UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS E T S ICircuito entrada al inversor La turbina funciona a una velocidad de giro variable. Así pues, la turbina generará corriente alterna de frecuencia

ÍNDICE DE LA MEMORIA

I

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

Índice de la memoria

Parte I Memoria .......................................................................................... 8

Capítulo 1 Introducción ................................................................................... 9

1.1 Motivación del proyecto .................................................................................. 9

1.2 Objetivos......................................................................................................... 10

1.3 Metodología / Solución desarrollada ........................................................... 12

Capítulo 2 La energía eolica .......................................................................... 13

2.1 Introducción a la energía eolica ................................................................... 13

2.2 Ventajas de la energía eólica ........................................................................ 13

2.3 Inconvenientes de la energía eólica .............................................................. 14

2.4 Actualidad de la energía eólica ..................................................................... 15

2.5 La energía eólica marina............................................................................... 17

Capítulo 3 El Generador ................................................................................ 20

3.1 Introducción ................................................................................................... 20

3.2 Generadores de imanes permanentes .......................................................... 21

3.3 Generadores de imanes permanentes de flujo radial ................................. 22

Capítulo 4 Convertidor ................................................................................... 23

4.1 Introducción ................................................................................................... 23

4.2 Tecnología de baja tensión vs tecnología de media tensión ....................... 23

4.3 Elección del convertidor................................................................................ 23


II




4.4 Funcionamiento ............................................................................................. 23

4.5 Caracteristicas del convertidor .................................................................... 23

4.6 Datos del convertidor ACS800-77LC .......................................................... 23

Capítulo 5 Protecciones .................................................................................. 29

5.1 Introducción ................................................................................................... 29

5.2 Elección de las protecciones .......................................................................... 30

5.3 Protecciones ante falta fase fase. Funcionamiento y ajustes ...................... 31

5.4 Protecciones ante falta fase tierra. Funcionamiento y ajustes ................... 37

5.5 Protecciones ante falta fase debidas a sobrefuncionamientos

Funcionamiento y ajustes.............................................................................. 40

5.6 Protecciones ante falta debidas a mal funcionamiento. Funcionamiento y

ajustes ............................................................................................................. 45

5.7 Transformadores de medida ........................................................................ 51

Capítulo 6 Transformador y circuito de salida de potencia .......................... 57

6.1 Introducción al transformador .................................................................... 57

6.2 Ventajas del transformador seco encapsulado ........................................... 57

6.3 Elección del transformador .......................................................................... 59

6.4 Partes del transformador .............................................................................. 60

6.5 Caracteristicas del transformador ............................................................... 63

6.6 Circuito de salida de potencia ...................................................................... 65

Capítulo 7 Circuitos electricos de orientación, paso y frenado .................... 67

7.1 Introducción al sistema de orientación ........................................................ 67

7.2 Sistema de orientación .................................................................................. 69

7.3 Sistema de paso .............................................................................................. 73

7.4 Sistema de frenado ........................................................................................ 80


III




Capítulo 8 Cableado ....................................................................................... 82

8.1 Generador-Convertidor-Transformador de distribución ......................... 82

8.2 Transformador de distribución-Base del aerogenerador .......................... 85

8.3 Alimentación de los motores del sistema de orientación ............................ 89

8.4 Aliementación de los motores del sistema de paso ...................................... 91

Capítulo 9 Anexos ........................................................................................... 93

Bibliografía ..................................................................................................... 138

Parte II Presupuesto ................................................................................. 140

Capítulo 1 Presupuesto ................................................................................. 141

ÍNDICE DE LAS FIGURAS

IV




Índice de figuras

Figura 1.Potencia total de energía eólica en el mundo1¡Error! Marcador no

definido.

Figura 2.Potencia eólica instalada en cada país .................................................... 16

Figura 3.Reparto de la potencia producida en España .......................................... 17

Figura 4.Esquema generador de imanes permanente de flujo radial ..................... 22

Figura 5.Sistema de rectificación .......................................................................... 25

Figura 6.Rectificador ............................................................................................. 26

Figura 7.Inversor ................................................................................................... 26

Figura 8.Esquema del sistema de protecciones ..................................................... 30

Figura 9.Protección diferencial ............................................................................. 32

Figura 10.Curva característica de la protección diferencial .................................. 32

Figura 11.Protección de sobreintensidad ............................................................... 34

Figura 12.Protección de distancia ......................................................................... 35

Figura 13.Zonas de la protección de distancia ...................................................... 36

Figura 14.Ajuste de la protección de distancia ...................................................... 36

Figura 15.Efecto sobreintensidad .......................................................................... 38

Figura 16.Protección tierra estartor 100% Diferencial 3º armónico ..................... 39

Figura 17.3º armonico en condicones normales y en condicones de falta ............ 40

Figura 18.Sobrecargas térmicas según el tipo de sobrecorriente .......................... 41

Figura 19.Protección de sobretensión ................................................................... 43

Figura 20.Protección de sobrefrecuencia .............................................................. 44

Figura 21.Corrientes de secuencia directa y secuencia inversa ............................. 45

Figura 22.Protección de secuencia inversa ............................................................ 46

Figura 23.Protección de potencia inversa .............................................................. 47


V




Figura 24.Curva característica protección perdida de excitación .......................... 47

Figura 25.Ajuste de la protección de pérdida de excitación .................................. 48

Figura 26.Curva característica protección perdida de excitación .......................... 49

Figura 27.Ajuste de la protección de pérdida de excitación .................................. 49

Figura 28.Curva de un transformador de medida de 30 VA ................................. 53

Figura 29.Dimensiones exactas de los transformadores TRP 140, TRP 180 ¡Error!

Marcador no definido.5

Figura 30.Transformador de medida de tensión 700/110 V¡Error! Marcador no

definido.6

Figura 31.Núcleo magnético del transformador .................................................... 60

Figura 32.Devanado de alta tensión del transformador ......................................... 61

Figura 33Devanado de baja tensión del transformador ......................................... 62

Figura 34.Dibujo acotado del transformador de tipo seco encapsulado ................ 64

Figura 35.Celda compacta del circuito de salida del transformador ..................... 65

Figura 36.Sistema de orientación .......................................................................... 68

Figura 37.Dos de los ocho motores del sistema de orientación ............................ 70

Figura 38.Procedimientos de orientación .............................................................. 72

Figura 39.Protección de los motores del sistema de orientación .......................... 74

Figura 40.Motores eléctricos del sistema de paso ................................................. 76

Figura 41.Proteciones del sistema de paso ............................................................ 78

Figura 42.Comparación de la regulación del paso de palas variable y fijo ........... 80


VI




Índice de las tablas

Tabla 1.Datos del convertidor ............................................................................... 28

Tabla 2. Precisión del transformador de medida . ¡Error! Marcador no definido.2

Tabla 3.Caraterísticas técnicas del transformador¡Error! Marcador no

definido.4

Tabla 4.Dimensiones, peso, clase del transformadro TRP 180¡Error! Marcador

no definido.5

Tabla 5.Características del transformador ............................................................. 63

Tabla 6.Características de la celda de salida del transformador ............................ 66

Tabla 7.Caracteríticas de los motores del sistema de orientación ......................... 70

Tabla 8.Especificaciones de los motores de paso .................................................. 76

Tabla 9.Características del cable generador-convertidor-transformador .............. 82

Tabla 10.Caraterísticas del cable de distribución .................................................. 85

Tabla 11.Características del cable del sistema de orientación .............................. 89

Tabla 12.Características del cable del sistema de paso ......................................... 91

Tabla 13.Mediciones y precios unitarios ............................................................. 142

Tabla 14.Sumas parciales .................................................................................... 144

Tabla 15.Presupuesto general .............................................................................. 146


VII




Introducción

8




Parte I MEMORIA

Introducción

9




Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

.

1.1 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

Durante los últimos años muchos ingenieros se han dedicado al estudio de nuevas

fuentes de energía que exploten recursos inagotables, las energías renovables.

Cada vez tienen una mayor importancia en el reparto energético mundial y

apuntan a ser un elemento clave en la generación eléctrica.

La energía renovable que más se ha desarrollado es la energía eólica, contando

con los mayores niveles de crecimiento a nivel mundial. Se ha convertido en uno

de los sistemas de generación más rentables.

La energía eólica consisten en aprovechar la fuerza del viento para la generación

de electricidad mediante aerogeneradores. Estos aerogeneradores ubicar en la

tierra (eólica terrestre) o en el mar adentro (eólica marina).

La principal ventaja del emplazamiento marino está en que el viento marino es

más intenso, con lo que se produce una mayor cantidad de energía en menos

tiempo.

Tiene un coste de instalación mayor que la eólica terrestre, pero por otra parte

tiene una mayor vida útil. Los costes de cimentación y anclajes han disminuido de

manera considerable durante los últimos años, con lo que se está convirtiendo en

una energía más competitiva.

Introducción

10




En el mar la velocidad del viento no sufre grandes variaciones, ya que se

encuentra en una superficie sin obstáculos; esto permite instalar torres más bajas.

La turbulencia del viento es una característica fundamental, a menor turbulencia

mayor periodo de trabajo útil del aerogenerador. En el mar el viento es menos

turbulento que en la tierra, ya que las diferencias de temperatura a distintas

altitudes que se producen en el mar son inferiores a las que se producen en la

tierra.

Mi gran interés por la energía eólica y el auge que está experimentando

actualmente son los motivos principales que me han llevado a elegir este tema

para mi proyecto de fin de carrera.

1.2 OBJETIVOS

Introducción a la energía eólica y a los generadores basados en imanes

permanentes

Estado actual de la energía eólica en el mundo, y en concreto en España.

Comentar cuales son las ventajas y desventajas del uso de esta energía, y analizar

la energía eólica marina en concreto.

Explicar el funcionamiento de los generadores basados en imanes permanentes, en

concreto los de flujo radial, ya que el sistema eléctrico que se va a estudiar es para

un aerogenerador de imanes permanentes flujo radial. Justificar la elección de la

frecuencia de trabajo del generador, así como el porqué se ha prescindido de la

multiplicadora.

Introducción

11




Circuito entrada al inversor

La turbina funciona a una velocidad de giro variable. Así pues, la turbina generará

corriente alterna de frecuencia variable.

La corriente alterna de frecuencia variable no puede ser tratada en la red eléctrica,

por tanto, deberemos rectificarla, es decir, convertirla a corriente continua (CC).

Esta conversión puede hacerse utilizando tiristores o grandes transistores de

potencia.

Inversor y protecciones

Una vez rectificada la corriente alterna de frecuencia variable, convertiremos la

corriente continua (fluctuante) a corriente alterna de frecuencia fija, exactamente

la misma frecuencia que la red eléctrica. Dicha conversión la haremos usando un

inversor.

