La presente invención se refiere a un sistema que permite mantener el suministro de energía eléctrica en caso de variaciones o cortes del suministro de corriente eléctrica en una red pública o privada de electricidad, incluyendo el sistema además medios para compensar sobrecargas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las solicitudes españolas de patente ES-A-

8900495 (correspondiente a la solicitud británica de patente GB-A-2229329) y ES-A-9102561 (correspondiente a la solicitud británica de patente GB-A-2261778) describen sistemas que comprenden una máquina síncrona que comprende medios de motor eléctrico y medios de alternador. Normalmente, los medios de motor se alimentan desde la red. Los sistemas comprenden también un motor de combustión interna, por ejemplo un motor Diesel, que sirve para proporcionar potencia a la máquina síncrona en el caso de un fallo en la red, para que los medios de alternador puedan seguir alimentando a una carga. Además, los sistemas reflejados en dichas solicitudes comprenden un motor hidráulico, que sirve para proporcionar energía a la máquina síncrona durante el tiempo que transcurre desde la detección de un fallo en la red hasta que el motor de combustión interna puede aportar la potencia necesaria a la máquina síncrona. Así mismo, el motor hidráulico puede servir para arrancar el motor diesel. En ES- A-9102561, el motor hidráulico también sirve para compensar por sobrecargas. Una desventaja de los sistemas descritos en lo anterior, es que el motor hidráulico necesita un cierto tiempo para entrar en funcionamiento y proporcionar la potencia deseada a la máquina síncrona, ya que en estado de reposo el motor hidráulico permanece parado para no sufrir desgaste innecesario y para reducir el consumo de energía.

Esto implica que puede llegar a ser necesario o conveniente incorporar volantes de inercia relativamente grandes, para asegurarse de poder mantener la frecuencia a la salida de los medios de alternador dentro de unos límites determinados, correspondientes al nivel de tolerancia establecido. Estos volantes de inercia implican costes elevados y diversos problemas prácticos, conocidos por el experto medio en la materia.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El sistema de la invención se compone básicamente de una máquina síncrona que cumple las funciones de electromotor y de alternador síncronos, acoplada mediante medios de acoplamiento a un motor de combustión interna, preferentemente un motor Diesel. Así mismo y en adición al motor de combustión interna, el sistema de la invención incluye medios de aportación de energía a la máquina síncrona que comprenden una turbina. Dicha turbina incluye un eje, una pluralidad de toberas, medios de conducción de fluido a presión desde medios de acumulación de fluido a presión hasta las toberas, y medios de liberación de fluido a presión de forma que el fluido sea expulsado por las toberas. Las toberas están dispuestas de forma que la expulsión de fluido a través de ellas imparta un par de rotación al eje. Además, el sistema incluye los medios de acumulación de fluido a presión y medios (preferiblemente, medios electrónicos) de control. Los medios de control incluyen medios para controlar la expulsión de fluido por las toberas. El fluido a presión puede ser líquido o gaseoso, por ejemplo, aire comprimido.

Preferentemente, todos los elementos del sistema se encuentran montados en una bancada.

Preferentemente, la máquina síncrona va acoplada a un volante de inercia o a una pluralidad de volantes de inercia.

La potencia del motor de combustión interna puede corresponder a la potencia nominal del sistema. La

máquina síncrona puede comprender uno o varios alternadores, correspondientes cada uno a un circuito galvánicamente independiente que se desea mantener alimentado. En el caso de que haya varios alternadores, éstos están unidos mecánicamente entre sí y, opcionalmente, a un volante de inercia. Los alternadores pueden estar unidos mediante acoplamientos rígidos entre sus ejes, o mediante acoplamientos flexibles. En cuanto al volante de inercia, éste puede ser de dimensiones reducidas en comparación con los volantes de anteriores sistemas, debido a la incorporación de la turbina. El volante puede encontrarse acoplado a la máquina síncrona mediante engranajes a mayor velocidad.

Los medios de acoplamiento entre el motor de combustión interna y la máquina síncrona se componen preferentemente de un embrague del tipo de rueda libre.

En cuanto a la turbina, ésta corresponde a una turbina de reacción, a una turbina de acción o a una turbina combinada de reacción/acción, según las dimensiones del sistema, las características de potencia y de tiempo de respuesta deseadas y los aspectos prácticos y económicos en cada caso.

Cuando se trata de sistemas de gran potencia (típicamente de más de 800 kVA), la turbina es preferentemente de tipo reacción o de combinación reacción/acción. En este caso, las toberas giran con el eje de la turbina, y sirven para la aceleración del fluido a presión para mantener la velocidad de rotación de la máquina síncrona dentro de los límites establecidos. Estas toberas que se encuentran emplazadas radialmente con la salida tangencial del fluido a presión, reciben el caudal desde los medios de acumulación de fluido a presión por los medios de conducción anteriormente mencionadas . En el caso de funcionamiento por reacción o por reacción/acción, las toberas aceleran fluido a presión que puede ser suministrado

a la turbina mediante conducciones radiales desde una pieza central que abraza el eje de la turbina y que comprende una junta giratoria. El eje de la turbina puede ser solidaria al eje de la máquina síncrona o estar unido a ésta mediante acoplamientos rígidos o elásticos o incluso mediante engranajes a diferente velocidad. La pieza central puede recibir un caudal de fluido a presión cuando se activan los medios de liberación de fluido a presión, por ejemplo al activarse eléctricamente una válvula conectada en serie entre dicha pieza central y los medios de acumulación de fluido a presión.

En el caso de sistemas de menor potencia las turbinas también pueden ser de tipo acción, que incluyen miembros mecánicos como paletas o similares, unidas al eje de la turbina de forma que giran con el eje, estando las toberas dispuestas de forma que la expulsión de fluido por las toberas imparte un par de rotación al eje en base a un fenómeno de acción sobre la paletas.

