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OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PARQUES EÓLICOS CGS-ENERGÍAS RENOVABLES.

ELEMENTOS DE CONTROL Y OPERACIÓN DE

AEROGENERADORES

Principales Elementos de los Aerogeneradores

Figura 1: Esquema Aerogenerador.

1. ROTOR.

Se encuentra unido al eje principal para la transmisión del giro, y se puede dividir en 3 partes diferenciadas.

Nariz: Es un elemento aerodinámico que se sitúa en frente de la dirección de viento sobresaliendo de la zona de unión entre las palas y el buje. Su misión consiste en redireccionar el viento de la parte frontal del rotor a los respiraderos de la góndola y a la vez evitar turbulencias en la parte frontal del rotor.

Buje: Es la pieza de unión entre las palas y el eje principal, y por lo tanto el transmisor de la fuerza del viento al interior de la góndola. La unión al eje debe ser de forma rígida, pero con las palas pueden darse dos caso. El primero si es un generador de tres palas, en cuyo caso la unión a las palas debe comportarse también rígidamente, en el caso de aerogeneradores bipala es necesario que la unión entre palas y buje permita una ligera oscilación de hasta tres grados respecto al plano normal del eje de rotación.

Palas: Las palas deben suelen ser fabricadas con materiales con gran resistencia estructural y a la fatiga para su correcto funcionamiento a lo largo de los 25 años de vida media que se supone a los aerogeneradores, teniendo en cuenta que estarán afectados de inclemencias climáticas, fuerte vientos y en los casos de aerogeneradores


offshore a salinidad. Además deben ser fácilmente mecanizables para dotarlas de un diseño aerodinámico que minimice las cargas sobre el resto de la estructura y capte eficazmente la fuerza del viento. Los materiales empleados para cumplir todas estas premisas son materiales compuestos de fibra de vidrio y epoxis o poliéster, fibra de carbono etc.

2. GONDOLA.

Es el chasis principal del aerogenerador, se sitúa en la parte superior de la torre y en su interior se encuentran los elementos eléctricos y mecánicos necesarios para convertir el giro del rotor en energía eléctrica. Se encuentra unida a la torre por una corona dentada para permitir la orientación del rotor al viento, y rotor y las palas por el eje principal que transmitirá la fuerza del viento al multiplicador y al motor sucesivamente. En su parte exterior lleva instalado un anemómetro y una veleta conectados a los sistemas de control de aerogenerador, y unos respiraderos para garantizar la refrigeración del motor. Se construyen en acero forjado y placas de fibra de vidrio.

3. MULTIPLICADORA.

El multiplicador es una caja de engranajes que convierte la baja velocidad de giro y alta potencia del eje principal en una velocidad de giro adecuada para el funcionamiento del motor a costa de la potencia. El giro se transmite del multiplicador a el motor mediante el eje secundario, de menor diámetro que el eje principal, de forma similar a como ocurría entre el rotor y la caja de engranajes con el eje principal.

El tren de potencia es el encargado de transmitir la energía producida por el giro del rotor al motor de una forma aprovechable por este para la generación de energía eléctrica. Esta formado por el eje principal, caja multiplicadora y eje secundario. El eje principal es una pieza tubular de acero macizo de gran diámetro, unido solidariamente al rotor y que gira a velocidades de entre 22 y 64 r.p.m., según el modelo de aerogenerador y las condiciones de operación. Sin embargo un motor estándar de generación eléctrica necesita velocidades de giro de entorno a las 1500 r.p.m., por lo que es necesario un multiplicador que aumente la velocidad de giro transmitida.

4. GENERADOR.

El generador convierte la energía mecánica producida por el rotor en energía eléctrica. Existen tres tipos de generadores:

1) Asíncrono (jaula de ardilla).

- Más sencillo de fabricación.

- Menor versatilidad.

- Necesita una sincronización suave a red (tiristores).

- No regula el factor de potencia, necesita etapas de condensadores.

2) Asíncrono con rotor bobinado.

- Permite inyectar y extraer energía del rotor.

- Al inyectar diferentes frecuencias al rotor se consigue poder generar a velocidades muy diferentes de la de sincronismo.

- Generador de velocidad variable (de 900 a 1500 r.p.m.).

- Al permitir la extracción de energía del rotor, se consigue generar hasta un 10% de la energía producida.

- Requiere sincronización a red antes de generar.

3) Síncrono (múltipolo).

- Control optimizado.

- No usa multiplicadora.


- Bajo deslizamiento.

- Reducción de tensión.

Suelen utilizarse generadores asíncronos de jaula de ardilla, junto con baterías de condensadores para mejorar su factor de potencia. La conexión a la red puede ser directa o indirecta a la red, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energía de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuación para volcar la energía en la red. En la forma directa de conexión, la propia red limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de mayor energía del viento.

5. SISTEMA DE GIRO Y ANGULACION.

Los sistemas de control en un aerogenerador tienen dos importantes cometidos, el primero es el aprovechamiento máximo de la fuerza del viento mediante la orientación del rotor, el segundo es la protección del aerogenerador ante velocidades de viento que podrían dañar la instalación.

Para el cometido de la orientación el aerogenerador cuenta con equipos anemométricos y de medida de la dirección del viento instalado sobre la góndola. Los datos recogidos pasan al ordenador de control que según un algoritmo determinado decidirá como deberá mover la góndola gracias al sistema de corona dentada y motor de giro instalados en la base de la góndola en su unión con la torre. Es necesario aclarar que el control sobre la orientación del rotor no se realiza a tiempo real, si no que el algoritmo, con los datos recogidos, debe ser capaz de garantizar que realmente el viento a cambiado de dirección de forma estable, antes de que se produzca el giro de la góndola, ya que en caso contrario daría lugar a un movimiento errático del sistema que reduciría su eficiencia.