El sistema de protecciones nos garantiza el correcto funcionamiento del generador

ante condiciones anómalas.

Transformador y circuito de salida de potencia

La clase de corriente alterna que se obtiene de un inversor no tiene nada que ver

con una suave curva sinusoidal. En lugar de eso, lo que se tiene es una serie de

saltos bruscos en la tensión y en la corriente.

Las formas de onda rectangulares pueden ser suavizadas utilizando las

inductancias y condensadores apropiados (filtrado de corriente alterna). Sin

embargo, la apariencia más o menos dentada de la tensión no desaparece

completamente.

Introducción

12




Circuitos eléctricos de orientación, paso y frenado

Hay varios sistemas de orientación, vamos a usar el más común de todos ellos:

orientación mediante motor. Para dicho sistema es necesario una veleta que da la

dirección del viento a un transductor y este a su vez a un motor eléctrico que hace

girar la góndola del molino adaptándose al viento.

El principal inconveniente de este sistema es su complejidad además del consumo

de energía por el motor y los posibles fallos de funcionamiento de este. Es una de

las mayores fuentes de problemas por parte del mantenimiento del aerogenerador.

Además hay que añadir los posibles errores debidos a los movimientos rápidos de

la veleta y que esta pueda deteriorarse.

Las principales ventajas son su facilidad de control, posibilidad de vigilancia

remota y toma de datos. Además la adaptación a la variabilidad del viento es muy

rápida.

1.3 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA

Habrá que buscar todos los aparatos necesarios para montar el sistema eléctrico:

convertidor, transformador de distribución, protecciones y transformadores de

medida, tanto de intensidad como de tensión. Para ello habrá que ver cuáles son

las especificaciones técnicas necesarias para nuestro sistema eléctrico, ponerse en

contacto con los fabricantes, comparar los productos ofrecidos por cada uno de

ellos y elegir el que más nos convenga (comparando precios y características) .

La energía eólica

13




Capítulo 2 LA ENERGÍA EÓLICA

2.1 INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA EÓLICA

Energía eólica es la energía obtenida del viento, es decir, la energía cinética

generada por efecto de las corrientes de aire, y que es transformada en

electricidad.

La energía eólica es un recurso abundante, renovable, limpio y ayuda a disminuir

las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar termoeléctricas a base

de combustibles fósiles, lo que la convierte en un tipo de energía verde. Sin

embargo, el principal inconveniente es su intermitencia.

2.2 VENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA

La energía eólica tienes dos ventajas principales: que explota un recurso

inagotable como es el viento, y que no contamina, ya que no consume

combustibles fósiles.

Es una de las fuentes de energía mas baratas, pudiendo competir con otras fuentes

de energía como las centrales térmicas de carbón, que es considerada la fuente de

energía con el combustible más barato.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Viento

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_cin%C3%A9tica

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_renovable

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_verde

La energía eólica

14




Desde el punto de vista medioambiental generar energía eléctrica sin consumir

combustibles es un procedimiento limpio que carece de problemas de

contaminación.

Es una energía que evita la necesidad de instalar líneas de abastecimiento y

elimina la contaminación que conlleva el transporte de combustibles como el gas,

petróleo, carbón o gasoil.

Al contrario que otras fuentes de energía no produce gases tóxicos, ya que no

requiere una combustión que produzca dióxido de carbono, por lo que no

contribuye al incremento del efecto invernadero ni al cambio climático.

Por otra parte, al no necesitar ningún combustible evita la dependencia de los

gobiernos extranjeros que los proporcionan.

2.3 INCONVENIENTES DE LA ENERGÍA EÓLICA

El principal inconveniente de la energía eólica es su intermitencia, por lo que es

necesario suplir las bajadas de tensión eólicas "instantáneamente" (aumentando la

producción de las centrales térmicas), pues si no se hace así se producirían, y de

hecho se producen apagones generalizados por bajada de tensión. Este problema

podría solucionarse mediante dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica.

Pero la energía eléctrica producida no es almacenable: es instantáneamente

consumida o perdida.

Otro inconveniente este desde el punto de vista estético es que los parques eólicos

producen un impacto visual inevitable. En este sentido, la implantación de la

http://es.wikipedia.org/wiki/Combusti%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Di%C3%B3xido_de_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_invernadero

La energía eólica

15




energía eólica a gran escala puede producir una alteración clara sobre el paisaje,

que deberá ser evaluada en función de la situación previa existente en cada

localización.

2.4 ACTUALIDAD DE LA ENERGÍA EÓLICA

En la actualidad, el sector eólico se muestra como uno de los sectores energéticos

con un mayor crecimiento a nivel mundial. A final de 2009, la potencia instalada a

en todo el mundo era de 159.213 MW., con un crecimiento del 31,7% con

respecto al año anterior, y se espera que a final del año 2010 sea de 203.500MW.

Desde 2001, existe una tendencia duplicarse la capacidad existente cada tres años,

como se muestra en el siguiente gráfico:

Figura 1.Potencia total de energía eólica en el mundo

La potencia instalada prevista para finales del 2010 es de 203.500MW, como

podemos observar en la siguiente tabla la predicción no va por mal camino.

La energía eólica

16




También se puede ver cómo queda distribuida esta potencia instalada en todo el

mundo.

Figura 2.Potencia eólica instalada en cada país.

Los países que encabezan el sector eólico a nivel mundial son Estados Unidos,

China, con un 20,7% y un 19,3% de la capacidad mundial, respectivamente.

Además, son los países con un mayor crecimiento en el último año en este terreno.

En cuanto a Megavatios instalados les sigue muy de cerca Alemania con un 15%.

España se encuentra en cuarto lugar con 19.500MW instalados, lo que supone un

11,1% del total. Hoy en día, como se puede apreciar en el siguiente grafico, la

energía eólica representa el 21% de la energía producida en nuestro país lo que

demuestra la importancia de este sector en nuestro país.

La energía eólica

17




Figura 3. Reparto de la potencia producida en España

2.5 LA ENERGÍA EÓLICA MARINA

La principal ventaja de la energía eólica marina es que las fuerzas del viento se

pueden aprovechar mejor en mar debido a sus condiciones.

En la actualidad los parques offshore se sitúan en aguas poco profundas, alejados

de las rutas marinas comerciales, de los emplazamientos militares y de los

espacios de interés natura. La distancia de la costa debe ser como mínimo de dos

kilómetros para aprovechar mejor el régimen de vientos, de características

diferentes a los que llegan a tierra.

En un principio, los anclajes de los aerogeneradores se efectuaban con

hormigón a través de la cimentación por gravedad, es decir, con la construcción

en un dique seco de grandes estructuras que después se fijaban en el

emplazamiento elegido y se rellenaban con grava y arena. Un diseño posterior, el

monopilote, consiste en una perforación del lecho marino a una profundidad de 10

a 20 metros, en la que se introduce un gran cilindro metálico que sirve de base a la

La energía eólica

18




torre. Los parques eólicos se conectan a tierra por cables submarinos completa o

parcialmente enterrados, para reducir el riesgo de daños ocasionados por equipos

de pesca, anclas, etc. En zonas estratégicas del parque se colocan, entre otras

instalaciones de servicio, centros de transformación que convierten la baja o

media tensión en alta para favorecer así el transporte hasta la costa. Una vez en

tierra, tan sólo falta conectar la línea eléctrica con la red de distribución existente.

El retraso de la puesta en marcha de la energía eólica marina se debe a unos

mayores costes de construcción, operación y mantenimiento actuales de los

parques eólicos en el mar. Al igual que la producción de energía, son superiores

que los de los parques terrestres. Además, la falta de infraestructuras eléctricas

que puedan aprovechar la energía producida es otro factor fundamental.

Para la instalación de un parque eólico marino se requiere una esmerada

localización. Hemos de tener en cuenta que si duplicamos la velocidad del viento,

podemos multiplicar por ocho la energía generada (por depender ésta de la

velocidad del viento al cubo). Por ello, las empresas instaladoras de un parque

eólico ponen mucha atención para situar los aerogeneradores en aquellos lugares

que, respetando todas las variables medioambientales propias del lugar, sean

lugares de mucho viento.

A la hora de elegir el emplazamiento, lo cual afectará a su distancia a la costa,

los principales aspectos a tener en cuenta son los siguientes:

Cambios en la hidrodinámica y en los procesos sedimentarios.

Conservación de la naturaleza: áreas protegidas o candidatas, presencia de

especies y hábitats protegidos, de especial interés o vulnerables, rutas

migratorias, efectos acumulativos y sinérgicos.

La energía eólica

19




Conservación del paisaje.

Conservación del patrimonio cultural: patrimonio arqueológico sumergido.

Recursos y actividades pesqueras, acuicultura marina.

Existencia de yacimientos de arena explotables para la conservación del

litoral.

Existencia de títulos que habilitan para la ocupación del dominio público

marítimo – terrestre.

Seguridad y eficiencia en la navegación.

Seguridad de la aviación.

A nivel mundial, Europa se encuentra como líder indiscutible y prácticamente

en solitario en el terreno de la energía eólica marina. Fuera del continente, tan solo

China y Japón disponen de aerogeneradores marinos, con unas potencias

instaladas de 23 y 1 MW, respectivamente.

España es ya el segundo país de Europa en potencia eólica instalada en tierra

firme y el cuarto en el mundo. Sin embargo, a pesar de tener casi 5.000 Km. de

costa y un viento que en el mar más fuerte y constante, no cuenta con ninguna

instalación para la producción de eólica marina.

Este retraso se debe principalmente a la dificultad en la ubicación de los

aerogeneradores, que es un elemento clave. Con la tecnología disponible en la

actualidad, la profundidad en la que se pueden instalar los molinos no debe

superar los 20 metros. Este factor limita a unos pocos lugares la colocación de los

parques offshore. La plataforma continental del litoral español se caracteriza en

general por su estrechez: a cuatro kilómetros de la costa ya hay más de 50 metros

de profundidad.

El Generador

20




Capítulo 3 EL GENERADOR

3.1 INTRODUCCIÓN

En este proyecto se va a diseñar el sistema eléctrico para un generador síncrono de

imanes permanentes de flujo radial de 5MW de potencia.

En los aerogeneradores marinos, al ser la velocidad del viento mucho mayor, la

potencia generada también lo será. Por el contrario, esto puede acarrear problemas en

cuanto a los esfuerzos, y la multiplicadora va a ser el elemento mecánico que más

sufra sus efectos. Para evitar tener que realizar constantes mantenimientos para su

arreglo, en el que no se dispondrá del aerogenerador, se propone en este proyecto la

conexión directa turbina eólica-generador eléctrico. En consecuencia, el generador

funcionará a baja velocidad, variable y con un gran par, lo que provocará que la

máquina sea de elevado diámetro y gran cantidad de polos. En este caso en particular,

el generador tendrá una potencia de 5 MW y una velocidad de 10 rpm.