Sobre todo cuando las velocidades lineales de las toberas giratorias son altas, basta en un principio con los efectos de reacción. Esto puede corresponder a sistemas de diámetros del orden de 1,5 a 2 metros. (El diámetro corresponde al diámetro del círculo imaginario pasante por las toberas) . Sobre todo cuando las velocidades son intermedias, puede ser conveniente emplear una turbina de la combinación reacción/acción. En estos sistemas, las toberas van unidas al eje giratorio, tal y como en el sistema de reacción. Sin embargo, la turbina reacción/acción incluye una pluralidad de miembros mecánicos de tipo alabes (o cucharas) fijos (fijos en un bastidor es decir, que no giran con el eje), sobre los que rebota el fluido expulsado de las toberas. En asociación con las toberas existe un número de miembros mecánicos de tipo cucharas o paletas, unidos al eje de la turbina, sobre los que actúa el fluido que rebota de

los alabes fijos. De esta forma, se combina los efectos de reacción (por el fluido expulsado de las toberas) y acción (por el fluido que actúa sobre las paletas unidas al eje, después de rebotar contra los alabes fijos). Este concepto puede corresponder a sistemas con un diámetro del orden de 1,2 - 1,5 metros.

Sobre todo cuando las velocidades son bajas, se puede utilizar una turbina basada solamente en el efecto de acción, en la cual las toberas son fijas y las cucharas o paletas giratorias. Este concepto puede corresponder a sistemas con un diámetro del orden de menos de 1,2 metros.

Normalmente, los diámetros son proporcionales a las potencias de los sistemas.

Los medios de acumulación y liberación de fluido a presión (por ejemplo, aire comprimido) se componen esencialmente de al menos un compresor de alta presión, al menos un depósito acumulador de fluido de alta presión, al menos una válvula de control del flujo de fluido, así como conducciones que conectan entre sí la válvula, el compresor así como el o los depósitos de fluido de alta presión.

La operación de la válvula de liberación de fluido a presión, aunque controlada por vía eléctrica, puede realizarse mediante un servomecanismo que recibe fluido a presión de un calderín a baja presión, que comunica con el depósito de fluido de alta presión a través de un reductor de presión.

En cuanto a los medios de control, preferiblemente medios electrónicos de control, se distinguen dos aspectos a saber el de la potencia y el del control. En lo que se refiere al control de potencia, cuando la red pública o privada suministra correctamente la energía eléctrica, el sistema, a saber la máquina síncrona, recibe energía eléctrica a través de medios de reactancia, que pueden estar constituidos por una inductancia. Ventajosamente, los medios de reactancia pueden estar

conectados entre primeros medios interruptores, situados entre los medios de reactancia y la red, y terceros medios interruptores, situados entre los medios de reactancia y la máquina síncrona. La máquina síncrona puede estar conectada mediante dichos terceros medios interruptores y a través de segundos medios interruptores, a la carga, estando los segundos medios interruptores situados en serie entre los medios de reactancia y la carga. Si el sistema incluye una pluralidad de alternadores, éstas pueden estar acopladas mediante medios interruptores correspondientes, a las respectivas cargas, es decir los respectivos consumidores de energía eléctrica, que se desean proteger. La tensión a la carga es la correcta producida por el alternador correspondiente, por ejemplo por la máquina síncrona. Este absorbe energía de la red, a través de los medios de reactancia, y actúa como autotransformador rotativo, usando el mismo devanado, merced a la tensión que cae en dichos medios de reactancia.

Preferentemente, para que pueda desconectarse el sistema de la red, cuando deben realizarse labores de revisión, mantenimiento o reparación del sistema en ausencia de corriente eléctrica, se prevén cuartos medios interruptores mediante los que la carga puede conectarse directamente a la red, cuando se desconecta el sistema de la red mediante los terceros medios interruptores.

En lo que se refiere al control del sistema, éste se realiza mediante medios de control, preferentemente comprendidos en una unidad central de control conectada separadamente a medios sensores respectivamente de la velocidad de rotación de la máquina síncrona y del motor de combustión interna, así como a medios detectores de variables relevantes de la red eléctrica. La unidad central de control gobierna el sistema enviando señales eléctricas de actuación a los diversos medios interruptores, a medios de regulación de la velocidad del motor de combustión interna, a medios de

arranque y de parada del motor de combustión interna, a medios de regulación de la tensión del alternador, al regulador de la excitación del alternador para corregir el factor de potencia de la instalación eléctrica global, a la válvula de paso de fluido a presión, a medios que arrancan y paran el compresor, y eventualmente a un dispositivo de precalentamiento del motor de combustión interna. Los medios de control reciben información de sensores que miden distintos parámetros, por ejemplo, la velocidad de rotación de la máquina síncrona y la velocidad del motor de combustión interna.

Básicamente, podría decirse que el control comprende dos conceptos a saber, acciones principales y acciones secundarias. Las acciones principales corresponden a la puesta en marcha de la turbina en el momento adecuado, para asegurar la velocidad de la máquina síncrona en todo momento. Durante la ausencia de la red, la turbina actúa como apoyo al motor de combustión interna, compensando la inserción de nuevas cargas y/o por sobrecargas. Al producirse un fallo en la red, la turbina sirve para mantener la velocidad de la máquina síncrona, hasta que el motor de combustión interna haya arrancado y adquirido su velocidad nominal.