En los casos que el viento ha superado la velocidad nominal de trabajo, en la que se alcanza la máxima potencia producida por el equipo, y llega a la velocidad de parada, existen dos métodos de control, para evitar que puedan producirse daños.

Activo: Mediante un dispositivo mecánico las palas giran el perfil enfrentado al viento cambiando su aerodinámica, por lo que para velocidades mayores de viento para las que están diseñadas a trabajar de forma óptima, aprovechan en menor medida, mediante el cambio de ángulo, la velocidad del viento, y la potencia suministrada y cargas inerciales permanecen en un rango de trabajo apropiados. Es el método más caro pero también es el que ofrece un mejor control.

Pasivo: En este caso las palas no poseen ningún tipo de mecanismo de variación del ángulo ofrecido al viento, si no que permanecen fijas al rotor en todo momento. En su lugar, las palas con este mecanismo de control se diseñan de tal manera que para velocidades demasiado elevadas del viento se producen turbulencias en la parte de la pala de baja presión, por lo que la diferencia de presiones entre un lado y otro de la pala disminuye. Es decir, pasado un límite de velocidad del viento, este disminuye la fracción de energía transmitida al movimiento de las palas por las turbulencias ocasionadas, rebajando la velocidad de giro del rotor. Este método de control es mucho más económico, pero menos exacto y eficiente que el activo, aun así, alrededor de dos tercios de los aerogeneradores instalados hoy en día utilizan este método.

6. SISTEMA DE REFRIGERACION.

Su función es evacuar el calor del generador y demás sistemas eléctricos junto con el de todas las partes vitales sometidas a rozamientos que por su trabajo, aunque estén bien lubricadas, el calentamiento podría provocar su degradación y posible avería.

7. TORRE.

La torre es la estructura que soporta a una determinada altura al mecanismo productor de electricidad del aerogenerador. Al elevar los componentes se consigue un aprovechamiento mayor de la fuerza del viento, pues a una mayor altura sobre el nivel del suelo mayor será su velocidad, y por lo tanto, también la velocidad de rotación de las palas. Su diseño suele consistir en un tronco cónico o tubular hueco de acero, en cuyo interior se alojan los equipos accesorios de suelo y se facilita un acceso seguro mediante una escalera a la góndola.


1. CONTROL DE POTENCIA EN AEROGENERADORES.

Los aerogeneradores están diseñados para producir energía eléctrica de la forma más barata posible. Así pues, están generalmente diseñados para rendir al máximo a velocidades alrededor de 15 m/s. Es mejor no diseñar aerogeneradores que maximicen su rendimiento a vientos más fuertes, ya que los vientos tan fuertes no son comunes.

En el caso de vientos más fuertes es necesario gastar parte del exceso de la energía del viento para evitar daños en el aerogenerador. En consecuencia, todos los aerogeneradores están diseñados con algún tipo de control de potencia. Hay dos formas de hacerlo con seguridad en los modernos aerogeneradores:

2.1 AEROGENERADORES DE REGULACIÓN POR CAMBIO DEL ÁNGULO DE PASO ("pitch controlled").

Figura 1: Cambio del ángulo de paso.

En un aerogenerador de regulación por cambio del ángulo de paso, el controlador electrónico de la turbina comprueba varias veces por segundo la potencia generada. Cuando ésta alcanza un valor demasiado alto, el controlador envía una orden al mecanismo de cambio del ángulo de paso, que inmediatamente hace girar las palas del rotor ligeramente fuera del viento. Y a la inversa, las palas son vueltas hacia el viento cuando éste disminuye de nuevo.

Así pues, las palas del rotor deben ser capaces de girar alrededor de su eje longitudinal (variar el ángulo de paso), tal y como se muestra en el dibujo.

Observe que el dibujo está exagerado: durante la operación normal, las palas girarán una fracción de grado cada vez (y el rotor estará girando al mismo tiempo).

El diseño de aerogeneradores controlados por cambio del ángulo de paso requiere una ingeniería muy desarrollada, para asegurar que las palas giren exactamente el ángulo deseado. En este tipo de aerogeneradores, el ordenador generalmente girará las palas unos pocos grados cada vez que el viento cambie, para mantener un ángulo óptimo que proporcione el máximo rendimiento a todas las velocidades de viento.

El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele funcionar de forma hidráulica.

2.2 AEROGENERADORES DE REGULACIÓN POR PÉRDIDA AERODINÁMICA ("stall controlled").

Los aerogeneradores de regulación (pasiva) por pérdida aerodinámica tienen las palas del rotor unidas al buje en un ángulo fijo.

Sin embargo, el perfil de la pala ha sido aerodinámicamente diseñado para asegurar que, en el momento en que la velocidad del viento sea demasiado alta, se creará turbulencia en la parte de la pala que no da al viento. Esta pérdida de sustentación evita que la fuerza ascensional de la pala actúe sobre el rotor.

Conforme aumenta la velocidad real del viento en la zona, el ángulo de ataque de la pala del rotor también aumentará, hasta llegar al punto de empezar a perder sustentación.

Si se mira con atención la pala del rotor de un aerogenerador regulado por pérdida aerodinámica observará que la pala está ligeramente torsionada a lo largo de su eje longitudinal. Esto es así en parte para asegurar que la pala pierde la sustentación de forma gradual, en lugar de hacerlo bruscamente, cuando la velocidad del viento alcanza su valor crítico.

La principal ventaja de la regulación por pérdida aerodinámica es que se evitan las partes móviles del rotor y un complejo sistema de control. Por otro lado, la regulación por pérdida aerodinámica representa un problema de diseño aerodinámico muy complejo, y comporta retos en el diseño de la dinámica estructural de toda la turbina, para evitar las vibraciones provocadas por la pérdida de sustentación. Alrededor de las dos terceras partes de los aerogeneradores que actualmente se están instalando en todo el mundo son máquinas de regulación por pérdida aerodinámica.


