antes de alcanzar la posicion de bloqueo ajustando el angulo del alabe del rotor en la direccion de la posicion de bandera, para reducir aun mas las fuerzas ejercidas por el rotor sobre el perno de bloqueo despues de haberlo introducido en el orificio receptor del lado del rotor.

Aunque el seguimiento del viento de la gondola se realiza preferiblemente de forma manual en funcion de la velocidad y/o la direccion del viento imperantes, puede ser ventajoso, especialmente en grandes turbinas eolicas, que la velocidad y/o direccion del viento y/o la orientacion de la gondola y/o la determinacion de la velocidad del rotor y verificacion del modo ralenti y, preferiblemente tambien el cortocircuito de al menos un devanado del estator o el acercamiento a la posicion de bloqueo deseada se realice de forma automatica. De manera similar, la introduction del perno de bloqueo en el orificio receptor al alcanzar la posicion de bloqueo se puede realizar no solo a mano, sino tambien mediante un accionamiento de motor, o al ejercer una fuerza elastica sobre el perno, por ejemplo, mediante un resorte precargado, que empuje al tornillo en la direccion del orificio receptor.

Segun otra idea inventiva, para llevar a cabo el procedimiento antes descrito, una turbina eolica comprende un rotor que acciona un generador y tiene al menos un alabe de rotor ajustable mediante un dispositivo de ajuste desde una posicion operativa hasta una posicion de bandera, pudiendose bloquear el rotor contra la rotacion en una posicion de bloqueo, introduciendo un perno de bloqueo en un orificio receptor del lado del rotor. La turbina eolica se caracteriza porque tiene un interruptor de cortocircuito, en particular en forma de un interruptor operable manualmente en la gondola, mediante el cual al menos un devanado del estator, pero preferiblemente todos los devanados del estator del generador pueden cortocircuitarse uno contra otro y entre si para llevar el rotor a un movimiento de rotacion lento con una velocidad de rotacion tan baja que se pueda introducir el perno de bloqueo en el orificio receptor del lado del rotor estando este girando.

El generador es preferiblemente un generador sincrono de excitation mediante un iman permanente de accionamiento directo. Aunque los imanes permanentes para aumentar el par de frenado del generador cortocircuitado en el movimiento de rotacion lenta se situan radialmente fuera de las bobinas del estator, tambien es posible disponerlos radialmente hacia dentro con respecto a dichas bobinas del estator.

El generador tiene ventajosamente varias bobinas de estator cuyos devanados en este caso estan preferiblemente conectados entre si de una manera electricamente conductora a traves del interruptor de cortocircuito, para permitir el movimiento rotatorio lento del rotor. En este ejemplo de realization de la invencion, el interruptor de cortocircuito esta disenado, por ejemplo, como un interruptor de contactos escalonados y comprende una pluralidad de interruptores individuales asociados a los devanados del estator, que se pueden accionar por separado. Por medio de estos, se pueden cortocircuitar los devanados del estator individualmente para producir pares de frenado de diferente intensidad, pudiendose cortocircuitar en el caso de un interruptor de multiples etapas, p. ej. en la primera etapa, un devanado de estator, en la segunda etapa dos devanados de estator y en la tercera etapa, los tres devanados de estator.

A continuation se describe la invencion, con ayuda de los dibujos, utilizando el ejemplo de una turbina eolica segun la invencion para realizar el procedimiento segun la invencion descrito anteriormente.

Los dibujos muestran lo siguiente:

Figura 1 una representation esquematica de una turbina eolica segun la invencion

Figura 2 la figura 2 muestra un diagrama de circuito electrico equivalente que

representa el generador cortocircuitado durante el movimiento lento de

rotacion.