También se tomó la decisión de realizar la máquina para producir intensidad a una

frecuencia distinta a la de la red: 30 Hz. Como en el caso de estas máquinas en las

que la velocidad de entrada es variable, vamos a tener que usar un convertidor a la

salida, no tiene importancia reducir la frecuencia. Con esta reducción, se van a tener

menos números de polos.

El Generador

21




3.2 GENERADORES DE IMANES PERMANENTES

Hoy en día existen generadores de este tipo de hasta 5 y 6 MW.

Los generadores síncronos de imanes permanentes se caracterizan por la forma

en la que generaran el campo inductor en el rotor. Al contrario de los

convencionales, excitados por corriente continua, la excitación se realiza mediante

imanes permanentes. De esta manera, se evitan los problemas de acceder al rotor

mediante escobillas y anillos rozantes, que acarrean problemas de mantenimiento.

Al igual que los generadores síncronos convencionales, generan a tensión y

frecuencia variable, por lo que es necesario instalar un sistema de rectificación

para proporcionar potencia a la red a su tensión y frecuencia. Por ello, irán

conectados a la red a través de los convertidores.

Este tipo de máquinas se caracterizan por una mayor robustez y por tener un

tamaño menor. Constructivamente está compuestas por los mismos materiales que

el resto de maquinas, a diferencia de los imanes permanentes, que son el material

de mayor coste. Una de las ventajas a tener en cuenta es el gran control de la

potencia reactiva a través del sistema de rectificación.

En función de cómo se cree el campo en el rotor, existen tres configuraciones

posibles: flujo radial, flujo axial y flujo transversal.

El Generador

22




3.3 GENERADORES DE IMANES PERMANENTES DE FLUJO

RADIAL

Se puede considerar que esta máquina es la más común de los diferentes tipos de

máquinas de imanes permanentes que existen, por ellos también se le puede

conocer con el nombre de generador síncrono de imanes permanentes

convencional. Se trata de un generador que tiene flujo radial en el entrehierro y

flujo longitudinal en el estator. Mecánicamente tiene un funcionamiento parecido

a la máquina síncrona. Los bobinados están dispuestos de la misma manera y en el

rotor están dispuestos los imanes.

Para una mejor compresión se muestra la siguiente muestro a continuación un

esquema de esta máquina, donde se ven los imanes en color azul dispuestos a lo

largo de la longitud axial para producir un campo radial:

Figura 4. Esquema generador de imanes permanentes de flujo radial.

Convertidor

23




Capítulo 4 CONVERTIDOR

4.1 INTRODUCCIÓN

Los aerogeneradores con una potencia superior a las 2MW son en su mayoría de

velocidad variable. Para aplicaciones offshore, donde los bajos requisitos de

mantenimiento son fundamentales, la mejor solución es un generador de imanes

permanentes. Las turbina eólicas cuyo generador síncrono se excita con un imán

permanente tienen que conectarse a la red eléctrica mediante un convertidor

completo.

4.2 TECNOLOGÍA DE BAJA TENSIÓN VS TECNOLOGÍA DE

MEDIA TENSIÓN

Se sabe que la tecnología de baja tensión tiene un coste eficiente en niveles bajos

de potencia, mientras que la tecnología de media tensión es más eficiente en

aplicaciones de más potencia. El límite entre estas tecnologías depende de la

aplicación.

Los principales inconvenientes de la tecnología de baja tensión con niveles de

potencia altos son:

Para potencias altas la solución es conectar varios convertidores en

paralelo, lo que supone que el convertidor ocupe más espacio.

Cable de tamaño más grande entre el generador y el convertidor,

que se ve reflejado en los costes.

Convertidor

24




Posicionar el convertidor y el transformador dentro de la góndola,

sus dimensiones y peso aumentan considerablemente complicando

la estabilidad mecánica.

4.3 ELECCIÓN DEL CONVERTIDOR

Como nuestro generador es de 5MW lo más eficiente sería elegir un convertidor

de media tensión, pero debido a las especificaciones del generador síncrono:

tensión 690V, se deberá usar un convertidor de baja tensión.

Después de contactar con algunas empresas y comparar los convertidores que

ofertaban se ha tomado la decisión de poner dos convertidores en paralelo, ya que

los convertidores ofertados en su mayoría no tienen 6MW.

Se ha considerado que la solución más rentable es montar dos convertidores

ACS800-77LC de 3.1MW de la marca ABB. Para tomar esta decisión se han

valorado las prestaciones que nos aportan los distintos equipos y si se ofrece un

buen diseño para conectar los convertidores paralelo.

Se debe elegir un convertidor cuya corriente nominal sea igual o superior a la

corriente del generador dando potencia nominal.

La corriente del generador a potencia nominal es de 4183 A. El convertidor debe

soportar un 20% más de la corriente nominal en permanencia (5019A). Al estar

Convertidor

25




dos convertidores en paralelo irán 2509 A por cada uno, y como la máxima

corriente del convertidor es 3394 A no nos supondrá ningún problema.

4.4 FUNCIONAMIENTO

Su función es conectar el generador a la red. La turbina genera corriente alterna a

frecuencia variable, que mediante un rectificador convertimos en corriente

continua. Una vez rectificada la corriente dicha corriente convertiremos la

corriente continua a corriente alterna de frecuencia fija (la de la red, 50Hz)

mediante un inversor. El rectificador y el inversor están unidos por un enlace en

continua.

Figura 5. Sistema de rectificación

El rectificador y el inversor están formados por dos puentes trifásicos reversibles.

Están compuestos por semiconductores IGBT (Integrated Gate Bipolar

Transistor).

Para su funcionamiento no se necesita un flujo de potencia bidireccional, sin

embargo este flujo bidireccional es el que permite situar el rotor de la turbina en

cualquier posición. Con el freno hidráulico podríamos mantener una posición

exacta para comprobar los alabes o el sistema de ajuste de paso.

Convertidor

26




Figura 6. Rectificador

Figura 7.Inversor

El enlace de corriente continua está protegido por una unidad limitadora de

tensión para que la turbina funcione adecuadamente en el caso que se produzca

una avería en la red.

De esta forma se consiguen evitar las oscilaciones de par en la turbina durante

una perturbación en la red.

Convertidor

27




4.5 CARACTERÍSTICAS

Una característica importante de este tipo de convertidores es que no necesitan un

equipo de compensación de potencia reactiva auxiliar ya que son capaces de

inyectar y absorber potencia reactiva de la red, controlando así la conexión a red.

Cuando se producen fallos en la red eléctrica el convertidor es capaz de

proporcionar toda la corriente reactiva, garantizando así un funcionamiento sin

interrupciones. Esto se debe a que el inversor no puede alimentar la potencia

activa del generador a la red porque se produciría una sobretensión en el enlace de

corriente continua y la descarga del generador al activarse sus protecciones.

La unidad que limita las sobretensiones en el enlace de corriente continua se

denomina "chopper de frenado". Si se detecta una sobretensión se permite el paso

por una resistencia para disipar la potencia y que la turbina siga funcionando.

Gracias a esta unidad el generador no ve variar su corriente, por lo que no actúan

sus protecciones y sigue funcionando.

Convertidor

28




4.6 DATOS DEL CONVERTIDOR ACS800-77LC

ACS800-77LC

Tensión nominal 690 V

Corriente nominal máxima 3394 A

Potencia nominal máxima 3100 kW

Grado de protección IP54

Altura 2000 mm

Anchura 2800 mm

Profundidad 600 mm

Masa 2500 Kg

Refrigeración Por líquido

Tabla 1. Datos del convertidor

Protecciones

29




Capítulo 5 PROTECCIONES

5.1 INTRODUCCIÓN

Los generadores son máquinas eléctricas rotativas que tienen limitaciones

eléctricas, mecánicas y térmicas. En ocasiones está sometido a situaciones que

superan dichas limitaciones, al ser una parte del equipo cara e importante se debe

proteger.

Las protecciones del generador debe:

Proteger al generador ante defectos internos

Proteger a la red ante defectos internos

Proteger generador ante defectos en red

Cuantas más protecciones instalemos más caro será el sistemas eléctrico,

pero mejores serán las condiciones de funcionamiento, algo que es importante en

maquinas de alta potencia y elevado coste.

Protecciones

30




5.2 ELECCIÓN DE LAS PROTECCIONES

Las protecciones a instalar van en función de la potencia del generador, a mas

potencia mas protecciones.

Para el sistema de protecciones se ha decidido instalar el sistema de protecciones

G60 de General Electrics que cuenta con todas las protecciones necesarias

acordes con la potencia de nuestro generador.

A continuación se muestra un esquema del sistema de protecciones.

Figura 8.Esquema del sistema de protecciones

Protecciones

31




Estas protecciones se clasifican en los siguientes grupos:

Protecciones ante Falta Fase-Fase

Protecciones ante Falta Fase-Tierra

Protecciones ante Sobrefuncionamientos

Protecciones ante Mal funcionamiento

5.3 PROTECCIONES ANTE FALTA FASE FASE.

FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES .

En este apartado se va a explicar el funcionamiento de las protecciones más

importantes ante faltas fase fase.

Se van a especificar los ajustes de arranque y temporización, y las actuaciones en

caso de que salte la protección.

Las faltas entre fases en estator son graves, provocan sobrecorrientes por el

asilamiento y la chapa magnética, esfuerzos mecánicos y torsión en devanados, y

torsiones en el rotor. Por estas circunstancias se precisa de un sistema selectivo y

rápido.

La protección principal para este tipo de faltas es la protección diferencial (87G).

Protecciones

32




Protección Diferencial (87G)

Funcionamiento

Se instala un relé en cada fase y la zona protegida está definida entre los

transformadores de intensidad.

Figura 9. Protección diferencial

Solo debe actuar ante faltas internas, faltas entre los transformadores de

intensidad. Esta selectividad se consigue mediante su curva característica.

Figura 10. Curva característica de la protección diferencial

Protecciones

33




Ante una falta interna se produce un aporte propio del generador (I1) y un aporte

de la red a la falta (I2), y estas intensidades se suman en la bobina diferencial. Se

entra en zona de actuación.

Ante un falta externa se produce un aporte del generador a la falta (I1 = I2), y las

intensidades se restan en la bobina diferencial. No se entra en zona de actuación.

Si la falta externa es próxima puede llegar a saturar algún transformador de

intensidad, dando menos corriente de secundario que la correspondiente de

primario. Para conseguir selectividad se incluye una pendiente de frenado.

Ajustes

Iarranque 20% In = 1,2*5020 A = 6024 A1º que corresponden a:

6024A1º * 5/5000A2º = 6,2 A2º

Tiempo 25mseg

Actuaciones

Desacoplar el Grupo I=0

Parada de Grupo

Contraincendios

La protección de respaldo son las protección de sobreintensidad (51G) (51P) y la

protección de distancia (21P).