2.3 AEROGENERADORES DE REGULACIÓN ACTIVA POR PÉRDIDA AERODINÁMICA.

Un número creciente de grandes aerogeneradores (a partir de 1 MW) están siendo desarrollados con un mecanismo de regulación activa por pérdida aerodinámica.

Técnicamente, las máquinas de regulación activa por pérdida aerodinámica se parecen a las de regulación por cambio del ángulo de paso, en el sentido de que ambos tienen palas que pueden girar. Para tener un momento de torsión (fuerza de giro) razonablemente alto a bajas velocidades del viento, este tipo de máquinas serán normalmente programadas para girar sus palas como las de regulación por cambio del ángulo de paso a bajas velocidades del viento (a menudo sólo utilizan unos pocos pasos fijos, dependiendo de la velocidad del viento).

Sin embargo, cuando la máquina alcanza su potencia nominal, se observará que este tipo de máquinas presentan una gran diferencia respecto a las máquinas reguladas por cambio del ángulo de paso: si el generador va a sobrecargarse, la máquina girará las palas en la dirección contraria a la que lo haría una máquina de regulación por cambio del ángulo de paso. En otras palabras, aumentará el ángulo de paso de las palas para llevarlas hasta una posición de mayor pérdida de sustentación, y poder así consumir el exceso de energía del viento.

Una de las ventajas de la regulación activa por pérdida aerodinámica es que la producción de potencia puede ser controlada de forma más exacta que con la regulación pasiva, con el fin de evitar que al principio de una ráfaga de viento la potencia nominal sea sobrepasada. Otra de las ventajas es que la máquina puede funcionar casi exactamente a la potencia nominal a todas las velocidades de viento. Un aerogenerador normal de regulación pasiva por pérdida aerodinámica tendrá generalmente una caída en la producción de potencia eléctrica a altas velocidades de viento, dado que las palas alcanzan una mayor pérdida de sustentación.

El mecanismo de cambio del ángulo de paso suele operarse mediante sistemas hidráulicos o motores eléctricos paso a paso.

La elección de la regulación por cambio de paso es sobre todo una cuestión económica, de considerar si vale o no la pena pagar por la mayor complejidad de la máquina que supone el añadir el mecanismo de cambio de paso de la pala.

6. OTROS METODOS DE CONTROL DE POTENCIA.

Algunos aerogeneradores modernos usan alerones (flaps) para controlar la potencia del rotor, al igual que los aviones usan aletas para modificar la geometría de las alas y obtener así una sustentación adicional en el momento del despegue.

Otra posibilidad teórica es que el rotor oscile lateralmente fuera del viento (alrededor de un eje vertical) para disminuir la potencia. En la práctica, esta técnica de regulación por desalineación del rotor sólo se usa en aerogeneradores muy pequeños (de menos de 1 kW), pues somete al rotor a fuerzas que varían cíclicamente y que a la larga pueden dañar toda la estructura.


Generadores Síncronos y Asíncronos

INTRODUCCIÓN.

El generador convierte la energía mecánica producida por el rotor en energía eléctrica. Suelen utilizarse generadores asíncronos de jaula de ardilla, junto con baterías de condensadores para mejorar su factor de potencia, aunque también pueden utilizarse generadores síncronos y asíncronos de rotor bobinado. La conexión a la red puede ser directa o indirecta, dependiendo si la turbina trabaja a velocidad constante o variable. Trabajando conectado de forma indirecta a la red conseguimos aprovechar los picos de velocidad del viento, pero el generador produce energía de frecuencia variable por lo que se necesitan equipos de adecuación para volcar la energía en la red. En la forma directa de conexión, la propia red limita la velocidad de giro del generador, por lo que no aprovecha los picos de mayor energía del viento.

1. GENERADOR SINCRONO (multipolo).

El motor Síncrono es poco convencional y puede ser utilizado en grandes industrias para corrección de factor de potencia, en este caso, las velocidades del rotor y del estator tienden a igualarse, de ahí el nombre de Síncrono.

Figura 1: Generador Síncrono.

Ventajas y desventajas:

- Control optimizado.

- No usa multiplicadora.

- Bajo deslizamiento.

- Reducción de tensión.

- Necesita inversor.


2. GENERADOR ASINCRONO.

Un motor asíncrono es un motor convencional y se utiliza el término asíncrono, por que teóricamente la velocidad del rotor nunca puede alcanzar a la velocidad del estator (Desplazamiento).

Figura 2: Generador Asíncrono.

El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situado en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento).

El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre él en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magnético del estator, del mismo número de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reóstato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque.

En cualquiera de los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera unas corrientes inducidas en el rotor, que son las que producen el movimiento.

https://www.youtube.com/watch?v=731ppW4eFaE

https://www.youtube.com/watch?v=731ppW4eFaE


1) Asíncrono (jaula de ardilla).

Figura 3: Generador Asíncrono de jaula de ardilla.


- Más sencillo de fabricación.

- Menor versatilidad.

- Necesita una sincronización suave a red (tiristores).

- No regula el factor de potencia, necesita etapas de condensadores.


2) Asíncrono con rotor bobinado.

Figura 4: Generador Asíncrono de rotor bobinado.


- Permite inyectar y extraer energía del rotor.

- Al inyectar diferentes frecuencias al rotor se consigue poder generar a velocidades muy diferentes de la de sincronismo.

- Generador de velocidad variable (de 900 a 1500 r.p.m.).

- Al permitir la extracción de energía del rotor, se consigue generar hasta un 10% de la energía producida.

- Requiere sincronización a red antes de generar.