Como se muestra en la Figura 1, una turbina eolica 1 segun la invencion comprende una torre 2, que se muestra solo en secciones, con una gondola 4 que puede pivotar alrededor del eje longitudinal de la torre y acoge un rotor 6 giratorio a traves de los cojinetes 8 indicados esquematicamente. El rotor 6 comprende dos, tres o mas alabes de rotor 10, de los cuales al menos un alabe de rotor 10, aunque preferiblemente todos los alabes de rotor, puede girar alrededor de su eje 14 de alabe de rotor mediante un dispositivo de ajuste 12, mostrado esquematicamente, con el fin de que pase de la posicion operativa ilustrada a una posicion designada como posicion de bandera en la que el angulo entre un plano central imaginario del alabe de rotor 10 y el plano de rotacion, soportado por el rotor giratorio 6, sea de 90 °.

Como puede apreciarse tambien en la ilustracion de la Figura 1, el rotor 6 esta acoplado de manera impulsora a un generador 16 que esta configurado en la realizacion ilustrada de la turbina eolica 1 segun la invencion como un generador sincrono de rotor externo accionado directamente, en el cual el rotor 18 del generador, dispuesto radialmente en el exterior, comprende en su lado interno circunferencialmente imanes permanentes 20, que se extienden con su lado interno a una distancia corta alrededor del estator 22 sujeto al bastidor de la gondola 4 o la torre 2. Frente a los imanes permanentes, se han dispuesto en el estator 22 del generador 16 una pluralidad de devanados de estator 24, que estan conectados entre si de tal manera que se induce una tension alterna en los devanados de estator 24 durante una rotacion del rotor 6 que se toma en las tres fases indicadas esquematicamente 26a, 26b y 26c de los devanados del estator 24 y que alimenta una red electrica, como es conocido, a traves de un inversor o similar, no mostrado.

Como se muestra tambien en la ilustracion de la figura 1, se ha dispuesto preferiblemente un interruptor de cortocircuito 28 dentro de la gondola 4, que puede ser accionado por un operador presente en la gondola 4, preferiblemente a mano segun la flecha doble 30, para cortocircuitar electricamente entre si las tres fases 26a, 26b y 26c o para separar la conexion de la linea en cortocircuito.

De esta manera, ajustando los alabes del rotor 10 desde la posicion de bandera hasta una posicion de preferiblemente alrededor de 95 ° y 85 ° grados con respecto al plano de rotacion del rotor 6, es posible llevar el rotor hasta un movimiento de rotacion con una velocidad de rotacion tan lenta, que permita introducir un perno de bloqueo 32, mostrado de forma esquematica, alojado de manera deslizable en un orificio de guia fijo 34 conectado con el estator 22 del generador 16 o con la gondola 4, en un orificio receptor 36 del lado del rotor 6 que se mueve junto con el rotor estando este girando.

En la Fig. 2, se muestra el diagrama de circuito electrico equivalente del generador 16 en cortocircuito, donde Up es la tension de fase (tension generada por la induccion de movimiento en una fase), Lh es la inductancia principal de una fase, La significa la inductancia de dispersion de una fase y Rs la resistencia de fase del devanado de estator 24.

Lista de referencias numericas de los dibujos

1 turbina eolica segun la invencion

2 torre

4 gondola

6 rotor

8 cojinetes para rotor.

10 alabe

12 dispositivo de ajuste

14 eje de alabe

16 generador

18 rotor de generador

20 imanes permanentes

22 estator del generador

24 devanado de estator

26a, b,c fases

28 interruptor de cortocircuito

30 flecha doble

32 perno de bloqueo

34 orificio de guia fijo

36 orificio receptor del lado del rotor

Up tension de fase

Lh inductancia principal de una fase

La inductancia de dispersion de una fase

Rs resistencia de fase del devanado de estator

Claims

Reivindicaciones

1. Procedimiento para detener el rotor (6) de una turbina eolica (1) que tiene al menos un alabe de rotor (10) que se puede ajustar sobre su eje longitudinal mediante un dispositivo de ajuste (12) desde una posicion operativa hasta una posicion de bandera, en la que practicamente no se aplica ningun par de motor sobre rotor (6), accionando el rotor (6) un generador (16) y pudiendose bloquear contra la rotacion en una posicion de bloqueo, introduciendo un perno de bloqueo (32) en un orificio receptor (36) del lado del rotor, caracterizado porque cortocircuitando al menos un devanado de estator (24) del generador (16) se lleva el rotor (6) hasta un movimiento de rotacion lenta con una velocidad de rotacion tan baja que permite introducir el perno de bloqueo (32) en un orificio receptor (36) del lado del rotor, estando el rotor (6) girando.