Protecciones

34




Protección de Sobreintensidad (51G)(51P)

Detecta sobreintensidades en devanados del estator por faltas entre fases

(protección de respaldo de la diferencial de generador), y sobreintensidades por

faltas externas.

La sobreintensidad daña devanados por sobretemperatura que deteriora el

aislamiento, pudiendo perforarse, y por esfuerzos electromecánicos en las barras.

En condiciones de falta, además daña la chapa magnética.

Funcionamiento

Se toman intensidades de fase, protegiendo todo el embarrado de generación y

parte del transformador principal.

Figura 11.Protección de sobreintensidad

Ajustes


5522A1º*5/5000 = 5,52 A2º

Tiempo 1seg

Actuaciones


Parada de Grupo

Protecciones

35




Protección de Distancia (21P)

Vigila la impedancia de fase, detectando faltas entre fases (protección de respaldo

de la diferencial de generador), y faltas fase tierra.

La sobreintensidad daña devanados por sobretemperatura que deteriora el

aislamiento, pudiendo perforarse, y por esfuerzos electromecánicos en las barras.

En condiciones de falta, además daña la chapa magnética.

Funcionamiento

Es protección de respaldo de la diferencial de generador, más selectiva que la de

sobreintensidad, protege todo el embarrado de generación y la mayoría del

transformador principal.

Hay varias de ajustarla, en el caso del equipo de protección elegido el ajuste es el

siguiente:

Figura 12.Protección de distancia

Protecciones

36




Figura 13.Zonas de la protección de distancia

Ajustes

Zb = 0.09522 Ω

X''d = 0.2 pu= 0.01904 Ω1º que corresponden a:

0.01904 Ω1º *110/700*5000/5 = 2.99 Ω2º

Xcc = 0.1 pu = 0.009522 Ω1º que corresponden a:

0.009522 Ω1º *110/700*5000/5 = 1.49 Ω2º

Figura 14. Ajuste de la protección de distancia

Protecciones

37




Actuaciones


Parada de Grupo

5.4 PROTECCIONES ANTE FALTA FASE TIERRA.

FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES .


importantes ante faltas fase tierra.



La conexión de una fase a tierra es la falta más habitual a pesar de la mejora de

aislamientos. Produce dos efectos sobreintensidad y sobretensión en fases sanas.

La sobrecorriente circula por el paquete magnético, produciendo daños en el

mismo que son proporcionales a la energía liberada. Si no se despeja la falta la

sobretensión entre fases sanas puede derivar en una falta entre fases.

Protecciones

38




Figura 15.Efecto sobreintensidad

La protección principal para este tipo de faltas es la protección tierra estator

(64TN).

Protección Tierra Estator (64TN)

Normalmente la protección tierra estator basta con que detecte faltas fase tierra en

el 95% del devanado estatórico, limitando el tiempo de la duración de la falta se

reducen los daños por sobrecorrientes en la chapa magnética y las sobretensiones

en fases sanas.

En máquinas grandes o de coste elevado se debe vigilar el 100% del devanado del

estator. Hay tres tipos de relés que cumplen esta misión:

Por mínima tensión de 3º armónico

Por inyección de una señal codificada

Diferencial de 3º armónico

Protecciones

39




En el caso de la protección que hemos elegido instalar cuenta con un relé de

diferencial de 3º armónico.

Funcionamiento

La protección compara el 3º armónico medido en el neutro de la máquina y en los

terminales de salida.

Figura 16.Protección tierra estator 100% Diferencial 3º armónico

En condiciones normales el 3º armónico esta compensado entre ambos puntos; en

caso de falta, se desequilibra el nivel de 3º armónico entre el neutro y los

terminales.

Protecciones

40




Figura 17. 3º armónico en condiciones normales y en condiciones de falta

Ajustes

Ajuste del 3º armónico experimental

Temporización 500 mseg

Actuaciones


Parada de Grupo

5.5 PROTECCIONES ANTE FALTAS DEBIDAS A

SOBREFUNCIONAMIENTOS. FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES.


importantes ante faltas debidas a sobrefuncionamientos.



Protecciones

41




Protección contra sobrecarga de estator (49)

Detecta sobrecargas térmicas en devanados del estator por intensidades de fase

superiores al valor nominal. Se definen:

A. Funcionamiento nominal: corrientes iguales o inferiores a la nominal.

B. Sobrecorriente transitoria: corrientes superiores a la permanente

admisible, pero por un tiempo breve, de tal forma que no se alcanzan

temperaturas peligrosas en los devanados.

C. Sobrecorriente admisible permanente: temperaturas no peligrosas, pero

que acortan la vida del generador por envejecimiento de los aislantes.

D. Sobrecorrientes peligrosas: se alcanzan temperaturas peligrosas.

Figura 18.Sobrecargas térmicas según el tipo de sobrecorriente

Los daños producidos por la sobretemperatura alcanzada provoca el

envejecimiento acelerado de los aislantes de los devanados y favorece la

perforación del aislamiento y la aparición de faltas.

Protecciones

42




Funcionamiento

Vigila la temperatura de los devanados del estator con los siguientes tipos de

reles:

Sondas de temperatura

Relés de imagen térmica

Relés digitales de sobrecarga

Ajustes


5271 A1º*5/5000 = 5,27 A2º

Tiempo 30seg

Actuaciones


Dejar el Grupo girando

Protección sobretensión (59N) (59P)

Se pueden producir sobretensiones por:

Condiciones de explotación

Desacoplamientos con condiciones de máquina sobreexcitada.

Defectos de control

Anomalía en el regulador automático de tensión.

Error de maniobra manual.

Incidencias

Sobretensiones de origen atmosférico: rayos.

Falta fase tierra mantenida puede originar sobretensiones en fases

sanas.

Protecciones

43




Estas sobretensiones pueden perforar el aislamiento por sobrepasar la tensión de

ruptura del dieléctrico.

Funcionamiento

Vigila las tensiones de fase. Cuenta con relés preparados para medir tensión en

una amplia gama de frecuencias, lo cual es una característica muy importante en

arranque o rechazo de cargas.

Figura 19. Protección de sobretensión

Ajuste

Unidad temporizada

Arranque : 120% Unom = 1,2*690 V = 828 V1º que corresponden a:

828 V1º*110/700 = 130,11 V2º

Temporización : 1,5 seg

Unidad instantánea

Arranque : 140% Unom = 1,4*690 V = 966 V1º que corresponden a:

966 V1º*110/700 = 151,8 V2º

Protecciones

44




Actuaciones


Parada de Grupo

Protección sobrefrecuencia (81O)

Una frecuencia por encima de los valores admisibles puede producir daños a los

consumos, que pueden llevar consigo indemnizaciones. Estas sobrefrecuencias

pueden producirse por defectos en el regulador de turbina o por deslastres bruscos

de carga.

Funcionamiento

Vigila la frecuencia en bornas de la maquina utilizando las tensiones generadas.

Figura 20.Protección de sobrefrecuencia

Ajuste

Arranque : 20% fnom = 36Hz

Temporización : 2 seg

Protecciones

45




Actuaciones


Dejar el Grupo rodando

5.6 PROTECCIONES ANTE FALTAS DEBIDAS A MAL

FUNCIONAMIENTO. FUNCIONAMIENTO Y AJUSTES.

Protección secuencia inversa (46)

Detecta nivel de componente de secuencia inversa en las intensidades de fase. Las

corrientes de fase desequilibradas se descomponen en corrientes de secuencia

directa y de secuencia inversa. Las corrientes de secuencia directa tienen una

velocidad relativa nula respecto al rotor, sin embargo las corrientes de secuencia

inversa tienen un velocidad relativa del doble de la velocidad del rotor. Las

componentes de secuencia negativa crean un campo de sentido de giro opuesto al

fundamental.

Figura 21. Corrientes de secuencia directa y secuencia inversa

Estas corrientes circulan por los devanados del rotor y por la chapa magnética

rotórica provocando calentamientos en el circuito rotórico y vibraciones del

paquete rotórico y de turbina.

Protecciones

46




Funcionamiento

Necesita las tres intensidades de fase para vigilar el nivel de corriente de

secuencia inversa en los devanados.

Figura 22.Protección de secuencia inversa

Actuaciones

Tiene un primer nivel de alarma.


Dejar Grupo girando

Protección potencia inversa (32)

Estando el generador acoplado el grupo transforma potencia mecánica en potencia

eléctrica. Solo es peligroso para la turbina.

Funcionamiento

Protege a la turbina ante motorización, para ello utiliza intensidades y tensiones

de fase, vigilando la potencia consumida por el alternador.

Protecciones

47




Figura 23.Protección potencia inversa

Figura 24. Curva característica protección potencia inversa

Ajustes

Arranque : 3%Pnom = 0,03*6000 kW =180 kW1º que corresponden 28,28 VA2º

Temporización: 20 seg

Actuaciones

Desacoplar el grupo I=0

Se deja o no con tensión

Se deja el grupo girando

Protecciones

48




Protección perdida de excitación (40)

La máquina pasa a funcionar como generador asíncrono, pasa a tomar energía

reactiva de la red para sustituir la reactiva aportada por el devanado de campo.

Un gran aporte de energía reactiva desde la red puede provocar sobrecorrientes

en los devanados del estator.

Funcionamiento

Para esta protección hay dos tipos de relés:

Mínima corriente de excitación

Relé de impedancia reactiva

La protección que hemos decido instalar cuenta con un relé de impedancia

reactiva.

Utiliza las tensiones y corrientes de fase para vigilar la impedancia propia del

generador, comprobando que no entre en límites inestables por subexcitación.

Figura 25.Protección de pérdida de excitación

Protecciones

49




Figura 26.Curva característica protección perdida de excitación

Ajustes

Zb = 0.09522 Ω

X'd = 0.3pu = 0.02857 Ω1º que corresponden a:

0.02857 Ω1º*110/700*5000/5 = 4.48 Ω2º

Xd = 1 pu = 0.09522 Ω1º que corresponden a:

0.09522 Ω1º*110/700*5000/5 = 14.96 Ω2º

Figura 27.Ajuste de la protección de pérdida de excitación

Actuaciones

Desacoplar el Grupo

Parada de Grupo

Protecciones

50




Protección energización accidental (50/27)

Protege al equipo de un cierre accidental del interruptor de acoplamiento con el

grupo parado.

Los daños que se pueden sufrir por el cierre accidental del interruptor de

acoplamiento estando el grupo parador son cortocircuitos de hasta 40 veces la In y

esfuerzos torsores en el eje que pueden llegar incluso a partirlo.