Tren de Potencia y Multiplicador

1. INTRODUCCION.

El multiplicador es el encargado de convertir las bajas revoluciones por minuto que transmite el buje en altas revoluciones por minutos que son las que necesita el generador para poder producir, consta de una serie de engranajes que en varias etapas (entre 3 y 4 etapas normalmente) aumenta la velocidad del eje cardán que une el eje de salida de la multiplicadora con el eje del generador. Por lo tanto, en su etapa de entrada suele tener entre 15-25 r.p.m. y entre 1200 y 1800 r.p.m. en la etapa de salida. Si usásemos un generador ordinario, directamente conectado a una red trifásica de CA (corriente alterna) a 50 Hz, con dos, cuatro o seis polos, deberíamos tener una turbina de velocidad extremadamente alta, de entre 1000 y 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.). Con un rotor de 43 metros de diámetro, esto implicaría una velocidad en el extremo del rotor de bastante más de dos veces la velocidad del sonido, lo que provocaría la rotura de la pala.

Otra posibilidad es construir un generador de CA lento con muchos polos. Pero si quisiera conectar el generador directamente a la red, acabaría con un generador de 200 polos para conseguir una velocidad de rotación razonable de 30 r.p.m.

Otro problema es que la masa del rotor del generador tiene que ser aproximadamente proporcional a la cantidad de par torsor (momento, o fuerza de giro) que tiene que manejar. Así que, en cualquier caso, un generador accionado directamente será muy pesado y caro.

La solución práctica y que está relacionada con los motores de automóviles, es la de utilizar un multiplicador. Con un multiplicador hace la conversión entre la potencia de alto par torsor, que obtiene del rotor de la turbina eólica girando lentamente, y la potencia de bajo par torsor, a alta velocidad, que utiliza en el generador.


En el multiplicador es donde se sitúa la mayor pérdida de rendimiento del aerogenerador. Para minimizar en lo máximo posible todo ello los engranajes suelen ir sumergidos en aceite lubricante y este mismo aceite se hace circular por un circuito que lo filtra, lo enfría y lo reparte por todos los elementos móviles. Este sistema de circulación consta de distintos elementos; Un grupo motobomba que lo hace circular por el circuito y que lo eleva hasta un intercooler que lo refrigera y que posteriormente lo pasa por un filtro con un sensor que alerta ante una alta cantidad de impurezas depositadas en él. Una serie de sensores miden las velocidades en distintos elementos, temperaturas, posiciones, etc.

Actualmente, las empresas punteras en el sector de los aerogeneradores están desarrollando distintas tecnologías (el generador múltipolo es la más fuerte de ellas) para prescindir de este elemento y así obtener un mayor rendimiento, minimizar averías, reducir el peso (este elemento suele pesar en torno de 15 TM en función de la potencia nominal del aerogenerador) y así rentabilizar antes el aerogenerador.

El acoplamiento entre multiplicador y generador es elástico, con capacidad de absorber desalineamientos en operación en continuo. El freno mecánico se monta sobre el eje rápido del multiplicador, y consiste en un disco, sobre el que actúa una pinza hidráulica, segura ante el fallo.

Figura 1: Multiplicadora.

2. FUNCIONES DEL MULTIPLICADOR.

- Transmitir la potencia de giro del rotor al generador para producir energía.

- Convierte el par de fuerza del rotor en aumento de las revoluciones.

- Multiplica las revoluciones dependiendo del diámetro de rotor. Mayor diámetro de rotor igual a mayor ratio de transformación.

- Adaptación evolutiva a la demanda.

3. MULTIPLICADORA TIPO PLANETARIO.

La multiplicadora tipo Planetario, es un tipo de multiplicador que se va imponiendo en la actualidad debido principalmente a las siguientes características:

- Alta relación de transformación.

- Varias multiplicaciones con un juego de engranajes.

- Menor espacio de trabajo y compacto.


- Soporta mayores cargas.

Figura 2: Multiplicadora tipo Planetario.

4. LUBRICACION DE LA MULTIPLICADORA.

Para el correcto funcionamiento de la multiplicadora esta debe estar siempre perfectamente lubricada ya que está formada por engranajes metálicos que al estar en movimiento, rozando con otros metales y soportando grandes esfuerzos tienden a calentarse y a degradarse, por lo que sin una correcta lubricación su vida útil se vería reducida drásticamente pudiendo provocar serías averías.

El sistema de lubricación dispone de una bomba que se encarga de:

- Recircular el aceite y lo distribuye por los conductos internos.

- Puede estar integrada o ser externa a la multiplicadora.

- Los engranajes también se lubrican por salpicadura.

El aceite se debe conservar en buen estado para ello ha de ser filtrado y refrigerado o calentado para que no pierda propiedades.

1) Sistema de filtrado en línea.

Los filtros de aceite están instalados en circuitos de refrigeración de aceite.

- Mejora la calidad del aceite.

- Evita daños mayores a la multiplicadora.

- Indica problemas de contaminación.


Figura 3: Sistema de filtrado en línea.

2) Sistema de filtrado fuera de línea.

- El filtro offline está instalado de apoyo al circuito de filtrado y refrigeración.

- El filtro offline es un circuito cerrado con su propia bomba y filtro.

- Filtración continúa incluso con máquina parada.

- Mayor poder de filtrado.

- Se obtiene una gran calidad de filtrado.

- Se alarga la vida de la multiplicadora y mejora la calidad del aceite.

- Menos contaminación al medio ambiente.

Figura 4: Sistema filtrado fuera de línea.

3) Sistema de caldeo.

La multiplicadora está equipada con elementos de calefacción.

- La viscosidad del aceite puede ser muy alta a bajas temperaturas.


- El aceite con alta viscosidad es difícil de recircular y puede causar daños a la bomba.

- La resistencia calientan el aceite y bajan la viscosidad a un nivel que es posible recircular bien.

Figura 5: Sistema de caldeo.

4) Sistema de refrigeración.

La multiplicadora está equipada con sistemas de refrigeración del aceite encargados de mantener la temperatura en sus valores correctos para evitar que este pierda propiedades y deje de trabajar en las condiciones correctas.