Para ello, es preciso medir con precisión la velocidad de rotación de la máquina síncrona, lo que puede llevarse a cabo mediante, por ejemplo, un captador magnético sobre una rueda dentada. Los medios de control pueden estar programados de forma que al detectarse una disminución de 0,25% de la velocidad nominal en la velocidad de rotación de la máquina síncrona, se ordena la actuación de la turbina, abriéndose los medios de liberación de fluido a presión. Mediante tal servomecanismo, se puede mantener la velocidad de rotación dentro de unos limites del orden del +/- 1% (dependiendo, lógicamente, de la inercia del conjunto). Las acciones secundarias se refieren a los

automatismos eléctricos de ausencia y retorno de la red, de by-pass de mantenimiento, del precalentamiento del motor de combustión interna, del arranque del mismo, del paro, de la recarga automática de los recipientes de presión (acumuladores), de los elementos informativos del motor de combustión interna, de la información de las variables eléctricas, etc.

En presencia de potencia eléctrica suministrada por la red pública o privada, mediante el sistema de la invención se consigue el acondicionamiento de los valores de tensión recibida por la carga de tal manera que dicha tensión no sobrepase unos determinados límites, preferentemente + 2% en régimen estacionario y + 8% en régimen transitorio (menos de 150 milisegundos) , sea cual sea el valor de la tensión de entrada de la red. En presencia de la red y en la configuración eléctrica de potencia elegida, la máquina síncrona recibe su suministro de energía eléctrica de dicha red de manera que mantiene su movimiento de rotación mediante la energía que recibide a través de una inductancia conectada en serie con dicha máquina. En este caso, el alternador asociado a la máquina síncrona se comporta como un "autotransformador rotativo" y produce en sus bornes la tensión nominal requerida por la carga dentro de los límites de tolerancia deseados mediante la adecuada selección del alternador. La diferencia vectorial entre la tensión generada por el alternador y la tensión aportada por la red queda en los bornes de la inductancia destinada a este fin (que puede tener un valor correspondiente a aproximadamente una tercera parte del valor de la inductancia del alternador) . De este modo, el rendimiento del sistema eléctrico se ve únicamente reducido por las pérdidas ohmicas en el material, por ejemplo cobre, tanto de la inductancia como de los devanados del alternador, las pérdidas en ambos hierros (es decir, los hierros de la inductancia y del alternador), además de unas pequeñas pérdidas mecánicas del alternador y las de

ventilación del mismo. De esta manera, se consiguen rendimientos superiores al 95%, es decir, rendimientos que superan los de sistemas de tipo estático con baterías. Además, el sistema según la invención permite el manejo de cargas no-lineales (lo cual es difícil si se utilizan convertidores estáticos UPS, ya que éstos requieren un sobredimensionado considerable), y la reinyección de armónicos hacia la red se disminuye casi en un orden de magnitud, en comparación con la reinyección en el caso de emplearse rectificadores estáticos con tiristores.

Por otra parte, en ausencia de la red pública se consiguen valores eléctricos esencialmente similares a los valores eléctricos cuando la red está presente, además de mantenerse la frecuencia en un entorno de aproximadamente del ± 1% del valor nominal en régimen permanente, y en un límite mayor en régimen transitorio (preferentemente < 0,5 segundos) que dependeré del valor de la carga que tenga que alimentar, y que influirá en las características específicas de diseño de cada solución técnica (relación volante de inercia/margen de variación de frecuencia, etc.).

En el momento de producirse una ausencia de la red pública, o bien un cortocircuito en las proximidades de la entrada del sistema o cualquier otro fallo en el suministro desde la red a la máquina síncrona, los medios de control detectan una tendencia a la disminución de la velocidad de rotación del alternador, mediante la información que a tal efecto proporcionan medios sensores (por ejemplo, un captador magnético) correspondientes. Al detectar esta tendencia, los medios de control dan las instrucciones oportunas a los primeros medios interruptores para evitar la cesión de energía a la red, a la vez que actúan sobre los medios de liberación de fluido (por ejemplo, aire) a presión para que la turbina aporte energía a la máquina síncrona. La turbina puede estar sólidamente unida al eje de la máquina síncrona y/o al volante de inercia, de forma que siempre gira

con la misma velocidad que dicho eje, de tal modo que en un breve lapso de tiempo, la turbina puede proporcionar el par de rotación necesario para mantener la velocidad de rotación de la máquina síncrona al mismo tiempo que ésta continúa cediendo la energía apropiada a la carga.

Simultáneamente, los medios de control dan instrucciones al motor de combustión interna para que éste pueda hacerse cargo del suministro de energía para el correcto funcionamiento del sistema. Aquí pueden contemplarse al menos los siguientes modos de operación:

El motor de combustión interna puede encontrarse parado durante la operación normal del sistema; en tal caso, al producirse un fallo en la red, los medios de control dan una orden de arranque del motor, que puede arrancarse eléctricamente, mediante fluido (por ejemplo, aire) a presión y/o hidráulicamente.

Otra posibilidad consiste en dejar el motor en stand-by al ralentí, por ejemplo a 300/500 r.p.m. En este caso, los medios de control dan las instrucciones oportunas a un regulador de velocidad para que el motor de combustión interna pase a modo isócrono a la velocidad nominal.

Otra posibilidad consiste en dejar que el motor se encuentre en stand-by a una velocidad ligeramente inferior a la nominal (pero sin ceder potencia al sistema); en tal caso, los medios de control dan las instrucciones oportunas para que el motor pase a modo isócrono a la velocidad nominal.

En base a estas tres posibilidades de operar el motor de combustión interna, el sistema puede diseñarse de diferentes formas, en función de los resultados de transitorios de frecuencia que se deseen obtener. Factores que pueden tenerse en cuenta cuando se elige el modo de funcionamiento son, por ejemplo, si la máxima estabilidad de frecuencia es necesaria solamente durante momentos determinados del día, si el sistema no opera las 24 horas

del día, si se producen sobrecargas solamente en determinados momentos, etc.

El sistema de control permite programar diferentes modos de funcionamiento a lo largo de períodos diarios, semanales etc.

