ES2843480T3 - Sistema de conversión de energía altamente integrado para turbinas eólicas, mareomotrices o hidráulicas - Google Patents

Abstract

Sistema (20) para convertir energía rotacional de un eje de entrada rotativo de movimiento relativamente lento (21), en particular el eje de una turbina eólica (1), turbina mareomotriz o turbina hidráulica, en energía eléctrica para ser suministrada a una red, que comprende: una estructura de soporte para soportar un cojinete principal para el eje de entrada (21); un generador (6) acoplado al eje de entrada (21) y dispuesto en la estructura de soporte; una transmisión (7) dispuesta entre el eje de entrada (21) y el generador (6) para aumentar la velocidad de rotación y reducir el par; y un convertidor de potencia (39) que está acoplado eléctricamente entre el generador (16) y la red, y que está dispuesto en la estructura de soporte; caracterizado porque: - el convertidor (39) está integrado estructuralmente con el generador (6); - la transmisión (7) incluye un sistema de lubricación y enfriamiento; y - el convertidor de potencia (39) y el generador (6) están acoplados cada uno al sistema de lubricación y enfriamiento de la transmisión para el intercambio de calor.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de conversión de energía altamente integrado para turbinas eólicas, mareomotrices o hidráulicas

La invención se refiere a un sistema para convertir energía rotacional de un eje de entrada rotativo de movimiento relativamente lento, en particular el eje de una turbina eólica, una turbina mareomotriz o una turbina hidráulica, en energía eléctrica para ser suministrada a una red, que comprende: un soporte estructura para soportar un cojinete principal para el eje de entrada, un generador acoplado al eje de entrada y dispuesto en la estructura de soporte, una transmisión dispuesta entre el eje de entrada y el generador para aumentar la velocidad de rotación y reducir el par, y un convertidor de potencia que se acopla eléctricamente entre el generador y la red, y que se dispone sobre la estructura de soporte. Un sistema de conversión de energía de este tipo, también llamado "tren de accionamiento", se conoce por el documento CN 1834454 A.

Las turbinas eólicas convencionales comprenden un rotor que está montado en la parte superior de una torre. El rotor generalmente tiene tres palas montadas en un cubo unido al eje principal. Este eje del rotor principal está articulado en un cojinete que está montado sobre una estructura de soporte en la parte superior de la torre. También montado en la estructura de soporte hay un generador que convierte la energía rotacional del eje del rotor principal en energía eléctrica. Dependiendo del tipo de turbina eólica, se puede disponer una transmisión de engranajes entre el eje del rotor principal y el generador. La energía eléctrica del generador se transmite a través de la torre mediante cables de alimentación adecuados y se alimenta a un convertidor de potencia que normalmente se encuentra en la base de la torre o se suministra directamente a la red. Cuando se utiliza un convertidor de potencia, la salida del generador se convierte en una corriente continua de alto voltaje (por ejemplo, 1000 V CC), que finalmente se invierte en una corriente alterna (CA) que se alimenta a la red. Los llamados convertidores "CA/CC/CA" sirven para aislar el sistema de conversión de energía de la red.

La habitación en la base de la torre donde se encuentra el convertidor de potencia generalmente también alberga una resistencia de frenado y una fuente de alimentación auxiliar. La resistencia de frenado sirve para disipar temporalmente la energía eléctrica del generador cuando se produce una falla en la red mientras el rotor todavía gira con sus palas en un ángulo de inclinación tal que generan par. La fuente de alimentación auxiliar incluye una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) y sirve para alimentar las diversas funciones internas de la turbina eólica, como, por ejemplo, control de guiñada y ángulo de paso, control de turbina, instrumentación, etc.

Actualmente existen tres tipos principales de turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT). Las turbinas eólicas convencionales incluyen un generador estándar, que funciona a velocidades relativamente altas de alrededor de 1500 rpm. Dado que el eje del rotor normalmente gira a menos de 30 rpm, este tipo de turbina eólica requiere una compleja transmisión de múltiples etapas. Esta transmisión es pesada y costosa, e incluye muchas partes móviles, lo que aumenta el riesgo de falla y el posterior tiempo de inactividad. Otro tipo de turbina eólica es la turbina de accionamiento directo, que no incluye ninguna transmisión. En cambio, el generador está provisto de una gran cantidad de polos para generar una corriente alterna directamente a partir del lento movimiento del eje de entrada. Aquí, el generador es pesado y costoso. Un tercer tipo de turbina eólica es el denominado diseño "híbrido", que combina las ventajas de los otros dos tipos. Incluye una transmisión más pequeña y menos compleja que el diseño convencional de gran engranaje, y un generador que es más pequeño y liviano que el del diseño de transmisión directa.