Estados de funcionamiento y control de un aerogenerador

El aerogenerador está normalmente en modo automático. De todas formas, durante el mantenimiento y la puesta en servicio es necesario operar manualmente o semi-automáticamente la planta (por ejemplo, algunas señales del sistema tienen que ser introducidas manualmente).

Los estados de funcionamiento temporales solamente pueden estar activos durante un tiempo máximo. Después de que el máximo tiempo se ha sobrepasado, se comienza la desconexión debido a que hay que suponer que hay un fallo en el sistema.

Sin embargo, la duración durante el funcionamiento estacionario no está limitado. La planta permanece en este estado mientras se cumplan todas las condiciones de funcionamiento normal. En los siguientes diagramas se muestra la estructura y los mensajes correspondientes.

En todos los estados de funcionamiento, las condiciones de operación normal deben ser comprobadas continuamente. Solamente el cambio de una condición puede provocar el cambio a parada (stop), apagado (shut-down), desconexión debido a fallo (fault- disconnection) o parada de emergencia (emergency-disconnection). No obstante, para el inicio de los estados pausa o conexión, todas las condiciones deben ser validadas.

Comprobación del aerogenerador (estado temporal)

Después de la puesta en servicio del sistema de control, se comprueban y guardan las variables

monitorizadas, de control y las que puedan afectar al sistema. El esquema 2 muestra la estructura del test

del parque y refleja los mensajes más importantes.

Las salidas de todos los subsistemas se comprueban que corresponden al modo paro (standstill) y se

comprueba que todos los actuadores funcionan. Para comprobar los actuadores, se activan y se mide con

los sensores la respuesta. Si ocurre algún error, éste se graba y se interrumpe el proceso hasta que el

error ha sido subsanado y la planta se ha desbloqueado manualmente.

Todos los componentes de la planta y sus límites deben ser comprobados en todos los estados de

funcionamiento. El sistema de gestión del aerogenerador comprueba el funcionamiento correcto de todos

los sistemas (por ejemplo, que las temperaturas están dentro de los rangos de funcionamiento).

Si la verificación de la planta ha sido positiva, la planta cambia al estado de funcionamiento siguiente; de

otra forma continua comprobando el sistema hasta que se cumplen las condiciones para desbloquear la

central: que un operario pulse un botón, rearme después de una parada de emergencia, tensión en la red

eléctrica y dentro de los márgenes, funcionamiento de los componentes, temperaturas y valores límite. En

tal caso, el aerogenerador muestra el mensaje “System OK” o similar.

Paro (estado estacionario)

El estado de paro en el parque se caracteriza porque todos los aerogeneradores tienen el rotor bloqueado,

con los frenos activados. Las palas de los aerogeneradores están en posición bandera (en caso de que las

máquinas tengan palas móviles o aerofrenos en la punta). La góndola se orienta según la dirección del

viento. Si los cables que van dentro de la torre están enrollados, se desenrollan si la velocidad de viento no

es excesiva. El generador eléctrico se desconecta y por último se comprueba que se cumplen las

condiciones necesarias para que el aerogenerador esté “listo para producir”. Si todas las condiciones se

cumplen, se produce el cambio al estado “pausa” o “en espera”. Al igual que durante la comprobación del

aerogenerador, los mensajes “fallo de la alimentación eléctrica”, “enrollamiento de cables” se caracterizan

por su número de fallo.


Inicio

“Start”

1

Comprobación del

aerogenerador

STOP STOP: Test AE No

negativo

¿Test OK?

Sí Test OK

aerogenerador

¿Parada de

emergencia en

curso?

No

Sí

Parada de

emergencia en

curso

¿Parada por

fallo en curso?

Sí Parada por falta

en curso

¿Funcionamiento

manual?

No

Sí

Comprobación del

aerogenerador

¿Comprobar

orientación de

góndola?

No

¿Comprobar

sistema de ajuste

de paso de pala?

Sí Test del sistema de

orientación de

góndola

Test del sistema de Sí posicionamiento del

paso de pala

No

¿Rotor

bloqueado? NO STOP: Rotor girando.

Sí

¿Frenos de giro

de la góndola

activados?

No STOP: Frenos de la

góndola sin bloquear

Sí

¿Palas en

posición

bandera?

No Las palas no están en

posición bandera

Sí

¿Botón para pasar

a módo automá-

tico pulsado?

No Falta orden para pasar

a modo automático.

Sí

2

PARO

Estructura de la comprobación inicial del aerogenerador.


Pausa o espera (estado estacionario)

Cuando el aerogenerador está sin carga, el control se encarga de que la máquina evolucione desde el estado de paro (con el rotor bloqueado) hasta que las palas del aerogenerador alcancen una velocidad predeterminada.

En este estado, el viento es el responsable de acelerar las palas. Si la máquina puede regular el ángulo de paso de palas (pitch), éstas pasan de posición bandera (del estado de paro) hasta un ángulo determinado por el sistema de control para que el par de giro del rotor sea máximo. Además, algunos aerogeneradores tienen la opción de que un operario realice manualmente un arranque motorizado (es decir, haciendo funcionar el generador como motor).

En el estado de pausa o espera todos los componentes del aerogenerador están listos para producir energía. La velocidad del rotor está dentro de un rango determinado por el sistema de control a través del control de paso de pala (pitch). El generador no está todavía conectado a la red eléctrica.

Si el estado de espera perdura un largo periodo se muestra un mensaje, y si continúa todavía más (por ejemplo, un día) se vuelve a comprobar el aerogenerador. En este estado, la góndola se orienta automáticamente.

Al igual que en el resto de estados, las condiciones para desconexión por fallo y parada manual se comprueban ininterrumpidamente y en caso de que ocurran, se inician las rutinas adecuadas para gestionarlas.

Reiniciación “starting” (estado temporal)

Se puede llegar a este estado si el viento disminuye y el control decide que el aerogenerador deje de producir energía.