También el sistema podría funcionar temporalmente como "cogenerador" , tanto por motivos de "peak sharing" para ahorrar costes en la aplicación de las tarifas eléctricas, por motivos de potencia real instalada (que podría ser inferior a la demanda en determinados momentos), o finalmente por interés de facturar kW a la compañía eléctrica.

Una vez que el motor de combustión interna ha asumido la responsabilidad de alimentar la carga, dicho motor mantiene su velocidad constante gracias a un regulador de velocidad, que puede ser mecánico o eléctrico. Para mejorar la respuesta del sistema ante bruscos cambios de carga, el regulador puede incorporar un módulo sensor de corriente del alternador, que permita una respuesta más rápida del regulador, manteniendo dentro de un menor margen las desviaciones de frecuencia en el caso de tales cambios bruscos.

Independientemente de la existencia de tal módulo sensor de corriente, el funcionamiento del sistema de apoyo descrito durante la ausencia primaria de la red, se sigue manteniendo durante el funcionamiento del motor de combustión interna como fuente primaria de energía, de modo que si se produjera una caída de frecuencia cuya pendiente de descenso, a juicio de los medios de control, presumiera la imposibilidad de que el motor de combustión interna pudiera mantener la frecuencia dentro de los límites tolerables, como puede ocurrir en el caso de una importante sobrecarga, el sistema se pondría en marcha, aportando la turbina energía a la máquina síncrona, de forma que la velocidad del alternador se mantenga dentro de los límites correctos (siempre que la

potencia requerida por la carga no exceda la suma de la potencia que pueda aportar la turbina y el motor de combustión interna; por ejemplo, 200% de la potencia nominal que suele aplicarse a la carga). El sistema puede estar programado para que el motor de combustión interna arranque siempre que la velocidad del alternador disminuya con, por ejemplo, un 0,25%; simultáneamente, la turbina se pone en marcha.

Cuando se produce una sobrecarga en presencia de la red, lo único que se ve afectado es el valor de la tensión, pues la frecuencia se mantiene constante aunque la sobrecarga llegue al 150%, si ésta no dura más de unos segundos .

Si la sobrecarga es muy grande, o muy persistente, la máquina síncrona podría salirse del sincronismo, reduciendo repentinamente la velocidad de rotación. En ese momento, se produciría una sobrecorriente que haría desconectar la máquina síncrona de la red, mediante los primeros medios interruptores. Entonces, se arrancarían la turbina y el motor térmico.

Sin embargo, en ausencia de la red, es decir bajo funcionamiento del motor de combustión interna, cualquier sobrecarga podría producir el accionamiento temporal de la turbina para apoyar al sistema y mantener la frecuencia dentro de los límites deseados.

En una realización de la invención, el sistema de control puede estar adaptado para medir tanto la velocidad de rotación de la máquina síncrona y los valores de la red, como para tomar decisiones acerca de la actuación de la turbina y del motor de combustión interna en base a dichas medidas, utilizándose los medios de medición y cálculo apropiados.

Básicamente, el motor de combustión interna arranca cuando recibe la orden de arranque de los medios de control. Estos medios pueden basar una decisión de arranque

en la medición de, por ejemplo, los siguientes datos: Velocidad de rotación de la máquina síncrona; aceleración positiva o negativa de la rotación de la máquina síncrona (calculada por los medios de control); intensidad de corriente en la carga; intensidad de corriente de alimentación; intensidad de corriente del alternador. Las corrientes se miden para determinar la presencia o no presencia de la red.

En base a estas mediciones, los medios de control operan de la siguiente forma:

1) Ante la evidencia de la ausencia de la red, detectada bien en base a la detección de una disminución de la velocidad de rotación de la máquina síncrona por encima de un nivel predeterminado o bien por la información obtenida por las medidas eléctricas, siempre se pone en marcha la turbina.

2 ) A partir del momento de arranque de la turbina, los medios de control deciden el momento de poner en marcha el motor de combustión interna. Los medios de control pueden estar programados de no dar una orden de arranque al motor de combustión interna en el caso de producirse un corte muy breve. Por ello, en el caso de un retorno rápido de la red después de un fallo, es posible que el motor de combustión interna no llegue a arrancarse. El tiempo de espera antes de dar la orden de arranque puede ser programable y puede situarse entre, por ejemplo, 0 y 60 segundos.

Cuando se emplea más de un alternador, se dispone una máquina síncrona primaria cuya potencia es superior a la suma de las potencias de los alternadores restantes. En este caso, la máquina síncrona primaria actúa parcialmente como motor y transmite energía mecánica a los alternadores restantes o secundarios. En este caso, cada uno de los alternadores secundarios alimenta un circuito galvánicamente independiente. Los alternadores secundarios

pueden funcionar a frecuencias distintas de la de la máquina síncrona primaria, en dependencia de los propósitos y de las cargas que tengan que alimentar.

Para mantener suficiente fluido (por ejemplo, aire) en el depósito de fluido de de alta presión, los medios de acumulación de fluido a presión incluyen un sistema de recarga, que ventajosamente puede estar compuesto por un motor (preferentemente un motor eléctrico) que mueve una bomba reversible de fluido hidráulico capaz de operar con altas presiones. Esta bomba tiene tubos colectores de entrada y salida que están conectadas a dos acumuladores de aceite (un primer acumulador y un segundo acumulador) de forma que el aceite puede ser bombeado entre los acumuladores de aceite por la bomba. Cada acumulador de aceite incluye una membrana separadora, que separa el aceite de un espacio para el otro fluido.