Existe el deseo de ubicar las turbinas eólicas en áreas más remotas, como en alta mar, en desiertos o en ambientes árticos. Las condiciones de funcionamiento en estos lugares pueden ser extremadamente duras y llegar a las turbinas eólicas puede requerir viajes largos y costosos. Por lo tanto, es de suma importancia que las turbinas eólicas para su uso en estas condiciones tengan un alto nivel de confiabilidad y bajos requisitos de mantenimiento para reducir el tiempo de inactividad tanto como sea posible. Las mismas consideraciones se aplican a muchas turbinas mareomotrices e hidráulicas, como por ejemplo las que se utilizan en las centrales mareomotrices marinas. El documento de la técnica anterior US 2009/230681 A1 describe un método para reducir la oscilación mecánica en una planta de energía eólica que comprende una pluralidad de palas de rotor, un tren de accionamiento de turbina eólica y un generador, en donde las palas del rotor están conectadas de manera giratoria al generador por el tren de accionamiento de la turbina eólica. El método comprende los etapas: modelar matemáticamente la respuesta dinámica y/o función de transferencia de un grupo de partes giratorias de la planta de energía eólica, el grupo de partes giratorias que comprende al menos el tren de accionamiento de la turbina eólica, y determinar la respuesta dinámica y/o función de transferencia del grupo; en funcionamiento de la planta de energía eólica, determinando un primer parámetro característico de la oscilación mecánica en una primera ubicación, controlando el funcionamiento de al menos una parte giratoria en respuesta a la respuesta dinámica y/o función de transferencia del grupo y al menos el primer parámetro. En efecto, se reduce el desgaste mecánico inducido por resonancia, lo que aumenta la vida útil de la planta de energía eólica.

El documento de la técnica anterior WO 2005/075822 A1 tiene como objetivo proporcionar una turbina eólica compacta y de fácil mantenimiento, que también es adecuada para el funcionamiento en alta mar. Para lograrlo, en una turbina eólica que comprende un tren de accionamiento que es accionado por energía eólica, un engranaje de accionamiento y un generador, el documento da a conocer que el engranaje de accionamiento está integrado en dicho generador.

El documento de la técnica anterior WO 01/21956 A1 da a conocer un molino de viento para generar corriente eléctrica con la ayuda de un generador que es accionado por palas. El rotor y las palas están soportados por un cojinete común. Según la divulgación de este documento, el estator se coloca en una cámara cerrada con un sello de aire entre la parte giratoria y la parte estacionaria del generador.

Y finalmente, el documento CN 1834454 A de la técnica anterior mencionado anteriormente describe un sistema según el preámbulo de la reivindicación 1 con un generador de energía eólica que adopta un proceso de evaporación, circulación y enfriamiento. El generador de energía eólica incluye principalmente las siguientes partes: rueda de viento, eje de baja velocidad, caja de engranajes, intercambiador de calor de la caja de engranajes, eje de alta velocidad, convertidor de frecuencia de control, intercambiador de calor del convertidor de frecuencia de control, generador de energía, intercambiador de calor del generador de energía, intercambiador de calor del medio refrigerante, medio refrigerante y bomba de circulación. Se caracteriza porque también incluye dispositivo de enfriamiento por circulación de evaporación. Además, la divulgación de este documento también proporciona el principio de funcionamiento de dicho generador de energía eólica.

La invención tiene como objetivo proporcionar un sistema de conversión de energía mejorado para su uso en una turbina eólica, una turbina mareomotriz o una turbina hidráulica. Según la invención, esto se logra en un sistema del tipo descrito en el preámbulo, en donde el convertidor está estructuralmente integrado con el generador, la transmisión incluye un sistema de lubricación y/o enfriamiento, y el convertidor de potencia y el generador se acoplan cada uno al sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión para el intercambio de calor.

Al disponer el convertidor en las proximidades del generador, se simplifica la arquitectura y estructura del sistema y se evitan todo tipo de efectos parásitos que podrían producirse cuando se utiliza el convertidor para controlar cargas dinámicas en el sistema. Y al integrar aún más el convertidor con el generador y la transmisión, se reduce la cantidad de piezas, lo que conduce a menores costos de fabricación e instalación y una menor tasa de fallas, lo que resulta en un menor tiempo de inactividad y una mayor vida útil de la turbina eólica. Finalmente, dado que el convertidor de potencia y el generador están acoplados al sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión para el intercambio de calor, también pueden ser enfriados por el lubricante de la transmisión, obviando así la necesidad de un enfriador dedicado y conduciendo a un nivel aún mayor de integración funcionalidad y estructural. De acuerdo con un aspecto importante de la invención, el generador comprende un estator que incluye tuberías de calor conectados al sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión.