La velocidad es continuamente comprobada en esta secuencia y la góndola se puede orientar según el viento. Tan pronto como se alcanza la velocidad mínima para pasar al “estado de espera”, el aerogenerador cambia a este estado.

Conexión (estado temporal)

Si la velocidad de viento es suficientemente elevada, el control hará que el rotor gire a una velocidad adecuada para conectar el generador a la red eléctrica. Antes de conectar el generador, se realiza una comprobación adicional del convertidor de frecuencia (en caso de que lo haya). Se aumenta unos grados el paso de pala para que no se produzcan sobrevelocidades por una racha en el instante de conexión ni que debido a una pequeña disminución del viento se produzca una conexión fallida. Cuando la velocidad de giro para la conexión es óptima, el generador y el convertidor de frecuencia se conectan a la red de alimentación y comienza la producción de energía eléctrica. El aerogenerador pasa entonces al funcionamiento a carga parcial y se muestran mensajes informativos en el aerogenerador.


5

Conexión

Pausa

8

Parada 9

Desconexión por

viento excesivo Sí

(promediado)

Parada Sí manual

υviento > υmax

No

¿Botón de paro

pulsado?

Test aerogenerador

Parada

S.A.

9

Desconexión por Sí un fallo

Modo pausa activa- Sí do manualmente

No

¿Parada debida a

fallo?

No

¿Botón de pausa

pulsado?

No

No ncrit-∆nr<n<ncrit+∆nr

Sí

n’ > ncrit’ No

Sí

Parada 9

Periodo de conexión

completado sin

llegar a sincronizar

Tiempo de cone-

xión sobrepasado

No No

Sí

¿Sincronización

iniciada?

Sí

Inicia la sincronización

e inicia la

temporización

¿sincronización No

completada?

Sí

6

Funcionamiento a

carga parcial

Figura 3: Diagrama del proceso de conexión del aerogenerador.

.


En la siguiente figura, podemos ver la evolución del paso de palas o pitch (línea roja), velocidad del generador (línea verde) y potencia del generador (línea negra). La potencia se mide en kW, el paso de palas en grados y la velocidad del generador en revoluciones por minuto (tomando como origen 1262 rpm)

En la figura 4, podemos ver que la máquina se acelera antes de la conexión y el paso aumenta ligeramente para que la fuerza de sustentación de las palas (y por tanto, el par de giro) sea menos sensible a fluctuaciones de la velocidad de viento. Tal como se ve en la gráfica 5, si el viento aumenta en ese instante, la velocidad específica λ disminuye al igual que la eficiencia aerodinámica de la pala Cp y el rotor no se embala. Si el viento disminuye, λ aumenta la eficiencia del perfil aumenta y se compensa.

Coeficiente de potencia frente a velocidad específica

Punto de

funcionamiento

durante la conexión (por debajo del

máximo).

Vientos más fuertes Vientos más suaves

Figura 5: Coeficiente de potencia frente a la velocidad específica para un valor

dado de paso de pala.


La velocidad específica λ es la relación entre la velocidad de la punta de la pala y la velocidad del

viento (cuando la velocidad de viento aumenta, como el rango de velocidades de giro de las palas

es pequeño, λ disminuye y la curva hay que analizarla con el eje horizontal “al revés” de lo que cabría

pensar a primera vista). El coeficiente de potencia eléctrico Ce es la energía eléctrica extraída del viento dividido

por la energía que contiene el viento.

Funcionamiento a carga parcial (estado estacionario)

Durante el funcionamiento a carga parcial, el generador vierte energía a la red. El ángulo de la pala se ajusta según las condiciones de cada instante para alcanzar los valores óptimos. Normalmente, no se puede obtener una medida directa de la velocidad de viento ya que el anemómetro del aerogenerador está situado en la cola de la góndola el flujo de aire está perturbado por las palas y la propia góndola.

Tampoco es viable tomar la velocidad de una torre meteorológica puesto que la distribución de viento puede

cambiar en unas decenas de metros debido a efectos locales (obstáculos, efectos sombra de otros

aerogeneradores, etc). Además un anemómetro siempre nos va a dar una medida puntual, mientras que

las palas del aerogenerador barren un área que puede superar los 2.000 m2

, desde unos metros 20 m por

encima del terreno hasta 80 m o más.

Para el buen funcionamiento de la regulación de un aerogenerador es fundamental tener una medida fiable de la velocidad de viento. Normalmente, el sistema de control estima el viento (propiamente dicho, el contenido energético del viento en el área barrida por las palas) según la velocidad de giro de las palas. En realidad, la estimación óptima del viento puede requerir conocer varios parámetros como el paso de palas, anemómetro de cola, potencia producida, etc. y puede utilizar técnicas de inteligencia artificial.

Si la velocidad de viento se incrementa suficientemente, el aerogenerador automáticamente cambia al estado estacionario “funcionamiento a plena carga”.

Durante el funcionamiento a carga parcial, la regulación de la velocidad y de la potencia vertida a la red eléctrica ocurre a través del convertidor de frecuencia del generador. El sistema calcula el valor de velocidad de giro según la curva característica potencia- velocidad del generador y la torre continúa orientándose automáticamente.

El subsistema de control del paso de palas funciona como parte del sistema de seguridad, accionando

los frenos del rotor si existe algún problema.


∆

Funcionamiento a

carga parcial

Pausa 8

Parada 9

Desconexión por

viento insuficiente

Parada

manual

Sí υ

viento<υcut-in

No

Sí ¿Botón de paro

pulsado?

No

Test aerogenerador

Pausa

Pausa

S.A.

8

8

Desconexión por Sí

un fallo

Modo pausa activa- Sí

do manualmente

Aceleración máxi- Sí

ma sobrepasada

¿Parada debida a

fallo?

No

¿Botón de pausa pulsado?

No

n’ > 0,1 nN/s

No

Test aerogenerador

S.A.