2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por las siguientes fases de procedimiento:

Llevar la turbina eolica (1) a un modo de funcionamiento al ralenti ajustando al menos un alabe de rotor (10) desde una posicion operativa hasta una posicion de bandera

Verification de la velocidad y/o direction del viento

Posicionamiento de la gondola (4) de la turbina eolica (1) de forma que el eje de rotor este esencialmente dirigido hacia la direccion del viento

Comprobacion de la velocidad del rotor y verificacion del funcionamiento al ralenti, cortocircuito de al menos un devanado de estator (24) para llevar al rotor (6) a un movimiento de rotacion lenta Aproximacion a la posicion de bloqueo deseada ajustando al menos un alabe de rotor (10), e Introduction del perno de bloqueo (32) en el orificio receptor (36) una vez alcanzada la posicion de bloqueo

3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos un alabe (10) de rotor para aproximarse a la posicion de bloqueo desde la posicion de bandera (90°) se ajusta en un intervalo angular de entre aproximadamente 95° y 85° grados con respecto al plano de rotacion del rotor.

4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la velocidad de rotacion del movimiento de rotacion lenta esta por debajo de 1 grado/s, preferiblemente entre 0,00 y 0,15 grados/s.

5. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque el ajuste del alabe (10) se realiza manualmente en funcion de la velocidad y/o direccion del viento imperantes en el momento.

6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque la orientation de la gondola (4) hacia el viento se realiza manualmente en funcion de la velocidad y/o direccion del viento imperantes en el momento.

7. Procedimiento segun una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque la comprobacion de la velocidad y/o la direccion del viento, la orientacion de la gondola (4), la comprobacion de la velocidad del rotor y la verificacion del modo de funcionamiento al ralenti, el cortocircuito de al menos un devanado de estator (24), la aproximacion a la posicion de bloqueo deseada y / o la introduccion del perno de bloqueo (32) en el orificio receptor al alcanzar la posicion de bloqueo se realiza de forma automatica.

8. Turbina eolica (1) para llevar a cabo el procedimiento segun una de las reivindicaciones precedentes, que comprende un rotor (6) que acciona un generador (16) y dispone de al menos un alabe (10), que es ajustable mediante un dispositivo de ajuste (12) desde una posicion operativa hasta una posicion de bandera, pudiendose detener el rotor (6) en una posicion de bloqueo contra la rotacion introduciendo un perno de bloqueo (32) en un orificio receptor (36) del lado del rotor, caracterizado porque se ha dispuesto un interruptor de cortocircuito (28), mediante el cual, cortocircuitando al menos un devanado de estator (24) del generador (16), se puede llevar el rotor (6) hasta un movimiento de rotacion lenta con una velocidad de rotacion tan baja que permite introducir el perno de bloqueo (32) en un orificio receptor (36) del lado del rotor estando este girando.

9. Dispositivo segun la reivindicacion 8, caracterizado porque el generador (16) es un generador sincrono de excitation mediante un iman permanente de accionamiento directo.

10. Dispositivo segun la reivindicacion 8, caracterizado porque el generador es preferiblemente un generador sincrono de excitacion electrica accionado directamente, y porque el devanado de excitacion para generar el movimiento de rotacion lenta esta conectado a una bateria.

11. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el generador (16) tiene una pluralidad de devanados de estator (24) y porque el interruptor de cortocircuito (28) comprende una pluralidad de interruptores individuals asociados a los devanados de estator, que pueden accionarse por separado y mediante los cuales pueden cortocircuitarse los devanados de estator (24) individualmente o en grupos para generar pares de frenado de diferente intensidad.