Cada tubería de calor incluye preferiblemente una línea de suministro y una línea de retorno, estando montado un extremo de la tubería de calor en una estructura fija del generador y conectado al sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión. Al proporcionar la conexión entre Las tuberías de calor y el sistema de lubricación y/o enfriamiento en la estructura fija, se simplifica el sellado y se evitan las fugas.

Preferiblemente, el estator se monta de forma desmontable en los extremos libres de Las tuberías de calor. De esta forma se facilita el mantenimiento.

En una realización preferida adicional del sistema de conversión de energía, el estator del generador está dispuesto de manera que introduzca una cantidad predeterminada de inductancia y/o amortiguación. De esta manera, no hay necesidad de filtros y/o bobinas independientes para el convertidor, lo que reduce aún más el número de piezas. Tal cantidad predeterminada de inductancia y/o amortiguación puede generarse cuando el estator tiene un núcleo que comprende placas laminadas y una parte de borde maciza.

El generador puede ser un generador de inducción. Este tipo de generador es muy confiable y relativamente económico. Además, un generador de inducción permite el deslizamiento del generador y una cierta sobrecarga, que son propiedades útiles en una turbina eólica.

Para una mayor facilidad de mantenimiento, el generador comprende preferiblemente un rotor de tipo jaula que está dispuesto de forma desmontable.

El sistema de conversión de energía de acuerdo con la invención puede comprender además preferiblemente una resistencia de frenado que está acoplada eléctricamente al generador y dispuesta en la estructura de soporte. Esto conduce a un grado aún mayor de integración funcional y estructural.

La resistencia de frenado puede acoplarse operativamente al sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión, de modo que pueda servir para precalentar el lubricante cuando las temperaturas ambientales son bajas o cuando se requiere calor adicional.

La resistencia de frenado puede disponerse además ventajosamente para estabilizar un enlace de salida de CC que conecta el convertidor de potencia a un inversor que alimenta la red. De esta manera, el rotor puede servir como una fuente de energía ininterrumpida (UPS) para mantener el enlace de salida de CC, incluso cuando la red está fuera de línea.

Para aprovechar al máximo el rotor que sirve como UPS, el sistema de conversión de energía puede incluir además una fuente de alimentación auxiliar que está acoplada eléctricamente al generador y dispuesta en la estructura de soporte.

En una realización preferida, el sistema de conversión de energía comprende un intercambiador de calor acoplado al sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión. De esta forma, se puede utilizar un solo intercambiador de calor para mantener todos los fluidos del sistema a una temperatura de funcionamiento adecuada.

Para proteger las partes importantes del sistema del medio ambiente, el generador, la transmisión, la resistencia de frenado y/o la fuente de alimentación auxiliar están preferiblemente todos dispuestos en una carcasa sellada en la estructura de soporte. De esta forma, el sistema se puede utilizar en entornos hostiles. El sistema de conversión de energía puede incluir además una góndola que rodea la carcasa sellada y la estructura de soporte para proporcionar un exterior aerodinámicamente eficiente.

Cuando el sistema de conversión de energía se utiliza en una turbina eólica, la estructura de soporte puede montarse en una torre.

En ese caso, el intercambiador de calor puede comprender ventajosamente un depósito lleno de un líquido y dispuesto cerca de la parte superior de la torre para amortiguar los movimientos oscilantes de la torre. El líquido puede ser un fluido de intercambio de calor o puede ser un lubricante y/o refrigerante que circula en el sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión. De esta forma se consigue un grado aún mayor de integración funcional y estructural.

La invención se ilustrará ahora mediante algunos ejemplos de realización de la misma, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de una turbina eólica que incluye el sistema de conversión de energía de la invención,

La Figura 2 es una vista en sección longitudinal de una primera realización del sistema de conversión de energía de la invención, que incluye un generador que tiene un rotor interior y un estator exterior,

La Figura 3 es una vista correspondiente a la Figura 2 y mostrando una forma de realización alternativa en la que se han invertido las posiciones del rotor y del estator,

La Figura 4 es una vista trasera del estator de la Figura 2,

La Figura 5 muestra un detalle del estator de la Figura 2, y

La Figura 6 muestra un diagrama de bloques de los diversos elementos funcionales del sistema de conversión de energía según la invención.