Variación de po- Sí tencia sobrepasada

P’ > 100 kW/s

No

Parada 9

Velocidad genera- No dor muy baja o alta

no-∆nr<n<no+∆nr

Sí

No Sí

n>no+∆nvb

No

no- nvb

Sí

Reduce la potencia y el

momento resistente

Incrementa la potencia

y el momento

resistente

No υ

viento>υTLmax

Sí

7

Funcionamiento a

plena carga

Figura 7: Diagrama del funcionamiento a carga parcial.


La mayoría de las aeroturbinas que actualmente funcionan a velocidad variable, utilizan generadores de inducción de rotor bobinado. Con vientos bajos, la máquina gira por debajo de la velocidad de sincronismo, siendo necesario inyectar corrientes en el rotor para que la máquina de inducción funcione en modo generador. Con velocidades de viento elevadas, el conversor extrae potencia del rotor y se alcanzan velocidades por encima de la nominal. Esta variación de la velocidad favorece el rendimiento aerodinámico de las palas.

Existen características del viento que afectan al comportamiento de la máquina, como la constancia en la dirección del mismo, la turbulencia, etc. La turbulencia afecta reduciendo el rendimiento aerodinámico de las palas y aumentando las vibraciones. Repentinos cambios en la dirección provocan esfuerzos en la torre y en la corona de giro de la góndola. Es conveniente notar que la góndola ha de girar lentamente para evitar fuerzas giroscópicos excesivas.

En las figuras 8, 9 y 10 se puede ver las grandes fluctuaciones que presenta la velocidad puntual del viento medido con un anemoveleta (un sensor que combina un anemómetro de tipo hélice sobre un eje vertical que hace las veces de veleta, según se puede ver en la figura 11)

Figura 11: Sensores para medir la velocidad y dirección del viento.

Funcionamiento a plena carga (estado estacionario)

Si la velocidad del viento es suficientemente alta, el aerogenerador pasará de funcionar a carga parcial a plena carga. En este estado, el sistema de control ajusta los valores de referencia para velocidad de giro nominal con un margen de fluctuación y de la potencia generada. La velocidad de giro y la potencia son reguladas ajustando el paso de pala.

Durante la operación a plena carga, se puede regular la frecuencia del convertidor para mantener la potencia producida y el par mecánico del generador o ajustarlos según las cargas mecánicas. Las fluctuaciones de la salida de la turbina producen, por tanto, pequeños cambios en la velocidad. La velocidad de giro se mantiene, gracias al control del paso de las palas, dentro del rango de funcionamiento estable del generador.

El rango de oscilación de la velocidad de giro está ajustado con un margen de reserva que permite pequeñas sobrecargas debido a ráfagas y a la vez, hace posible que la regulación del paso de palas no tenga que ser tan rápida, alargando la vida útil de este sistema. Por ejemplo, si la velocidad de viento es 26 m/s y la velocidad programada de desconexión es 25 m/s (90 km/h), esa velocidad se tendrá que mantener unos minutos hasta que el control decida desconectar el generador por excesivo viento. Sin embargo, si la velocidad supera 30 m/s, la desconexión será casi inmediata.

La sobrecarga del sistema debe ser, no obstante, de limitada duración (dependiendo del comportamiento térmico del todo el sistema). Las condiciones del abandono de este estado son comprobadas continuamente y la góndola se orienta automáticamente.


Funcionamiento a

plena carga

Parada 9

Parada por falta en Sí

suministro eléctrico

¿red eléctrica

desconectada?

No

Test aerogenerador

Test aerogenerador

S.A.

S.A.

Parada por velocidad Sí

de giro muy baja

Parada por velocidad Sí

de giro muy alta

n < 0,9nN

No

n > 1,1nN

No

Parada 9 Parada por velocidad Sí

de viento excesiva υviento> υVLmax

No

Parada 9

Parada 9

Parada por tempera- No tura fuera de rango

Parada Sí

manual

¿temperatura dentro

de limites?

Sí

¿botón de paro

pulsado?

No

Test aerogenerador SA

Desconexión debida Sí

a fallo en proceso

¿desconexión

debida a fallo?

No

Pausa 8

Modo pausa activa- Sí

do manualmente

¿botón pausa

pulsado?

No

Parada 9 Aceleración máxi- Sí

ma sobrepasada

n’ > 0,1 nN/s

No

Parada 9 Variación de poten- Sí

cia sobrepasada

P’ > 100 kW/s

No

Parada 9 Potencia inadmi- Sí

siblemente alta

P > 1,15 PN

No

No n < 0,95 nN

Sí

Funcionamiento a

carga parcial 6

Viento insuficiente Sí

para funcionamiento

a plena carga

No υviento<υVLmax

Figura 12: Diagrama del funcionamiento a plena carga.


Figura 13: Paso de palas (pitch) frente a velocidad de giro del rotor. Cada punto

representa el valor medio durante un minuto.

Figura 14: Paso de palas (pitch) frente a velocidad de viento (medida en una torre

meteorológica a 40 m del aerogenerador).

En los aerogeneradores de paso fijo, el desprendimiento de la capa límite con vientos altos

provoca una bajada de la eficiencia aerodinámica del perfil y de esta forma se consigue

limitar la potencia entregada a red.

OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PARQUES EÓLICOS CGS-ENERGÍAS

RENOVABLES.

7.1.7 Cambio a pausa (estado temporal)

Durante el funcionamiento a carga parcial o total y durante la conexión, debe ser

posible en cualquier circunstancia apagar el aerogenerador y llevarlo al estado

de espera. Por este motivo, después de que los valores han sido ajustados por el

sistema de control, la potencia de salida del generador se reduce a través del control

de frecuencia del convertidor y la velocidad de giro es reducida por el

servomecanismo de control de ángulo de paso hasta alcanzar la posición de

bandera.