Los medios de control del sistema miden la presión en el depósito de fluido de alta presión y controlan la operación de la bomba. La bomba actúa cuando la presión en dicho depósito se halla por debajo de un nivel predeterminado, y se para cuando la presión sube por encima de dicho nivel; para este fin, el depósito (o los depósitos) están dotados con los medios sensores de presión correspondientes, conectados a los medios de control.

El sistema de recarga funciona en base a aspirar fluido desde una toma de fluido (por ejemplo, una toma de aire), a través de un filtro y de una válvula anti-retorno de entrada, hasta el espacio para fluido del primer acumulador de aceite, bombeándose aceite desde dicho primer acumulador al segundo acumulador de aceite. Al bombearse el aceite al segundo acumulador, se obliga al fluido contenido en el espacio para fluido del segundo acumulador a salir de dicho espacio de fluido, por la presión que ejerce el aceite, pasando el fluido al depósito (o los depósitos) de fluido de

alta presión a través de una válvula anti-retorno de salida. Posteriormente se invierte el ciclo, bombeándose aceite desde el segundo acumulador de aceite al primero, aspirándose fluido desde la toma de fluido y a través de una válvula anti-retorno de entrada hasta el segundo acumulador, y forzando al fluido contenido en el primer acumulador a pasar al depósito de fluido a alta presión, a través de una válvula anti-retorno de salida.

Los ciclos de bombeo se repiten hasta llegar la presión en el depósito de fluido de alta presión a un nivel determinado.

Los acumuladores de aceite, el depósito de fluido a alta presión, el reductor de presión acoplado al calderín y la válvula que forma parte de los medios de liberación de fluido a presión pueden estar interconectados a través de conductos conectados a un colector, que puede consistir en un bloque, por ejemplo un bloque metálico, que tiene un espacio interior que comunica con el exterior a través de orificios roscados, en los que se acoplan los conductos.

Si el sistema de recarga se pone en marcha inmediatamente después de un fallo de red, el motor de combustión interna puede mantenerse en marcha aún incluso después del retorno de la red, hasta que el sistema de recarga termine el ciclo de recarga es decir, hasta que la presión en el depósito de fluido de alta presión supere la establecida para que se pare la recarga del depósito. La razón para mantener el motor de combustión interna funcionando es que así se reduce el riesgo de que el sistema pudiera encontrarse sin presión suficiente para que la turbina pueda aportar la potencia adecuada a la máquina síncrona, en el caso de producirse varios cortes consecutivos .

Si como fluido se emplea aire atmosférico, debe tenerse en cuenta que, dada la elevada presión a la que se

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somete al aire atmosférico, es normalmente inevitable la condensación del agua contenido en disolución en el mismo, por lo que resulta necesario que a cada ciclo de operación del sistema de recarga, se produzca drenaje del mismo. Este drenaje se produce cuando se aspira aire del exterior, ya que la válvula anti-retorno correspondiente a la toma de aire, se abre, dejando que el agua salga a través del barboteo del aire que entra al crearse la depresión generada por la extracción del aceite del otro lado de la membrana del acumulador correspondiente.

Tal y como se ha indicado en lo anterior, según una realización preferida de la invención, el motor a combustión interna está acoplada a la máquina síncrona mediante un embrague tipo rueda libre. Esto es ventajoso, ya que así varios sistemas pueden funcionar en paralelo sin necesidad de incorporar un sistema de control común para asegurar que no se produzca el fenómeno de potencia inversa es decir, para asegurar que no pueda ocurrir que un motor reciba o absorba energía del alternador y, por lo tanto, actué como un freno para el alternador. Dado que el motor de combustión interna está acoplado a la máquina síncrona mediante un embrague de tipo rueda libre, un sistema según la presente invención puede funcionar en paralelo con otros sistemas iguales o similares, sin que un equipo pueda acelerar el motor de combustión interna de otro, y esto sin medios comunes de control. Esto puede ser importante, ya que así se pueden realizar sistemas realmente redundantes; obviamente, una redundancia completa sólo existe cuando todos los componentes, incluidos los medios de control, son independientes.

En este sentido, también es posible acoplar la turbina a la máquina síncrona a través de un embrague de tipo rueda libre.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

A continuación se describirá una realización de la invención en base a las siguientes figuras: Figura 1 : Vista esquemática del sistema Figura 1A: Representación simbólica de la división de la máquina síncrona en medios de motor eléctrico y medios de alternador.

Figura 2 : Vista esquemática de la turbina, acoplada a los medios de acumulación de fluido a presión.

Figura 3 : Vista en alzado frontal de la turbina, según una modalidad de la invención.

Figura 4A: Representación de la modalidad de reacción. Figura 4B: Representación de la modalidad de acción Figura 4C: Representación de la modalidad de reacción. Figura 5: Vista esquemática de los medios de acumulación de fluido a presión y su conexión a los medios de liberación de fluido a presión.

Figura 6: Vista en alzado lateral de una realización concreta del sistema. Figura 7 : Vista esquemática de un sistema que comprende una pluralidad de alternadores. Figura 8: Vista esquemática de una pluralidad de sistemas según la presente invención, acoplados en paralelo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La figura 1 es una vista esquemática del sistema según una realización preferida del mismo, según la que el fluido a presión es aire comprimido. El sistema incluye una máquina síncrona (1), acoplada a un volante de inercia (6) y a un motor de combustión interna (2) (preferentemente un motor Diesel) a través de primeros medios de acoplamiento mecánico (8). Estos primeros medios de acoplamiento mecánico pueden incluir un embrague del tipo de rueda libre. La máquina síncrona también está acoplada a una turbina (3),

a través de segundos medios de acoplamiento mecánico (9). La turbina (3) está dispuesta para recibir aire a presión desde medios de acumulación de aire comprimido (4). Los segundos medios de acoplamiento mecánico (9) que interconectan la turbina (3) y la máquina síncrona (1) pueden consistir simplemente en una unión fija y sólida entre el eje (12) de la máquina síncrona (1) y el eje (11) de la turbina (3) (de hecho, el eje (11) de la turbina puede formar parte del eje (12) de la máquina síncrona (1)) o en acoplamientos rígidos o elásticos o incluso en engranajes a diferente velocidad. En cuanto al volante de inercia (6), éste puede estar unido de forma fija al eje (12) de la máquina síncrona (1) o, alternativamente, estar unido a la máquina síncrona (1) mediante engranajes a mayor velocidad. En una posible realización, la turbina (3) puede estar unida de forma fija al volante de inercia (6).