Una turbina eólica 1 incluye una torre 2 que lleva una estructura de soporte que está encerrada en una góndola 3 (Figura 1). La estructura de soporte lleva un cojinete principal en donde se articula un eje principal 21. Este eje 21 lleva un cubo 4, que a su vez lleva tres palas de rotor 5. También dentro de la góndola 3 se encuentra un sistema de conversión de energía de acuerdo con la presente invención.

En la realización ilustrada, el sistema de conversión de energía 20 es un diseño denominado "híbrido", que incluye una transmisión 7 relativamente pequeña y simple y un generador 6 relativamente pequeño y ligero. De acuerdo con otro aspecto de la invención, existe un alto nivel de integración entre el generador 6 y la transmisión 7. En este caso, el sistema de conversión de energía 20 comprende una etapa de entrada planetaria con un generador/convertidor y un concepto de enfriamiento altamente integrados; siendo el alto nivel de integración una parte importante de la invención reivindicada como se discutirá a continuación.

Un portasatélites 22 de la etapa de entrada planetaria o transmisión 7 del sistema de conversión de energía 20 está conectado al eje principal de baja velocidad 21. La carcasa 8 está sellada alrededor del portasatélites 22 mediante un sello anular 42. El portasatélites 22 está articulado en un cojinete 43 y en un cojinete 10 en una pared de fundición 35 que separa la transmisión 7 del generador 6. Lleva una pluralidad de planetas 23, cada uno de los cuales está articulado en un cojinete 11 y puede girar alrededor de un eje 12. Un engranaje dentado 24 de la transmisión 7 está fijo mientras un sol 25 está girando y conectado a la estructura de soporte del rotor 28 del generador 6 a través de un eje 26. El eje 26 está articulado en un cojinete 13 en un bloque 14 montado en la pared 35. El engranaje dentado 24 es parte integral del recinto sellado 8.

La transmisión 7 puede comprender una etapa planetaria única, una etapa planetaria con engranajes compuestos o cualquier otra configuración. En el caso de múltiples etapas de engranajes, el sol 25 podría conectarse a una siguiente etapa, en lugar de al generador. El sistema de conversión de energía 20 de la invención no se limita a una determinada configuración de entrada. Por razones de simplicidad y confiabilidad, se prefiere una sola etapa de entrada planetaria hasta una potencia nominal de 2MW; sin embargo, para potencias superiores, la etapa de entrada puede desviarse de la configuración descrita. El propósito principal de la transmisión 7 es aumentar la velocidad de rotación del generador 6 y, en consecuencia, reducir el par y las dimensiones del generador 6. Los engranajes 23, 24, 25 y sus cojinetes asociados 10, 11, 13, 43 están lubricados a presión. Para ello, se proporciona un sistema cerrado de lubricación y/o enfriamiento. Este sistema de lubricación y/o enfriamiento comprende unidades de filtración y bomba e incluye elementos de calentamiento eléctrico 44 que se discutirán más adelante y un intercambiador de calor 9.

En la Figura 2, el sistema de conversión de energía está configurado con un rotor interior 15 y un estator exterior 16. Sin embargo, el sistema de conversión de energía está diseñado para aceptar rotores tanto interiores como exteriores y la Figura 3 muestra una configuración alternativa con un rotor exterior 15 y un estator interior 16. Para facilitar el servicio y la capacidad de fabricación, se elige una dirección de flujo radial para permitir un fácil montaje y desmontaje del rotor 15 y el estator 16.

El sistema de conversión de energía 20 de la invención permite altas densidades de potencia en un recinto 8 relativamente compacto; por tanto, se aplica un método novedoso para enfriar los materiales activos del generador 6.

En la realización ilustrada, el estator 16 comprende un núcleo de placas laminadas 30 dispuestas entre placas extremas y montadas en un anillo de soporte 31. El estator 16 comprende además una pluralidad de ranuras circunferenciales 17 y devanados de estator 32 que están distribuidos uniformemente en dirección circunferencial. Cada placa de estator 30 comprende ranuras 17 y agujeros 18 perforados de tal manera que después de apilar y ensamblar las placas de estator 30, todas las ranuras 17 y agujeros 18 se alinean en dirección axial. Los orificios 18, que sirven para alojar un conjunto de enfriamiento, están situados radialmente hacia fuera de las ranuras 17 y cerca de sus fondos (Figura 4); esta ubicación se elige para minimizar el bloqueo de la ruta del flujo.