Funcionamiento

Utiliza intensidades y tensiones de fase. La protección arranca cuando la

intensidad es mayor del 120% de la intensidad nominal y cuando la tensión es

menor del 90% de la tensión nominal. La temporización es instantánea.

Ajustes

Arranque:

I> 120% In = 1,2*5020 A = 6024 A1º que corresponden a:

6024 A1º *5/5000 = 6,02 A2º

V< 90% Vn = 0,9*690 V = 621 V1º que corresponden a:

621 V1º *110/700 = 97,58 V2º

Cuando se cumplen ambas a la vez la protección dispara instantáneamente.

Actuaciones


Parada de Grupo

Compuertas

Calderas

Protecciones

51




5.7 TRANSFORMADORES DE MEDIDA

Las protecciones vigilan magnitudes proporcionales a las reales, esto es

simplemente por coste. Para obtener magnitudes proporcionales a la intensidad o

tensión se usan transformadores de medida.

La misión de un Transformador de Medida es el dar información precisa a los

sistemas de medida, control y protección incluida medida fiscal.

Las principales tareas de los Transformadores de Medida son:

Transformar tensiones e intensidades con valores grandes a valores fáciles

de manejar por los relés y equipos de medida.

Aislar el circuito de medida del sistema primario de alta tensión .

Posibilitar la normalización de relés y equipos de medida a unos pocos

valores de tensiones e intensidades nominales.

Transformador de intensidad

La potencia de un transformador

La potencia de un transformador es una magnitud importante. En el

transformador, la corriente de primario tiene que inducir en el secundario la

potencia necesaria para poder transmitir la corriente de secundario al equipo de

medida. La potencia inducida tiene que ser igual o superior a las pérdidas en la

línea más la del propio consumo del equipo de medida.

Protecciones

52




Pérdidas en la línea, PL :

Es la potencia perdida por calentamiento debido al paso de la corriente por la

resistencia RL de cableado del circuito de secundario del transformador.

Factores a tener en cuenta:

Corriente de secundario. PL = RL • I 2

Diámetro cable. RL es inversamente proporcional al cuadrado del

diámetro.

Longitud cable. RL es proporcional a la longitud de cableado (ida +

retorno)

Potencia de precisión:

La potencia nominal aparente (V·A), con un factor de potencia especifico, que el

transformador de corriente suministra al circuito secundario con la corriente

asignada cuando esté conectado a su carga nominal, Sc (V·A) = Zc • (Isn)2

Según normativa, para la potencia aparente mayor o igual a 5 V·A, el factor de

potencia es de 0,8 inductivo. Para potencias aparentes más pequeñas el factor de

potencia es la unidad.

La precisión de un transformador

La precisión de un transformador de protección es el tipo de error producido en el

transformador, se establece por la IEC 44-1.En los de protección, sólo al 100 % de

la potencia nominal.

Tipo +/- % Error para %In Desfase +/- para % In Error compuesto

5P +/- 1 +/- 60 minutos 5

10P +/- 3 10

Tabla 2. Precisión del transformador de medida.

Protecciones

53




El transformador frente a la saturación

Un transformador de corriente está saturado cuando su corriente de primario o su

carga están por encima de sus valores nominales. La linealidad de la

transformación de corriente entre primario y secundario disminuye, de forma que

el error es elevado. Se puede observar como la saturación del transformador es

inversamente proporcional a la carga. (Fig. 29).

Figura 28.Curva de un transformador de medida de 30 VA

La diferencia entre los transformadores de corriente para medida o protección es

el comportamiento frente a la sobrecarga que se puede producir en el primario.

Los que se aplican en medida, a partir de una sobrecarga se saturan para no dañar

al equipo del secundario. En protección, no se saturan hasta una elevada corriente.

Un transformador de protección de clase 5P15 indica que no se satura hasta que

pase por el primario 15 veces la corriente nominal.

En los transformadores para medida el parámetro de FACTOR DE SEGURIDAD

(FS) nos indica el número de veces de corriente primaria que el transformador es

capaz de transferir a los equipos de medida.

Protecciones

54




Para nuestro sistema eléctrico se han elegido transformadores de intensidad de la

marca Circutor modelo TRP, que es un transformador encapsulado en resina para

protección.

Las características técnicas son las siguiente:

Características técnicas

Corriente primaria 75...5000 A

Corriente secundaria 5 A

Tensión de aislamiento 3 kV

Clase térmica B

Corriente térmica de cortocircuito 60 In

Corriente dinámica 2,5 In

Bornes de secundario Precitables

Normas

IEC 60044-1, UNE-EN 60044-1

Tabla 3. Características técnicas del transformador

Como la intensidad en permanencia de nuestro generador son 5020 A, se ha

elegido el modelo TRP 180 con una relación de transformación 5000/5 A.

Protecciones

55




A continuación se muestra una tabla de las dimensiones básicas, peso y clase del

transformador seleccionado.

Tipo TRP 180

Diametro interior 180

Pletina Barra pasante

Dimensiones 308x223x98

Clase 5P20

Código P50266

Peso 10.6 kg

Tabla 4. Dimensiones, peso, clase del transformadores TRP 180.

En la siguiente figura se pueden apreciar las dimensiones exactas del

transformador seleccionado para nuestro sistema eléctrico (TRP 180).

Figura 29. Dimensiones exactas de los transformadores TRP 140, TRP 180.

Protecciones

56




Transformador de tensión

Para nuestro sistema eléctrico se han elegido transformadores de tensión de la

marca Circutor serie VT, que es un transformador de medida de tensión.

Estos transformadores son usados en líneas eléctricas de corriente alterna para

obtener una tensión en el secundario más baja que la de primario para poder ser

medida por un equipo electrónico

A continuación se muestra el catalogo Circutor serie VT, ofertan mas relaciones

de transformación de las que aparecen en este catalogo.

Como la tensión de nuestro generador son 690 V, se ha elegido el modelo

VT7011 con una relación de transformación 700/110 V y código M72381, para

los transformadores de medida de tensión necesarios para nuestro equipo de

protecciones.

El transformador de medida de tensión tiene las siguientes características:

Clase 1 de precisión

Potencia 25 V·A

A continuación se muestra un fotografía del transformador seleccionado.

Figura 30. Transformador de medida de tensión 700/110 V


57




Capítulo 6 TRANSFORMADOR Y CIRCUITO DE

SALIDA DE POTENCIA

6.1 INTRODUCCIÓN AL TRANSFORMADOR

Para este tipo de aplicaciones se usan transformadores secos encapsulados.

Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío están diseñados a prueba

de humedad y son adecuados para funcionar en ambientes húmedos o muy

contaminados. Son los transformadores idóneos para funcionar en ambientes que

presenten una humedad superior al 95 % y en temperaturas por debajo de los

-25°C.

Son más accesibles para el usuario final, los transformadores secos pueden

instalarse cerca del lugar de utilización, lo que permite optimizar el diseño de

instalación reduciendo al máximo los circuitos de baja tensión, con el

consiguiente ahorro en pérdidas y conexiones de baja tensión.

6.2 VENTAJAS DEL TRANSFORMADOR SECO ENCAPSULADO

Los transformadores secos encapsulados presentan las siguientes ventajas:

1. Autoextinguibles.

En caso de fuego externo al transformador que afecte al mismo, éste arde con

mucha dificultad y con llama débil, la cual se extingue rápidamente al cesar el

foco productor.


58




2. Inercia térmica elevada.

Debido a una mayor masa que sus equivalentes en líquido, su constante de tiempo

es muy superior, por lo que soporta mejor las sobrecargas de corta duración.

3. Compactos.

Al ser sus únicos elementos el circuito magnético, las bobinas y los elementos de

fijación, su diseño es muy compacto resultando un conjunto robusto y a prueba de

vibraciones. Esto hace que sean idóneos para ser instalados en material móvil.

4. Gran resistencia al cortocircuito.

Como consecuencia del encapsulado, que rodea a los conductores además de

unirlos fuertemente entre sí, la resistencia a los esfuerzos electrodinámicos

generados en un cortocircuito es muy alta.

Por otro lado al ser la densidad de corriente más baja que en los transformadores

con líquido, la temperatura máxima transitoria alcanzada en un cortocircuito es

muy inferior a los límites señalados en UNE 20101.

5. Mantenimiento reducido.

Solamente se requiere alguna limpieza del polvo en las superficies, si éste llegara

a producirse.

6. Facilidad de instalación.

Es suficiente una protección contra contactos, ya que no precisa foso de recogida

de líquido ni instalación en local hecho de obra.


59




6.3 ELECCIÓN DEL TRANSFORMADOR

Nuestro generador es de 5MW pero puede dar hasta 6MW de potencia en

permanencia, por lo que el transformador de tipo seco encapsulado debe cubrir

esos requisitos. El transformador debe pasar de baja tensión (690V) a media

tensión (20KV).

En catálogos a veces es difícil encontrar transformadores de potencias grandes, ya

que típicamente se hacen a medida del usuario. Se planteo conectar dos

transformadores en paralelo, algo que no es usual, dado que no es un equipo

excesivamente caro. Finalmente se decidió poner un único transformador,

poniéndose en contacto con los fabricantes, y que nos proporcionaran el precio y

dimensiones básicas.

Se ha considerado que la solución más rentable es montar un transformador de

6MW de la marca ABB.

Los transformadores de tipo seco encapsulado al vacío ABB cumple con las

necesidades de nuestro diseño ya que varían desde 50 kVA hasta 30 MVA con

tensiones de trabajo de hasta 52 kV.

Se ha seleccionado esta marca por su seguridad, eficacia y diseño respetuoso con

el medio ambiente y porque forman parte de miles de turbinas eólicas instaladas

por todo el mundo.


60




6.4 PARTES DEL TRANSFORMADOR

Núcleo magnético

En el núcleo magnético se realizan las uniones con capas escalonadas para

garantizar un rendimiento óptimo y unos niveles de ruido mínimos. El acero

magnético se corta a lo largo, de forma secuencial y se escalona automáticamente,

garantizando la precisión dimensional y el entrelazado de láminas perfecto de

todo el escalonamiento.

Figura 31. Núcleo magnético del transformador

Devanado de alta tensión

El devanado de alta tensión consta de un disco descendente continuo con

conductor de cinta de aluminio y aislamiento de doble capa. Los devanados están

colados al vacío con resina epoxi. Se han llevado a cabo pruebas de análisis en

régimen transitorio para verificar la distribución del esfuerzo eléctrico a través de

los devanados confirmando una buena resistencia.


61




Figura 32. Devanado de alta tensión del transformador

Devanado de baja tensión

Los devanados de baja tensión están hechos de banda de aluminio y de una banda

aislante previamente impregnada con resina. Después del proceso de devanado la

bobina se endurece en un horno y como consecuencia se obtiene un devanado

extremadamente compacto, capaz de resistir los esfuerzos dinámicos que produce

un cortocircuito.