El sistema incluye medios de control (5), normalmente medios electrónicos de control.

La máquina síncrona está acoplada a la red (10) de forma que, cuando la red (10) pública o privada suministra correctamente la energía eléctrica, la máquina síncrona (1) recibe energía eléctrica a través de medios de reactancia (L), que pueden estar constituidos por una inductancia. Los medios de reactancia (L) pueden estar conectados entre primeros medios interruptores (Cl), situados entre los medios de reactancia (L) y la red (10), y terceros medios interruptores (C3), situados entre los medios de reactancia (L) y la máquina síncrona (1). La máquina síncrona (1) puede estar conectada mediante dichos terceros medios interruptores (C3) y a través de segundos medios interruptores (C2), a la carga (7), estando los segundos medios interruptores (C2) situados en serie entre los medios de reactancia (L) y la carga (7). La tensión a la carga es la correcta producida la máquina síncrona (1). Este absorbe energía de la red (10), a través de los medios de reactancia (L), y actúa como

autotransformador rotativo, usando el mismo devanado, merced a la tensión que cae en dichos medios de reactancia (L) .

Para que pueda desconectarse el sistema de la red, cuando deben realizarse labores de revisión, mantenimiento o reparación del sistema en ausencia de corriente eléctrica, se han previsto cuartos medios interruptores (C4) mediante los que la carga (7) puede conectarse directamente a la red (10), cuando se desconecta el sistema de la red mediante los terceros medios interruptores (C3).

Los medios de control (5) están conectados a sensores y actuadores relacionados con los diferentes componentes del sistema, ilustrándose las conexiones con las líneas a trazos de las figuras 1, 2 y 5. Entre otras cosas, los medios de control (5) están conectados a un captador (47) de la velocidad de rotación de la máquina síncrona.

La figura 1A representa de forma esquemática como la máquina síncrona comprende medios de motor eléctrico (1M) y medios de alternador (1A). La figura 2 ilustra como la turbina (3) incluye un eje (11), una rueda (13) o similar y medios de liberación de aire comprimido (14), que pueden incluir una válvula controlada por ejemplo de forma eléctrica y operada por un servomecanismo neumático, para controlar el flujo de aire desde los medios de acumulación de aire comprimido (4) a las toberas de la turbina (no ilustradas en la figura 2). En algunas realizaciones (tal y como se explica posteriormente), la turbina incluye toberas giratorias. En este caso, la distribución de aire a las toberas se realiza a través de una pieza central (15), que abraza el eje (11) de la turbina (3) y que comprende una junta giratoria.

La figura 3 ilustra una turbina (3) con toberas (16) giratorias, que reciben aire a presión a través de conducciones radiales (49) desde la pieza central (15). La pieza central (15) puede recibir un caudal de aire a presión

cuando los medios de liberación de aire comprimido (14 ₎ se activan, pasando el caudal de aire a presión a través de una válvula conectada en serie entre dicha pieza central (15 ₎ y los medios de acumulación de aire comprimido (4). En cuanto a la turbina (3), ésta corresponde a una turbina de reacción (ver las figuras 3 y 4A), a una turbina de acción (ver la figura 4B), o a una turbina combinada de reacción/acción (ver la figura 4C), según las dimensiones del sistema, las características de potencia y de tiempo de respuesta deseadas y los aspectos prácticos y económicos de cada caso.

Cuando se trata de sistemas de gran potencia (típicamente de más de 800 kVA) , la turbina (3) es preferentemente de tipo reacción o de combinación reacción/acción. En este caso, las toberas (16) giran con el eje (11) de la turbina, y sirven para la aceleración del aire a presión para mantener la velocidad de rotación de la máquina síncrona (1) dentro de los límites establecidos. Estas toberas (16) que se encuentran emplazadas radialmente con la salida tangencial del aire a presión (ver la figura 3), reciben el caudal desde los medios de acumulación de aire comprimido (4) por los medios de conducción anteriormente mencionadas.

Si el sistema es de tipo reacción (ver figuras 3 y 4A), las toberas (16) están unidas al eje (11) de forma que giran con el eje (11), y de forma que la expulsión de aire por las toberas (16) imparte un par de rotación al eje (11) en base a un fenómeno de reacción.

Si el sistema es de tipo acción-reacción (ver la figura 4C), las toberas (16) están unidas al eje (11) de la turbina (3) de forma que giran con dicho eje (11), estando las toberas dispuestas de forma que la expulsión de aire por las toberas (16) imparte un par de rotación a dicho eje (11) en base a un fenómeno de reacción, incluyendo el sistema además una pluralidad de primeros miembros mecánicos (21)