Durante el proceso de apilamiento, se insertan tubos de cerámica 33 en los orificios 18 para acomodar un conjunto de tubería de calor 34 en el conjunto final del sistema de conversión de energía 20. La longitud de los tubos de cerámica 33 es sustancialmente igual al grosor de los laminados apilados 30, incluidas las placas terminales. Durante el proceso de horneado y curado de los laminados 30, del que forma parte el tubo de cerámica 33, los tubos 33 se unen y solidifican con los laminados. El material cerámico se elige por sus excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, baja resistencia térmica y alta estabilidad térmica. Durante la producción y con el fin de calentar y curar los laminados 30, se aplicará calor desde el exterior; así como a través del tubo de cerámica 33 (mediante tuberías de calor). Este proceso es adecuado para cualquier forma de tubería; por ejemplo, se pueden insertar tubos redondos o rectangulares en los laminados 30 así como en la sección de la ranura. Por lo tanto, el estator 16 es especialmente adecuado para, entre otros, cableado aleatorio (redondo), cableado enrollado, devanados traslapados y devanados ondulados en máquinas tragamonedas, devanados de baja-media o alta tensión y no se limita solo a generadores eólicos.

Después de la producción del estator 16, que comprende un núcleo de estator laminado horneado y curado 30, tubería de cerámica 33, devanados separados circunferencialmente 32, impregnación y revestimiento de acabado, el estator está listo para ser montado en el generador 6 del sistema de conversión de energía 20. Dentro del recinto sellado 8, se monta una serie de tuberías de calor 34 separados circunferencial y uniformemente en la pared de fundición 35 que separa la sección de engranajes 36 de la sección del generador 37. Las tuberías de calor 34 están montadas en dirección axial y están alineadas con los tubos de cerámica 33 dentro de los laminados del estator 30; cada orificio 18 aloja un tubo de cerámica 33 para recibir un conjunto de tubería de calor 34.

Cada conjunto de tubería de calor 34 comprende una línea de suministro y una línea de retorno. La línea de suministro está formada por un tubo interior 49, mientras que la línea de retorno está formada por un espacio anular entre el tubo interior 49 y un tubo exterior metálico 50 (Figura 5). El tubo exterior 50 está cerrado en el extremo libre que sobresale del estator 16 y se opone a la pared de fundición 35. Los separadores de forma especial 51 están dispuestos entre los tubos interior y exterior 49, 50. La línea de retorno de cada tubería de calor 34 termina en el compartimiento húmedo 36 de la sección de engranajes (lado de baja presión). Los tubos interiores 49 del conjunto de tubería de calor 34 están conectados a través de una placa de restricción u orificio y una válvula central al lado presurizado y filtrado del sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión 7 (no mostrado en los dibujos). El aceite de engranajes que actúa como lubricante y refrigerante fluye a través del tubo interior 49 hasta el extremo cerrado de la tubería de calor 34 donde el flujo se invierte y, en consecuencia, hace que el aceite regrese a lo largo del tubo exterior 50 en la dirección de la transmisión 7 donde termina en el compartimento húmedo 36. Los separadores de forma especial 51 están diseñados para cambiar las capas límite laminares a lo largo de los tubos interior y exterior 49, 50 para permitir que el aceite para engranajes recoja la máxima cantidad de energía disipada. De esta manera, el sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión 7 también sirve para controlar la temperatura del generador 6.

Las tuberías de calor 34 están montados fijamente a la pared 35 en un lado y tienen extremos libres apuntando en dirección axial hacia el compartimiento del generador 37. El estator prefabricado 16 se monta en el recinto cerrado 8 deslizando el tubo de cerámica 33 sobre las tuberías de calor fijas 34. El estator 16 está conectado a receptáculos eléctricos 38 de un convertidor de potencia 39 que se describirá con más detalle a continuación.

La configuración apropiada del devanado y el tipo de cableado aplicado del estator dependen en gran medida de la aplicación final, la potencia nominal y el nivel de voltaje elegido de un enlace de salida de CC 56 que sirve para conectar la turbina eólica a la red eléctrica. En la práctica real, se utilizará al menos un sistema trifásico, y en la realización ilustrada de la Figura 6 se muestran dos sistemas trifásicos. El sistema de conversión de energía de la invención no excluye una pluralidad de sistemas trifásicos y/o configuraciones de estator segmentadas; sin embargo, la configuración preferida es un estator 16 no segmentado con al menos un sistema trifásico y una pluralidad de ranuras circunferenciales distribuidas uniformemente 17 y devanados del estator 32.