62




Figura 33. Devanados de bajas tensión del transformador

Encapsulado

El proceso de encapsulado es una operación fundamental en el procedimiento de

fabricación y deberá realizarse y controlarse en las condiciones más estrictas a fin

de garantizar un aislamiento y características mecánicas óptimas. Por un lado, los

devanados se colocan en un horno de precalentamiento y se mantienen dentro

hasta que la temperatura del molde alcanza la temperatura de encapsulado. Por

otro lado, la mezcla de resina se prepara en una planta de mezcla continua. Los

componentes se mezclan juntos justo antes del proceso de encapsulado. En el paso

siguiente, las bobinas precalentadas pasan a la cámara de colada al vacío. Una vez

que se ha alcanzado el vacío en la cámara, la resina se vierte en los moldes. Los

componentes se mezclan juntos justo antes del proceso de encapsulado. De esta

forma, la viscosidad de la mezcla de resina cuando se vierte en los moldes, es muy

baja, llenando los espacios y permitiendo alcanzar el nivel más bajo de descargas

parciales. Tras finalizar el proceso de colado las bobinas se colocan en el horno de

endurecimiento a fin de que el gel resinoso se seque y endurezca obteniendo de

esta forma sus propiedades finales.


63




6.5 CARACTERÍSTICAS DEL TRANSFORMADOR

Transformador de tipo seco ABB

Potencia 6 MW

Grado de protección IP 00

Tensión máxima 24 KV

Pérdidas en vacío (Po) 14000 W

Pérdidas de carga (Pk) 75ºC 42000 W

Pérdidas de carga (Pk) 120ºC 46000W

Impedancia en cortocircuito 6 %

Nivel de potencia sonora (LWA) 90 dB

Longitud (A) 2700 mm

Anchura (B) 1500 mmm

Altura (H) 3400 mm

Peso 11400 Kg

Distancia entre ruedas (E) 1350 mm

Diámetro de las ruedas 250 mm

Anchura de las ruedas (G) 80 mm

Tabla 5.Caraterísticas del transformador


64




Figura 34. Dibujo acotado del transformador de tipo seco encapsulado.


65




6.6 CIRCUITO DE SALIDA DE POTENCIA

Se ha elegido una celda compacta que incluye tres funciones: dos posiciones de

línea con interruptor y una posición de protección a la derecha con interruptor y

fusibles.

La celda consta de tres partes:

Base y frente

Mando

Cuba

Figura 35. Celda compacta del circuito de salida del transformador


66




Se a elegido una celda compacta de la marca Ormazabal, moldelo CGC-24, cuyas

caracteríticas se muestran en la siguiente tabla.

Marca Ormazabal

Modelo CGC-24

Tensión asignada 24 kV

Intensidad asignada 400 A

Ancho 1220 mm

Alto 1800 mm

Fondo 850 mm

Peso 405 kg

Tabla 6. Características de la celda de salida del transformador

Para más información sobre el equipo consultar el catalogo anexo en el capítulo 9.


67




Capítulo 7 CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE

ORIENTACIÓN, PASO Y FRENADO

7.1 INTRODUCCIÓN AL SISTEMA DE ORIENTACIÓN

La turbina eólica tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al

viento. Un error de orientación implica que una menor proporción de la energía

del viento pasará a través del área del rotor.

Casi todos los aerogeneradores de eje horizontal emplean orientación forzada, es

decir, utilizan un mecanismo que mantiene la turbina orientada en contra del

viento mediante motores eléctricos, multiplicadores y frenos.

El aerogenerador se puede orientar mediante unos motores eléctricos que actúan

al recibir información de la dirección del viento por medio de una veleta. Este

procedimiento es adecuado para aerogeneradores grandes, por ello en este

proyecto se ha elegido este sistema de orientación. Para poder vencer los

esfuerzos a los que está sometido el sistema de orientación del aerogenerador

serán necesarios 8 motores de orientación que accionaran a través de una

reductora, la rueda que engrana con la corona de orientación.


68




En la siguiente figura se pueden apreciar cuatro de los ocho motores y la rueda

reductora del sistema de orientación.

Figura 36. Sistema de orientación

La velocidad con la que tiene que ser capaz de realizar esta orientación es de

1º/seg, es decir, completar una vuelta en 6 minutos.

En las turbinas eólicas grandes, es necesario un mecanismo que posicione la

turbina enfrente al viento. Este movimiento circular, se consigue con unos

motores y reductores fijos a la góndola, y engranando en un dentado de la parte

superior de la torre, llamada corona de orientación. La señal de posicionamiento

correcta la recibe del controlador de la turbina, con las lecturas de la veleta y

anemómetro instaladas en cada turbina. Estos motores llevan acoplada una

reductora de velocidad que en tiene una relación de transmisión a través de la cual

transmiten el par a la corona de orientación. En total se dispone de 8 motores

colocados sobre el soporte del cojinete y que son los encargados de realizar los

giros de orientación de todo el conjunto de la góndola con sus componentes.


69




7.2 SISTEMA DE ORIENTACIÓN

Directamente fijado sobre el extremo superior de la torre se encuentra el cojinete

de orientación, que posee una corona dentada en su parte superior. El cojinete de

orientación permite el giro y la orientación del aerogenerador. En la corona

dentada hay dispuestos 8 dispositivos (motores de orientación) que orienta la

góndola hacia el viento. Además, el peso de la góndola también se transfiere a la

torre mediante este cojinete de orientación. El soporte principal se encuentra

ensamblado directamente al cojinete de orientación.

Tiene instalado en la parte superior de la góndola un equipo de medición del

viento. El equipo consta de una veleta que determina continuamente la dirección

del viento, y un anemómetro que mide la velocidad del mismo.

El sistema de orientación de la góndola se pone en marcha por debajo de la

velocidad de arranque de 2,5 m/s. Incluso cuando el aerogenerador se desconecta,

por ejemplo debido a velocidades de viento demasiado altas, sigue orientándose

hacia el viento. Este ángulo y el periodo de medición dependen de la velocidad

del viento y de la potencia del aerogenerador.

El procedimiento de orientación correspondiente se determina en función del

numero de vueltas que ha dado el motor y de que el tiempo requerido para esta

operación sea admisible. Si el sistema de control detecta irregularidades en la

orientación de la góndola o en el desenrollado de los cables, se detendrá el

aerogenerador.


70




Elección de los motores

Se han elegido ocho motores de la marca Bonfiglioli modelo 716 T4 Spezial,

cuyas características se recogen en la siguiente tabla.

716 T4W Bonfiglioli

Potencia 5.5kW

Par nominal 70.000 Nm

Par máximo 140.000 Nm

Reducción de engranaje i = 1,281

Peso 1200 kg

Tabla 7. Características de los motores del sistema de orientación

Los motores del sistema de orientación se alimentaran a una tensión de 380 V, por

lo que la corriente que circulara por cada uno de ellos será de 14,47 A.

Figura 37. Dos de los ocho motores del sistema de orientación


71




Desenrollado de los cables de potencia y de control

Los cables de control y de potencia que se encuentran en la torre se conducen

desde la góndola por medio de una polea de reenvió y discurren sujetos a la pared

de la torre. Los cables tienen suficiente capacidad de movimiento como para

permitir que la góndola pueda girar varias veces alrededor de su propio eje en el

mismo sentido. De este modo los cables se van enrollando poco a poco. El sistema

de control se encargará de volver a desenrollarlos.

Cuando los cables han dado entre dos y tres vueltas, el sistema de control

empleará el siguiente periodo con viento débil para volver a desenrollarlos. Si las

condiciones del viento han aplazado esta operación y el cable se ha enrollado mas

de tres vueltas, el aerogenerador se detendrá para desenrollar el cable,

independientemente de la velocidad del viento. El proceso de desenrollado de

cables dura una media hora aproximadamente. Una vez que el cable se ha

desenrollado, el aerogenerador retoma de nuevo el funcionamiento.

El sistema de sensores que registra el enrollado de los cables se encuentra en el

llamado interruptor cuentavueltas. El sensor está conectado a la corona dentada de

orientación a través de una rueda dentada que engrana en la misma, y un

engranaje. Este sensor transmite las modificaciones de la orientación de la

góndola al sistema de control.

El dispositivo incluye dos interruptores de fin de carrera, uno a la derecha y otro a

la izquierda, que detectan si se sobrepasa el margen de ajuste admisible en una u

otra dirección (interruptor de fin de carrera cuentavueltas derecho o izquierdo). De

este modo, se evita que los cables de la torre sigan enrollándose. En este caso, el

aerogenerador se detiene y no puede volver a arrancar automáticamente.


72




Figura 38. Procedimientos de orientación


73




Protección de los motores

En primer lugar los motores cuentan con un seccionador.

También cuentan con protecciones ante las siguientes condiciones adversas:

Condición adversa : sobrecorriente

Efectos: Corrientes excesiva en el circuito provocan sobrecalentamiento y

deterioro en la vida útil del motor.

Protección: Relé de sobrecorriente para dar una alarma o desconectar el

motor de la fuente, hasta que las condiciones vuelvan a la normalidad.

Condición adversa : sobrecarga

Efectos: Esta condición ocurre cuando el motor no tiene la capacidad para

mover la carga conectada. Esto causa un calor excesivo en el motor, lo

cual induce un deterioro en la vida útil del motor y/o que el motor se

queme.

Protección: Relé sobrecarga para desconectar el motor de la fuente.

También cuenta con contactores que conforman el sistema eléctrico.


74




Figura 39. Protección de los motores del sistema orientación

Conexión de los motores

Los motores están conectados a la unidad de control que está situada en la

góndola. Los motores se alimentan a 380V, a la base del aerogenerador llegan

20kV que suben hasta la góndola donde hay un transformador de relación de

transformación 20kV/380V. Por tanto hacen falta dos tipos de cables para

alimentar los motores de orientación. Unos de media tensión que tienen que ser

bastante flexibles ya que se pueden enrollar dando un par de vueltas alrededor del

eje, y que tendrán una longitud aproximada de 130 metros. Otros que serán de

baja tensión que tendrán una longitud aproximada de 20 metros.


75




7.3 SISTEMA DE PASO

El sistema de paso seleccionado para nuestro aerogenerador es paso de pala

variable.

Los sistemas de regulación por cambio del ángulo de paso de la pala, también

denominados de paso variable, tienen la posibilidad de girar las palas a lo largo de

su eje longitudinal para controlar la potencia según las condiciones del viento,

maximizando la eficiencia aerodinámica del rotor.

Este sistema permite una extracción de potencia nominal para velocidades de

viento superiores a la nominal, permitiendo además contar con un sistema de

seguridad contra vientos con alta velocidad. Como inconvenientes es necesario

reseñar que requieren un diseño de buje más complicado y la incorporación de

actuadores mecánicos, hidráulicos o electrónicos con suficiente potencia para

mover las palas.