unidos a dicho eje (11) y una pluralidad de segundos miembros mecánicos (19) fijos en un bastidor (20), estando dichos segundos miembros mecánicos (19) dispuestos de forma que el aire expulsado por las toberas (16) en una primera dirección es redirigida en una segunda dirección sustancialmente opuesta a la primera dirección por dichos segundos miembros mecánicos (19), estando dichos primeros miembros mecánicos (21) dispuestas de forma que un flujo de aire en dicha segunda dirección ejerce una fuerza sobre dichos primeros miembros mecánicos (21) unidos al eje (11) de la turbina (3), de forma que esta fuerza contribuye a impartir un par de rotación a dicho eje (11). Dichos primeros (21) y segundos (19) miembros mecánicos pueden ser alabes, paletas o cucharas. En el caso de sistemas de menor potencia las turbinas (3) también pueden ser de tipo acción. En estos sistemas (ver la figura 4B) las toberas (16) están fijas en un bastidor (17) y dispuestas de forma que aire expulsado por dichas toberas (16) ejerce una fuerza sobre miembros mecánicos (18) giratorios, como alabes, paletas o similares, asociados con el eje (11) de la turbina (3), de forma que el aire expulsado imparte un par de rotación a dicho eje (11), en base a un fenómeno de acción sobre dichos miembros mecánicos (18) . Sobre todo cuando las velocidades lineales de las toberas giratorias son altas, basta en un principio con los efectos de reacción. Esto puede corresponder a sistemas de diámetros del orden de 1,5 a 2 metros. (El diámetro corresponde al diámetro del círculo imaginario pasante por las toberas (16)).

Sobre todo cuando las velocidades son intermedias, puede ser conveniente emplear una turbina (3) de la combinación reacción/acción. Este concepto puede corresponder a sistemas con un diámetro del orden de 1,2 - 1,5 metros.

Sobre todo cuando las velocidades son bajas, se puede utilizar una turbina (3) basada solamente en el efecto de acción. Este concepto puede corresponder a sistemas con un diámetro del orden de menos de 1,2 metros. Normalmente, los diámetros son proporcionales a las potencias de los sistemas.

La figura 5 ilustra de forma esquemática los medios de acumulación de aire comprimido (4) y su interconexión a los medios de liberación de aire comprimido (14). Los medios de acumulación de aire comprimido (4) incluyen un sistema de recarga, que ventajosamente puede estar compuesto por un motor (22) (preferentemente un motor eléctrico) que mueve una bomba (23) reversible de fluido hidráulico capaz de operar con altas presiones. Esta bomba (23) tiene tubos colectores de entrada y salida (24,25) que están conectadas a un primer acumulador (26) y a un segundo acumulador (27) de aceite (28), de forma que el aceite (28) puede ser bombeado entre los acumuladores de aceite (26,27) por la bomba (23). Cada acumulador de aceite (26,27) incluye una membrana separadora (29,30), que separa el aceite (28) de un espacio para aire (31,32).

Los medios de control (5) del sistema miden la presión en un depósito de aire de alta presión (33) y controlan la operación de la bomba (23). La bomba (23) actúa cuando la presión en dicho depósito de aire de alta presión (33) se halla por debajo de un nivel predeterminado, y se para cuando la presión sube por encima de dicho nivel; para este fin, el depósito (o los depósitos) (33) está dotado con los medios sensores de presión (34) correspondientes.

El sistema de recarga funciona en base a aspirar aire desde una toma de aire (35), a través de un filtro (36) y de una válvula anti-retorno de entrada (37), hasta el espacio para aire (31) del primer acumuladores de aceite (26), bombeándose aceite (28) desde dicho primer acumulador

(26) al segundo acumulador de aceite (27). Al bombearse el aceite (28) al segundo acumulador de aceite (27), se obliga al aire contenido en el espacio para aire (32) del segundo acumulador (27) a salir del segundo acumulador (27), por la presión que ejerce el aceite (28) a través de la membrana (30), pasando el aire al depósito (o los depósitos) de aire de alta presión (33) a través de una válvula anti-retorno de salida (39).

Posteriormente se invierte el ciclo, bombeándose aceite (28) desde el segundo acumulador de aceite (27) al primer acumulador (26), aspirándose aire desde la toma de aire (35) y a través de una válvula anti-retorno de entrada (38) hasta el segundo acumulador (27), y forzando al aire contenido en el primer acumulador (26) a pasar al depósito de aire a alta presión (33), a través de una válvula anti ^¬ retorno de salida (40).

Los acumuladores de aceite (26, 27), el depósito de aire a alta presión (33), y los medios de liberación de aire comprimido (14) están interconectados a través de conductos conectados a un colector (41), que puede consistir en un bloque, por ejemplo un bloque metálico, que tiene un espacio interior que comunica con el exterior a través de orificios roscados, en los que se acoplan los conductos.

Dada la elevada presión a la que se somete al aire atmosférico, es normalmente inevitable la condensación del agua contenida en disolución en el mismo, por lo que resulta necesario que a cada ciclo de operación del sistema de recarga, se produzca drenaje del mismo. Este drenaje se produce cuando se aspira aire del exterior, ya que la válvula anti-retorno (38,39) correspondiente a la toma de aire, se abre, dejando que el agua salga a través del barboteo del aire que entra al crearse la depresión generada por la extracción del aceite (28) del otro lado de la membrana (29, 30) del acumulador (26, 27) correspondiente. Como se puede contemplar en la figura 5, los

medios de liberación de aire comprimido (14) comprenden una válvula (42), controlada por los medios de control (5). Sin embargo, aunque controlada por vía eléctrica, la operación de esta válvula puede realizarse mediante un servomecanismo neumático (43), que recibe aire a presión de un calderín (44) a baja presión, que comunica con el depósito de aire de alta presión (33) a través de un reductor de presión (45).

La figura 6 es una vista en alzado lateral de una realización de la presente invención, en el que se puede contemplar la máquina síncrona (1), acoplada a dos volantes de inercia (6) y a la turbina (3) con su pieza central (15), toberas (16) y conducciones radiales (49), todo acoplado al motor de combustión interna (2) a través de los primeros medios de acoplamiento mecánico (8), incluyendo éstos un embrague tipo rueda libre (46). Los diferentes componentes del sistema están montados en una bancada (48).