Como se muestra en la Figura 2 para un rotor interior y en la Figura 3 para un rotor exterior, el rotor 15 del presente sistema de conversión de energía 20 comprende una estructura de soporte radial ligera 28 montada en el eje 26. Esta estructura de soporte 28 lleva placas laminadas ranuradas (o estructura sólida) con barras conductoras 29 - en el caso de una máquina de inducción - o laminados (o estructura sólida) con imanes permanentes - en el caso de una máquina síncrona. El rotor 15 que tiene una jaula de barras conductoras 29 es actualmente la configuración preferida. Durante la fabricación o cuando se requiere servicio de campo, el rotor 15 puede insertarse o retirarse a través de un miembro deslizante bloqueable o una sección estriada 27. Aparte del enfriamiento por aire con aletas 47 y/o canales conductores de calor incrustados en los laminados, no se toman medidas especiales para el enfriamiento del rotor. El concepto de sistema de conversión de energía de la invención acepta la excitación mediante inducción o imanes permanentes. El generador 6 es una máquina multipolo con una pluralidad de barras 29 o imanes colocados circunferencialmente con una inclinación o forma de V y distribuidos uniformemente; el rotor 15 con barras de jaula es la topología preferida.

Un aspecto importante de la invención es la disposición del convertidor 39 sobre la estructura de soporte en la parte superior de la torre 2. En la realización ilustrada, el convertidor 39, que puede ser un convertidor basado en Modulación de Ancho de Pulso (PWM) multinivel, está integrado estructuralmente con el generador 6. El convertidor 39 ilustrado es un convertidor de cuatro cuadrantes completo capaz de impulsar (cuadrantes de motor) o cargar (cuadrantes de generador) el generador 6 del sistema de conversión de energía. El convertidor 39 está ubicado en el exterior del recinto sellado 8 adyacente a la sección de generador 37 pero aún conectado eléctricamente y montado físicamente en el sistema de conversión de energía 20, de modo que forma parte integral del mismo. El convertidor 39 incluye un disipador de calor 40 que está conectado directamente a un área mecanizada del recinto 8. Debajo de esta zona e incrustado en la fundición del recinto 8, está presente un canal de aceite en forma de laberinto o meandro 41 y conectado al lado presurizado del sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión 7. El otro extremo del canal de aceite 41 está conectado al lado de baja presión o al compartimento húmedo 36. De esta manera, el sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión también sirve para controlar la temperatura del convertidor 39. Al igual que con el estator 16, no fluirá aceite de engranajes a través del compartimiento del convertidor real; el sistema está cerrado y la presencia de aceite se limita al compartimento húmedo 36 de la transmisión 7 únicamente.

El aceite de transmisión que circula en el sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión se enfría en un intercambiador de calor exterior 9. En la realización ilustrada, este intercambiador de calor 9 está dispuesto en la parte superior de la góndola 3. Alternativamente, el intercambiador de calor 9 podría estar formado por un depósito 57 (ilustrado con líneas discontinuas en la Figura 1) lleno de un líquido y dispuesto en la torre 2 cerca de su parte superior. Este depósito 57, que podría ser anular para proporcionar una gran superficie expuesta a la atmósfera ambiental, podría servir también como amortiguador para amortiguar los movimientos oscilatorios de la torre 2.

Al disponer el convertidor 39 del sistema de conversión de energía 20 según la invención en la estructura de soporte en la parte superior de la torre 2, se ubica lo más cerca posible de los receptáculos 38 del estator 16. De esta forma se evitan las impedancias parasitarias u otras indeseables introducidas por largas interconexiones. En trenes de accionamiento convencionales que tienen un convertidor de potencia remoto, las bobinas del reactor se incorporan entre el generador y el convertidor de entrada para proporcionar amortiguación. Para el funcionamiento correcto de la presente combinación del generador 6 y el convertidor 39 se requiere una cierta cantidad predefinida de inductancia y amortiguación. Con ese fin, el estator 16 contiene un área 49 predefinida y designada para introducir la inductancia y amortiguación requeridas. En la realización ilustrada, esto se realiza proporcionando al estator de núcleo laminado 16 una parte de borde sólido 48. Cabe señalar que, aunque el dibujo esquemático de la Figura 6 muestra bobinas entre los generadores 6 y los convertidores 39, estas solo están destinadas a simbolizar la inductancia y la amortiguación proporcionada por la disposición específica del estator 6 que se muestra en la Figura 5.

El convertidor 39 está provisto de un sistema de control de convertidor que usa algoritmos sin sensor para determinar la posición del rotor 15 y el par. La inercia relativamente baja del rotor 15 en combinación con los algoritmos de control del convertidor mantiene el par dentro de un rango estrecho y finalmente extenderá la vida útil de los engranajes.