En ese momento, los valores de las variables del aerogenerador permiten que el

generador sea desconectado de la red eléctrica.

Después de una desconexión concluida con éxito, el aerogenerador vuelve al

estado de espera.

7.1.8 Cambio a parada (estado temporal)

Desde cualquier estado de funcionamiento, debe ser posible parar el

aerogenerador. El funcionamiento durante la parada es similar al de la pausa, salvo

que en este caso se toman medidas más enérgicas para detener y desconectar el

aerogenerador en un menor tiempo.

Cuando la velocidad de giro ha caído por debajo de un mínimo, se activan los

frenos del rotor y el giro de la góndola también es bloqueado. Después de la parada,

el sistema vuelve al estado de paro.

7.1.9 Desconexión debida a fallo (temporal)

La desconexión por la existencia de un fallo se realiza de forma similar a la parada.

El sistema de control, no obstante, puede imponer acciones más drásticas. Este

procedimiento puede activar los frenos con velocidades de giro más altas que la

parada.

7.1.10 Desconexión de emergencia (temporal)

Una desconexión de emergencia puede ser provocada por una parada normal

cuando ésta no es posible. Este procedimiento dura mientras el aerogenerador no

se pare completamente. Puede ser activado por el sistema de control o por

un sistema de seguridad del aerogenerador. Dado que una parada de emergencia

puede darse incluso a velocidades extremas de viento, todos los sistemas

de frenado deben estar dimensionados para parar la máquina de una forma

segura. El método más seguro, pero que impone mayores esfuerzos mecánicos, es

la activación abrupta de los frenos y el sistema hidráulico del paso de palas. El

rotor se bloquea tan pronto como deja de girar.

Después de una desconexión de emergencia, el aerogenerador no puede volver a

funcionar hasta el desbloqueo manual de la máquina.


RENOVABLES.

Esquema de un parque eólico A continuación vemos un esquema generar de un parque eólico

Aunque lo más habitual es que cada aerogenerador incorpore un transformador de media tensión. Este transformador eleva desde los 690V o 1000V de tensión de salida del alternador del aerogenerador, hasta los 20 kv. El esquema unifilar sería el siguiente:


RENOVABLES.

Puesta en marcha de un Aerogenerador La puesta en marcha de un aerogenerador, fase que engloba todas aquellas actividades necesarias para, una vez que la máquina está completamente montada, ponerla en marcha. Se comprobará que todos los materiales instalados coinciden con los admitidos por la Dirección facultativa. Se comprobará que la instalación eléctrica (línea subterránea de MT, centros de seccionamiento y subestación) ha sido terminada, correcta y completamente. ENSAYOS Y PRUEBAS

Después de efectuado el reconocimiento, se procede a realizar, por parte del contratista, las siguientes pruebas u ensayos de acuerdo con lo indicado en proyecto y el Pliego de Condiciones Técnicas: - Aerogeneradores:

Comprobar mediante las pruebas adecuadas que cada aerogenerador funciona correctamente y de forma segura. Las pruebas a realizar para cada aerogenerador incluirán como mínimo:

Una prueba del funcionamiento continuo, un mínimo de 6 horas.

Una prueba de niveles de vibración.

Funcionamiento correcto en caso de corte de línea para evitar sobrevelocidad

Funcionamiento correcto del sistema de orientación y de frenos.

Pruebas de aislamiento.

- Sistema eléctrico

Las pruebas de puesta en marcha del sistema eléctrico se realizarán como mínimo sobre los siguientes componentes eléctricos de la instalación:

Cableados celdas de MT y líneas de evacuación.

Transformadores.

Sistema de protección y relés.

Toma de tierra. Se comprobará que la instalación alcanza los requerimientos y normativa especificados para la conexión a la red eléctrica. Sistema de control

Las pruebas del sistema de control y regulación incluirán las puestas en marcha normales, las pruebas necesarias para comprobar que el sistema cumple las condiciones descritas en las especificaciones técnicas.

Funcionamiento y puesta en marcha de todos los sistemas.

Pruebas de arranque y parada en distintos instantes de funcionamiento.

Pruebas de las medidas de protección, seguridad y alarma.

Revisión de toda la documentación generada. Así mismo, realizará las siguientes comprobaciones:

Medida de aislamientos de la instalación.

Protección contra sobretensiones y cortocircuitos.

Empalmes, se comprobarán la seguridad de conexiones.

Medición de los niveles de aislamiento de la instalación de puesta a tierra. ENERGIZACIÓN Y PUESTA EN SERVICIO.

La puesta en servicio del parque eólico se realizará en dos fases, una provisional o de prueba por un periodo máximo de 12 meses, en la que se irán conectando a la red los escalones de potencia que se establezcan, y otra de puesta en servicio definitiva una vez garantizada la estabilidad del sistema eléctrico al que se conecte.


RENOVABLES.

La fase de prueba se puede desarrollar en varias etapas. En estas etapas se procederá a la comprobación, ajuste y regulación de todos los equipos de generación, transformación, protección, interconexión, medida y comunicación. EQUIPOS NECESARIOS PARA LA EJECUCIÓN DE LAS PRUEBAS.

Medidor de aislamiento: (megóhmetro) instrumento para la medida del aislamiento eléctrico

en alta tensión. El nombre de este instrumento, megóhmetro, deriva de que la medida del aislamiento de cables, transformadores, aisladores, etc se expresa en megohmios ( MΩ )

Medidor de toma de tierra:


RENOVABLES.

Analizador de redes: Estos analizadores de redes eléctricas son aparatos multifunción que miden con gran precisión la corriente continua, la corriente alterna, la intensidad de corriente DC, la intensidad de corriente AC y la potencia. Así mismo, nos permiten visualizar formas de ondas, tanto as principales como los armónicos.

Anemómetro:

ELEMENTOS DE CONTROL Y OPERACIÓN DE …€¦ · Esta formado por el eje principal, caja...

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