En este proyecto se va a utilizar un sistema de cambio de paso variable mediante

motores eléctricos cuyo inconveniente es que deben disponer de autonomía en el

caso de desconexiones súbitas. Para ello dispondrán de una batería de emergencia

o de un pequeño generador de continua en el eje de alta que conecte éste al

servomotor de modo que se puedan llevar las palas hasta el ángulo de parada (90º)

hasta que el rotor pierda totalmente su velocidad.

El sistema contara con un motor por cada pala de 38 kW, por lo que serán

necesarios tres motores eléctricos para el sistema de paso.


76




A continuación se muestran las especificaciones de cada uno de los motores de la

marca Lust que se van a instalar.

711 T3F Bonfiglioli

Potencia 38 Kw

Rampa de aceleración 0.2 s

Precisión de posicionamiento 1/1000 º

Tabla 8. Especificaciones de los motores de paso

La potencia de los motores de paso es considerablemente superior a la potencia de

los motores de orientación y esto es debido a que el sistema de paso tiene que

realizar movimientos más rápidos.

Los motores del sistema de paso se alimentaran a una tensión de 380 V, por lo que

la corriente que circulara por cada uno de ellos será de 100 A.

Figura 40.Motores eléctricos del sistema de paso


77




Protecciones

En primer lugar los motores cuentan con un seccionador.

También cuentan con protecciones ante las siguientes condiciones adversas:

Condición adversa : sobrecorriente

Efectos: Corrientes excesiva en el circuito provocan sobrecalentamiento y

deterioro en la vida útil del motor.

Protección: Relé de sobrecorriente para dar una alarma o desconectar el

motor de la fuente, hasta que las condiciones vuelvan a la normalidad.

Condición adversa : sobrecarga

Efectos: Esta condición ocurre cuando el motor no tiene la capacidad para

mover la carga conectada. Esto causa un calor excesivo en el motor, lo

cual induce un deterioro en la vida útil del motor y/o que el motor se

queme.

Protección: Relé sobrecarga para desconectar el motor de la fuente.

También cuenta con contactores que conforman el sistema eléctrico.


78




Figura 41. Protecciones de los motores del sistema de paso.

Conexión de los motores

Los motores están conectados a la unidad de control que está situada en la

góndola. Los motores se alimentan a 380V, a la base del aerogenerador llegan

20kV que suben hasta la góndola donde hay un transformador de relación de

transformación 20kV/380V. Por tanto hacen falta dos tipos de cables para

alimentar los motores de orientación. Unos de media tensión que tienen que ser

bastante flexibles ya que se pueden enrollar dando un par de vueltas alrededor del

eje, y que tendrán una longitud aproximada de 130 metros. Otros que serán de

baja tensión que tendrán una longitud aproximada de 20 metros.

El único problema que se plantea en la conexión de estos motores es que giran

con la pala y necesitan un sistema de conexión especial para que no se enrollen

los cables. Hay una pieza que gira solidaria con el motor, que permite hacer

contacto a dos cables, uno va del motor hasta dicha pieza y el otro de dicha pieza

hasta la unidad de control.


79




Control activo del paso de palas

Respecto a los sistemas de regulación activos, los hay de varios tipos, todos ellos

basados en la utilización de un sistema de control basado en ordenador o PLC.

Actualmente los sistemas de cambio de paso más utilizados son los hidráulicos y

los eléctricos.

Mediante el ordenador se puede determinar el estado de operación del

aerogenerador, y las acciones a tomar a partir de ese momento. El sistema de

control electrónico recibe mediante sensores que monitorizan las variables más

importantes como son la velocidad del viento, las revoluciones por minuto del eje,

las vibraciones que puedan aparecer, la potencia generada, el ángulo de paso de la

pala, etc. A partir de estas entradas, el ángulo de paso de la pala óptimo se

obtendrá mediante un algoritmo grabado en el sistema de control basado en un

regulador tipo PI (proporcional-integral), a partir del cual se envía una orden

adecuada a los actuadores. Esta técnica controla las vueltas del rotor en todo el

rango de operación.

En los sistemas diseñados para conservar la velocidad específica, también

denominados de velocidad variable, logran que el valor de la velocidad del rotor

sea óptima para cada velocidad del viento. Por tanto, son capaces de extraer

siempre la máxima potencia, hecho importante sobre todo a velocidades de viento

bajas (donde más horas de producción suele haber). Al poder ajustar dos

parámetros de la turbina (velocidad de giro y paso de palas) pueden trabajar con

rendimientos aerodinámicos mayores.

La limitación de la potencia captada por una turbina eólica se produce porque sus

palas funcionan en un punto donde sus eficiencias aerodinámicas son menores.

Esto se puede hacer aumentando o disminuyendo el paso de palas respecto a su

valor óptimo.


80




Figura 42. Comparación de la regulación del paso de palas variable y con paso de palas fijo.

7.4 SISTEMA DE FRENADO

El aerogenerador dispone de un sistema de frenado:

El sistema de frenado está basado en un freno mecánico de disco colocado en el

eje lento. El disco de freno está atornillado directamente al buje. Las cinco pinzas

de freno, de tipo directo reciben la presión de actuación de un cilindro hidráulico

ejerciendo así la fuerza de frenado sobre el disco. Un acumulador de presión

cargado por la central hidráulica es suficiente para garantizar varias operaciones

de frenado, incluso considerando el estado de desgaste de las pastillas de freno, y

de mantener la presión de frenado durante largos períodos de tiempo. La presión

se aplica directamente a las pastillas de freno. El sistema de frenado secundario no

está diseñado para parar el rotor por sí solo, sino conjuntamente con el sistema de

frenado principal. En condiciones extremas supone una mejora de la seguridad

dado que su actuación es más rápida que la del freno principal, provocando una

disminución de revoluciones del rotor antes que los frenos aerodinámicos


81




empiecen a ser efectivos en casos de pérdida de carga. El tiempo de actuación del

freno de disco está limitado a fin de limitar la temperatura en las pastillas y el

freno de disco. Únicamente en el caso de que durante una operación de frenado

ordenada por el sistema de control se supere el tiempo máximo permitido y el

rotor siga girando, el sistema de control interrumpe la actuación del freno y el

aerogenerador se desorienta 90 grados. Después de un tiempo prefijado que

permite el descenso de temperatura de las pastillas y el freno de disco el control

da orden de frenado por segunda vez manteniendo la vigilancia de los límites de

temperatura.

El sistema de paso también puede hacer de freno, cambiando el ángulo de paso de

las palas para que estas entren en perdida y el aerogenerador se frene.

Cableado

82




Capítulo 8 CABLEADO

8.1 GENERADOR - CONVERTIDOR - TRANSFORMADOR DE

DISTRIBUCIÓN

El cableado del generador al convertidor y del convertidor al transformador de

distribución deberá soportar 5020 A.

Para este tramo de la instalación eléctrica se ha elegido cable de marca Prysmiam,

modelo Retenax Valio, cuyas características son las siguientes.

Marca Prysmiam

Modelo Retenax Valio

Aislante xlpe

Temperatura máxima

del conductor

90º en servicio continuo

250º en cortocircuito

Conductor Cobre

Sección 400 milímetros cuadrados

Disposición Tres cables unipolares en horizontal

Corriente admisible 600 A

Tabla 9. Características del cable generador-convertidor-transformador

Para más detalles consultar el catalogo anexo en el capítulo 9 .

Cableado

83




Modos de instalación y corrientes admisibles

Modo de instalación:

Cables unipolares instalados al aire libre en contacto mutuo, sobre una bandeja

perforada o bandeja tipo escalera, separados de la pared una distancia superior al

diámetro del cable.

Cuando las condiciones de la instalación sean distintas a las utilizadas como

referencia para la confección de la tabla habrá que usar factores de corrección:

Factor por temperatura

La temperatura en la góndola puede llegar a los 60º.

K= 0.77

Factor de corrección por agrupamiento

El calentamiento mutuo de los cables, cuando un solo circuito tenga más

de una terna en paralelo.

K=0.79

A la corriente admisible hay que aplicarle los factores de corrección tanto de el de

temperatura como el de agrupamiento.

Debido a las condiciones de la instalación la intensidad máxima admitida es de

600A.

Cableado

84




Como la corriente a soportar son 5020 A se pondrán nueve cables de este tipo en

paralelo.

Se estima que harán falta 25 m de cable por fase. Como hay que instalar 9 cables

en paralelo por fase se necesitaran 675 m de este tipo de cable.

Cableado

85




8.2 TRANSFORMADOR DE DISTRIBUCIÓN - BASE DEL

AEROGENERADOR

Una vez que se ha pasado a media tensión la corriente que debe soportar el cable

es de 5020 A*690 V/20.000 V = 173,19 A.

Para este tramo de la instalación eléctrica se ha elegido cable de marca Prysmiam,

modelo Retenax MT cuyas características son las que se muestran a continuación.

Marca Prysmiam

Modelo Retenax MT

Tensión 33 kV

Aislante XLPE

Temperatura máxima

del conductor



Conductor Cobre


Corriente admisible 211 A

Tabla 10.Características del cable de distribución.

Para más detalles consultar el catalogo anexo en el capítulo 9.

Cableado

86




Cálculo de la capacidad de un cable

Se encara el problema del diseño térmico de un cable igualando el calor generado

por las pérdidas del cable con el disipado a través de las resistencias térmicas a

causa de la diferencia de temperatura entre los conductores y el medio ambiente.

Suponiendo que el calor viene generado exclusivamente por las pérdidas debidas

al efecto Joule en los conductores, resulta:

donde Rt es la resistencia de cada conductor a la temperatura de servicio y n el

número de conductores activos.

Por otro lado, el calor disipado a consecuencia del salto térmico, , existente entre

los conductores y el medio ambiente será, como se ha indicado:

Igualando el calor generado con el disipado:

Aislante XLPE:

Conductor de cobre sección 50mm2:

La temperatura máxima del conductor son 90 ºC por lo que

La intensidad máxima admisible es de 245 A.

Cableado

87




Modos de instalación y corrientes admisibles

Modo de instalación:

Cables trifásicos o ternas de cables unipolares tendidos sobre soportes, con

separación de cables igual a un diámetro d.

Cuando las condiciones de la instalación sean distintas a las utilizadas como

referencia para la confección de la tabla habrá que usar factores de corrección:



K= 0.77

Factor de corrección por agrupamiento

K=0.9

A la corriente admisible hay que aplicarle los factores de corrección tanto de el de

temperatura como el de agrupamiento.


169,78A, que es menor que 173,19 por lo que es necesario aumentar la sección.