A partir de las descripciones y realizaciones mencionadas anteriormente, queda claro que la separación de una o más funciones eliminará la realización principal del sistema de conversión de energía de la invención, a saber: el alto nivel de integración, reducción de piezas y, en consecuencia, una mayor confiabilidad, incluida la capacidad de operar en condiciones extremas y en entornos hostiles. La funcionalidad combinada e integrada, como el gabinete sellado, el sistema de enfriamiento anexo de lubricación cerrado y multifuncional, la construcción del rotor tipo jaula extraíble, la construcción del estator extraíble, incluido el concepto de enfriamiento, inductancia y amortiguación adicionales y el convertidor, son las realizaciones preferidas del sistema inventivo de conversión de energía.

Otro aspecto de la invención es la provisión de elementos de calentamiento 44 que tienen una funcionalidad combinada. En caso de arranques en frío o cuando se requiere calentamiento adicional, la función principal de los elementos de calentamiento 44 es calentar el aceite de engranajes del sistema de lubricación y/o enfriamiento de la transmisión. Este aceite fluye a través de un compartimiento 45 que está conectado al compartimiento húmedo 36 de la transmisión 7 por un canal 19. Los elementos de calentamiento 44 sirven para elevar la temperatura del aceite hasta un intervalo de temperatura deseado. La otra función de los elementos de calentamiento 44 es servir como resistencias de frenado y disipar el exceso de energía en el aceite como resultado de paradas de emergencia, situaciones de conducción u otras condiciones en las que se requiere descargar energía. La duración de la descarga de energía está determinada por el aumento de calor permisible del aceite y la capacidad de enfriamiento de una unidad de enfriamiento del sistema de conversión de energía. Dependiendo de la aplicación, la potencia de entrada mecánica del sistema de conversión de energía, así como la velocidad de rotación, se pueden regular y, por lo tanto, la descarga de energía solo se requiere durante varios segundos para estabilizar el sistema. En el caso de la configuración preferida del sistema de conversión de energía, que incluye un generador de inducción 6 y un rotor de jaula 15, el rotor también puede absorber energía. Una vez que la aplicación (por ejemplo, turbina eólica, turbina mareomotriz) se ha estabilizado, pero aún desconectado de la red, los elementos de calentamiento 44 se pueden usar para crear una corriente de polarización para mantener estable el enlace de CC 56. En todos los casos en los que se requiera el uso de los elementos de calentamiento 44, los elementos de calentamiento 44 se alimentan a través de un circuito troceador 52 conectado directamente al enlace de CC 56.

El sistema de conversión de energía 20, que también incluye una fuente de alimentación auxiliar 53, puede mantener esta situación mientras esté disponible la potencia de entrada mecánica requerida. En la situación en la que la turbina que incluye el sistema de conversión de energía 20 todavía está desconectada de la red y las condiciones de entrada mecánica caen por debajo de la potencia nominal mínima requerida, el sistema 20 ya no puede mantener el enlace de CC 56 y su propio consumo de energía a través de la fuente de alimentación auxiliar 53. Cuando esto ocurre, el sistema de conversión de energía 20 se pondrá a sí mismo en un estado de hibernación utilizando la inercia giratoria restante como amortiguador de energía para apagarse; en consecuencia y después de alcanzar el estado de hibernación, el sistema de conversión de energía 20 ha dejado de funcionar. Cuando el enlace de CC 56 esté presente o presente de nuevo (después de una restauración de la red), un módulo de control 55 que controla el funcionamiento del sistema de conversión de energía 20 se pondrá en marcha y estará listo para aceptar órdenes de un sistema de control de gobierno.

En la realización ilustrada, la fuente de alimentación auxiliar está formada por un inversor 53 integrado que también está dispuesto en la estructura de soporte en la parte superior de la torre 2. La fuente de alimentación auxiliar 53 sirve para suministrar energía CA al equipo interior y exterior. En el caso de una turbina eólica, el equipo exterior comprende un sistema de guiñada, sistema de ángulo de paso, control de turbina, instrumentación e iluminación dentro de la turbina. El equipo interior comprende el módulo de control y diagnóstico 55, el control del convertidor e inversor, el módulo de comunicación 54 y el módulo troceador 52. Todo el equipo electrónico, excepto el convertidor de potencia 39, está ubicado en el compartimento de componentes electrónicos 46 integrado en la carcasa sellada 8 del sistema de conversión de energía 20.

El módulo de control 55 controla todas las funciones internas como se describe en esta aplicación. A través del módulo de comunicación 54, el módulo de control 55 comunica el estado del sistema de conversión de energía 20 y acepta comandos de un sistema exterior y de gobierno. Los comandos como demandas de energía y reconocimientos y otros controles y funciones de protocolo de enlace relacionados con el enlace de CC 56 serán manejados por el módulo de control 55. Basado en la potencia disponible en el eje de entrada 21 del sistema de conversión de energía 20 y la demanda de potencia dada a conocer por el sistema de gobierno, el módulo de control 55 maneja todas las operaciones internas de forma autónoma.