Cableado

88




Aislante XLPE:

Conductor de cobre sección 70mm2:

La temperatura máxima del conductor son 90 ºC por lo que

La intensidad máxima admisible es de 305 A.

Aplicando los factores de corrección:


211.36 A, que es menor que 173.19 A por lo que la sección es válida.

En este proyecto solo se tiene en cuenta el cableado hasta la base del

aerogenerador, por lo que de este tipo de cable se necesitaran 130 m por fase, lo

que hace un total de 390 m.

Cableado

89




8.3 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DEL SISTEMA DE

ORIENTACIÓN

El cableado de los ocho motores de orientación deberán soportar

5.5kW/380V = 14,47 A.

Para el cableado del sistema de orientación se ha elegido cable de marca

Prysmiam, modelo Superastic Flex cuyas características son las que se muestran a

continuación.

Marca Prysmiam

Modelo Superastic Flex

Aislante PVC

Temperatura máxima

del conductor



Conductor Cobre


Corriente admisible 20.52 A

Tabla 11. Características del cable del sistema de orientación.


A priori elegimos un cable de 4mm que soporta una corriente de 28 A.

Cableado

90




A estos cables solo les tenemos que aplicar el factor por temperatura para ver la

verdadera intensidad que soportan.



K= 0.57

Aplicamos el factor de corrección al cable de 4mm2.

Este cable aguanta un intensidad de 14.96A, y debe soportar una intensidad de

14.47 A, está demasiado justo por lo que debemos aumentar la sección.

Probamos con un sección de 6mm2 que soporta 32 A. Aplicamos el factor por

temperatura.


14.47 A por lo que nos sirve para esta aplicación.

Los motores se alimentan a baja tensión (380V), este tipo de cables irá desde

cada uno de los motores a un transformador situado en la góndola con una

relación de transformación 20kV/380V. Por ello se estima que harán falta unos

20 metros de cable por motor, lo que hace un total de 160 m de este tipo de cable.

Cableado

91




8.4 ALIMENTACIÓN DE LOS MOTORES DEL SISTEMA DE PASO

El cableado de cada uno de los motores del sistema de paso deberá soportar una

intensidad de 38kW/380V = 100 A.

Para el cableado del sistema de paso se ha elegido cable de marca Prysmiam,

modelo Superastic Flex cuyas características son las que se muestran a

continuación.

Marca Prysmiam

Modelo Superastic Flex

Aislante PVC

Temperatura máxima

del conductor



Conductor Cobre


Corriente admisible 115.14 A

Tabla 12. Características del cable del sistema de paso


A priori elegimos un cable de 50mm que soporta una corriente de 131 A.

A estos cables solo les tenemos que aplicar el factor por temperatura para ver la

verdadera intensidad que soportan.

Cableado

92






K= 0.57

Aplicamos el factor de corrección al cable de 4mm2.

Este cable aguanta un intensidad de 74.67 A, y debe soportar una intensidad de

100 A por lo que debemos aumentar la sección.

Probamos con un sección de 95mm2 que soporta 202 A. Aplicamos el factor por

temperatura.


100 A por lo que nos sirve para esta aplicación.

Los motores se alimentan a baja tensión (380V), este tipo de cables irá desde

cada uno de los motores a un transformador situado en la góndola con una

relación de transformación 20kV/380V. Por ello se estima que harán falta unos

30 metros de cable por motor, lo que hace un total de 90 m de este tipo de cable.

Anexos

93




Capítulo 9 ANEXOS

En este capítulo se podrán ver los catálogos de los aparatos elegidos para el

sistema eléctrico de este proyecto.

Anexos

94




Catálogo del Convertidor

Anexos

95




Anexos

96




Anexos

97




Anexos

98




Catalogo del Sistema de protecciones

Anexos

99




Anexos

100




Anexos

101




Anexos

102




Anexos

103




Anexos

104




Catalogo de los Transformadores de medida de intensidad

Anexos

105




Anexos

106




Anexos

107




Anexos

108




Anexos

109




Catalogo de los Transformadores de medida de tensión

Anexos

110




Catalogo del Transformador de distribución

Anexos

111




Anexos

112




Catalogo de los motores del sistema de orientación (yaw) y paso (pitch)

Anexos

113




Anexos

114




Anexos

115




Catalogo de cables de baja tensión

Anexos

116




Anexos

117




Anexos

118




Anexos

119




Anexos

120




Anexos

121




Anexos

122




Anexos

123




Anexos

124




Anexos

125




Anexos

126




Anexos

127




Catalogo de cables de media tensión

Anexos

128




Anexos

129




Anexos

130




Anexos

131




Anexos

132




Catalogo de cable para los motores de los sistemas de paso y orientación

Anexos

133




Anexos

134




Catalogo de celdas de salida del transformador

Anexos

135




Anexos

136




Anexos

137




Bibliografía

138




BIBLIOGRAFÍA

[1] Catálogo 5M

[2] CPES. Power Electronic Converters for Advanced Electric Power Systems.

Dushan Boroyevich

[3] Verteco Ltd. Advanced MW-class Wind Turbine Converter Technology.

R.Takala

[4] Wind energy handbook

Tony Burton; David Sharpe; Nick Jenkins; Ervin Bossanyi. 2001

[5] Óscar Martínez Oterino, “Protecciones en generadores”, Apuntes de la

asignatura de Protecciones eléctricas de la Escuela Técnica Superior

de Ingeniería ICAI, 2010.

[6] Medium Voltage Converter for Permanent Magnet Wind Power Generators up to

5 MW. Alexander Faulstich, Jürgen K. Steinke, Fritz Wittwer

[7] Full-Scale Medium-Voltage Converters for Wind Power Generators up to 7MVA

Philippe Maibach, Alexander Faulstich, Markus Eichler, Stephen Dewar.

[8] Alstom 5 MW Permanent Magnet Offshore Wind Energy Converter.

Dr. Georg Möhlenkamp.

[9] Diseño de aerogeneradores.

Manuel Leal Rubio. Aitor Domínguez Martin. Álvaro León Reneses. Agustín

Marcos Barrio. Alfonso Arbeteta Durán. Emilio Lechosa Urquijo

[10] Enercon. Descripción técnica E-82.

[11] Catálogo Circutor. Transformadores de protección.

[12] Catálogo Circutor. Relés y transformadores de protección.

[13] IEM. Transformadores de distribución de alta eficiencia.

[14] ABB. Transformadores de distribución. Tipo seco encapsulado al vacío.

[15] Alkargo. Transformadores secos encapsulados.

Bibliografía

139




[16] ABB. Dry-type transformers. RESIBLOC. Transformer technology reducing

environmental impact.

[17] General Electrics.G60 Generator Protection System. UR Series Instruction

Manual.

[18] Fanox. Protección y control

[19] Bonfiglioli. Yaw and Pitch Drive solutions. August/September 2010

Fabio Campana. Roberto Lambruschi.

[20] Prysiam. Cables para redes de Media Tensión Catálogo General.

[21] Prysiam. Cables para redes de Media Tensión Catálogo General.

[22] Situación española en el mercado eólico

www.aeeolica.com

[23] Sistemas de orientación.

http://www.suzlon.de/english/seiten/azimut_s.html

Bibliografía

140




Parte II PRESUPUESTO

Presupuesto

141




Capítulo 1 PRESUPUESTO

En este capítulo se va a calcular el presupuesto del sistema eléctrico de este

proyecto.

Mediciones y precios unitarios

Componente Nº de

unidades

Precio unidad

Convertidor ABB

ACS800-77LC 3.1MW

2

230.000 €

Sistema de protecciones

G60 de General Electrics

3

4.500 €

Transformadores de

medida de intensidad

12

738 €

Transformadores de

medida de tensión

12

385 €

Transformador ABB

6 MW

1

253.455 €

Circuito de salida de

potencia

3

3.675€

Motores del sistema de

orientación 5.5 Kw

8

2.300 €

Presupuesto

142





paso 38 Kw

3

7200 €

Componente Metros

necesarios

Total metros

necesarios

€/km

Prysmiam

Retenax Valio

5x3x25 m 375 m 186.356 €/km

Prysmiam

Retenax MT

3x130 m 390 m 45.972 €/km

Prysmiam

Superastic Flex

4mm2

8x20 m 160 m 2.622 €/km

Prysmiam

Superastic Flex

50mm2

3x30 m 60 m 25.290 €/km

Tabla 13.Mediciones y precios unitarios

Presupuesto

143




Sumas parciales

Componente Nº de

unidades

Precio unidad Precio total

Convertidor ABB

ACS800-77LC 3.1MW

2

230.000 €

460.000 €

Sistema de protecciones

G60 de General Electrics

3

4.500 €

13.500 €

Transformadores de

medida de intensidad

12

738 €

8.856€

Transformadores de

medida de tensión

12

385 €

4620 €

Transformador ABB

6 MW

1

253.455 €

253.455 €

Circuito de salida de

potencia

3

3.675€

11.025€


orientación 5.5 Kw

8

2.300 €

18.400 €


paso 38 Kw

3

7200 €

21.600 €

Componente Metros

necesarios

€/km Precio Total

Prysmiam

Retenax Valio

375 m

186.356 €/km

69.883 €

Presupuesto

144




Prysmiam

Retenax MT

390 m 45.972 €/km 17.929 €

Prysmiam

Superastic Flex (6mm2)

160 m 2.622 €/km 420 €

Prysmiam

Superastic Flex (95mm2)

90 m 25.290 €/km 2.276 €

Tabla 14. Sumas parciales

El presupuesto del equipo sistema eléctrico de este proyecto alcanza los

881.964 €.

Presupuesto

145




Presupuesto General

Fabricación y mano de obra

Se estima que son 6 operarios, trabajando un mes y medio, a 35€/h.

40h/sem*6sem*35€/h = 50.400 €

Ingeniería

Los gastos de ingeniería son de un año y un par de de meses ( unas 2000

horas), a 43 €/h.

2000h*43 €/h = 86.000 €

Costes indirectos

Alrededor de 7 %.

0.07*881.964 =61.684 €

Gastos generales

Alrededor de 13 %.

0.13*881.964 = 114.556 €

Precio de venta

1.194.604/0.94 = 1.270.048 €

Beneficio

Alrededor de 6 %.

0.06 *1.270.048 = 76.202 €

Presupuesto

146




Componente Precio total

Coste del equipo 881.964 €

Fabricación y mano de obra 50.400 €

Ingeniería 86.000 €

Costes indirectos 61.684 €

Gastos generales 114.556 €

Total 1.194.604 €

Precio de venta 1.270.048 €

Beneficio 76.202 €

Tabla 15. Presupuesto general

147




148




149




150




Documents

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS E T S ICircuito entrada al inversor La turbina funciona a una velocidad de giro variable. Así pues, la turbina generará corriente alterna de frecuencia