De la descripción antes mencionada de algunas realizaciones, queda claro que la invención proporciona un sistema de conversión de energía que tiene un alto nivel de integración, lo que resulta en una reducción del número de piezas y, en consecuencia, una mayor confiabilidad, incluida la capacidad de operar en condiciones extremas y en condiciones ambientales adversas. Aunque la invención se ha ilustrado con referencia a algunas formas de realización ejemplares, será evidente que no se limita a dichas formas de realización, sino que podría modificarse y adaptarse de muchas formas. El alcance de la invención está determinado únicamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Sistema (20) para convertir energía rotacional de un eje de entrada rotativo de movimiento relativamente lento (21), en particular el eje de una turbina eólica (1), turbina mareomotriz o turbina hidráulica, en energía eléctrica para ser suministrada a una red, que comprende:

una estructura de soporte para soportar un cojinete principal para el eje de entrada (21);

un generador (6) acoplado al eje de entrada (21) y dispuesto en la estructura de soporte;

una transmisión (7) dispuesta entre el eje de entrada (21) y el generador (6) para aumentar la velocidad de rotación y reducir el par; y

un convertidor de potencia (39) que está acoplado eléctricamente entre el generador (16) y la red, y que está dispuesto en la estructura de soporte;

caracterizado porque:

- el convertidor (39) está integrado estructuralmente con el generador (6);

- la transmisión (7) incluye un sistema de lubricación y enfriamiento; y

- el convertidor de potencia (39) y el generador (6) están acoplados cada uno al sistema de lubricación y enfriamiento de la transmisión para el intercambio de calor.

2. Sistema de conversión de energía (20) según la reivindicación 1, caracterizado porque el generador (6) comprende un estator (16) que incluye tuberías de calor (34) conectadas al sistema de lubricación y enfriamiento de la transmisión.

3. Sistema de conversión de energía (20) según la reivindicación 2, caracterizado porque cada tubería de calor (34) incluye una línea de suministro y una línea de retorno, un extremo de la tubería de calor (34) que está montado en la estructura fija (35) del generador (6) y conectado al sistema de enfriamiento y lubricación de la transmisión.

4. Sistema de conversión de energía (20) según la reivindicación 2 o 3, caracterizado porque el estator (16) está montado de forma desmontable en los extremos libres de las tuberías de calor (34).

5. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones de la 2 a la 4, caracterizado porque el estator (16) está dispuesto de manera que introduzca una cantidad predeterminada de inductancia y/o amortiguación, en donde preferiblemente el estator (16) tiene un núcleo que comprende placas laminadas (30) y una parte de borde macizo (48).

6. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el generador (6) es un generador de inducción y comprende preferiblemente un rotor tipo jaula (15) que se dispone de forma desmontable.

7. Sistema de conversión de energía (20) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una resistencia de frenado que está acoplada eléctricamente al generador (6) y está dispuesta en la estructura de soporte.

8. Sistema de conversión de energía (20) según la reivindicación 7, caracterizado porque la resistencia de frenado está operativamente acoplada al sistema de lubricación y enfriamiento de la transmisión.

9. Sistema de conversión de energía (20) según la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque la resistencia de frenado está dispuesta para estabilizar un enlace de salida de CC (56) que conecta el convertidor de potencia (39) a un inversor que alimenta la red.

10. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una fuente de alimentación auxiliar (53) que está acoplada eléctricamente al generador (6) y está dispuesta en la estructura de soporte.

11. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un intercambiador de calor (9) está acoplado al sistema de lubricación y enfriamiento de la transmisión.

12. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el generador (6), la transmisión (7), la resistencia de frenado y/o la fuente de alimentación auxiliar (53) están dispuestos en una carcasa sellada (8) sobre la estructura de soporte, y en donde preferiblemente una góndola (3) rodea la carcasa sellada (8) y la estructura de soporte.

13. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura de soporte está montada sobre una torre (2).

14. Sistema de conversión de energía (20) según las reivindicaciones 11 y 13, caracterizado porque el intercambiador de calor (9) comprende un depósito (57) lleno de un líquido y dispuesto cerca de la parte superior de la torre (3) para amortiguar los movimientos oscilantes de la torre (3).

15. Sistema de conversión de energía (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el convertidor de potencia (39) es un convertidor de cuatro cuadrantes completo capaz de accionar (cuadrantes de motor) o cargar (cuadrantes de generador) el generador (6).