Los medios de control (5), preferentemente comprendidos en una unidad central de control, están conectados separadamente al captador (47) de la velocidad de rotación de la máquina síncrona y a medios sensores de la velocidad de rotación del motor de combustión interna (2), así como a medios detectores de variables relevantes de la red eléctrica (10). La unidad central de control gobierna el sistema enviando señales eléctricas de actuación a los diversos medios interruptores (C1-C4), a medios de regulación de la velocidad del motor de combustión interna (2), a medios de arranque y de parada del motor de combustión interna (2), a medios de regulación de la tensión del alternador, al regulador de la excitación del alternador para corregir el factor de potencia de la instalación eléctrica global, a los medios de liberación de aire comprimido (14), a medios que arrancan y paran el motor eléctrico (22) del sistema de recarga, y eventualmente a un dispositivo de precalentamiento del motor de combustión interna (2). Las vías de transmisión de datos, órdenes e información entre los medios de control

(5) y los diferentes componentes del sistema están ilustradas de forma esquemática en las figuras 1, 2 y 5 (ver líneas trazadas) .

Básicamente, podría decirse que el control comprende dos conceptos a saber, acciones principales y acciones secundarias.

Las acciones principales corresponden a la puesta en marcha de la turbina (3) en el momento adecuado, para asegurar la velocidad de la máquina síncrona (1 ) en todo momento. Durante la ausencia de la red (10), la turbina (3) actúa como apoyo al motor de combustión interna (2), compensando por la inserción de nuevas cargas y/o por sobrecargas. Al producirse un fallo en la red (10), la turbina (3) sirve para mantener la velocidad de la máquina síncrona (1), hasta que el motor de combustión interna (2) haya arrancado y adquirido su velocidad nominal.

Para ello, es preciso medir con precisión la velocidad de rotación de la máquina síncrona (1), lo que puede llevarse a cabo mediante el captador (47), que puede ser un captador magnético sobre una rueda dentada.

En el momento de producirse una ausencia de la red (10), o bien un cortocircuito en las proximidades de la entrada del sistema o cualquier otro fallo en el suministro desde la red (10) a la máquina síncrona (1), los medios de control (1) detectan una tendencia a la disminución de la velocidad de rotación de la máquina síncrona, mediante la información que a tal efecto proporciona el captador (47). Al detectar esta tendencia, los medios de control (5) dan las instrucciones oportunas a los primeros medios interruptores (Cl) para evitar la cesión de energía a la red (10), a la vez que actúan sobre los medios de liberación de aire comprimido (14) para que la turbina (3) aporte energía a la máquina síncrona (1). La turbina (3) puede estar sólidamente unida al eje (12) de la máquina síncrona (1), de forma que siempre gira con la misma velocidad que dicho eje (12), de tal modo

que en un breve lapso de tiempo, la turbina (3) puede proporcionar el par de rotación necesario para mantener la velocidad de rotación de la máquina síncrona (1) al mismo tiempo que ésta continúa cediendo la energía apropiada a la carga (7 ) .

Simultáneamente, los medios de control (5) dan instrucciones al motor de combustión interna (2) para que éste pueda hacerse cargo del suministro de energía para el correcto funcionamiento del sistema. Durante la ausencia primaria de la red (10), se mantiene el motor de combustión interna como fuente primaria de energía. Si se produjera una caída de frecuencia cuya pendiente de descenso, a juicio de los medios de control (5), presumiera la imposibilidad de que el motor de combustión interna (2) pudiera mantener la frecuencia dentro de los límites tolerables, como puede ocurrir en el caso de una importante sobrecarga, el sistema se pondría en marcha, aportando la turbina (3) energía a la máquina síncrona (1), de forma que la velocidad del alternador se mantenga dentro de los límites correctos (siempre que la potencia requerida por la carga (7) no exceda la suma de la potencia que pueda aportar la turbina (3) y el motor de combustión interna (2); por ejemplo, 200% de la potencia nominal que suele aplicarse a la carga) . La figura 7 es una ilustración esquemática parcial de un sistema según la presente invención, que comprende una pluralidad de alternadores, unidos al mismo eje (12) (y a un volante de inercia (9) y una turbina (3). El sistema comprende una máquina síncrona primaria (l ¹ ) cuya potencia es superior a la suma de las potencias de los alternadores secundarios (1' ' ,1' ' ' ) . En este caso, la máquina síncrona primaria (1' ) actúa parcialmente como motor y transmite energía mecánica a los alternadores secundarios (l' ',l' ' ' ), y parcialmente como alternador para alimentar a la carga (7' ) correspondiente. En este caso, cada uno de los

alternadores secundarios alimenta un circuito galvánicamente independiente con las correspondientes cargas (7 ' ' ,7 ' ' ' ) . Los alternadores secundarios (l' ',l' ' ') pueden funcionar a frecuencias distintas de la de la máquina síncrona primaria, en dependencia de los propósitos y de las cargas (7 ¹ ' , 7' ' ' ) que tengan que alimentar.

La figura 8 es una vista esquemática de una pluralidad de sistemas según la presente invención, acoplados en paralelo. Ya que los motores de combustión interna (102, 102', 102' ') están acoplados a las máquinas síncronas (101, 101', 101' ' ) mediante embragues tipo rueda libre (146, 146", 146' ' ), estos sistemas pueden funcionar en paralelo sin necesidad de incorporar un sistema de control común para asegurar que no se produzca el fenómeno de potencia inversa, sino teniendo cada sistema su propia e independiente sistema de control, basado en los medios de control (105, 105", 105' ') correspondientes. Esto puede ser importante, ya que así se pueden realizar sistemas realmente redundantes; obviamente, una redundancia completa sólo existe cuando todos los componentes, incluidos los medios de control (105, 105', 105' ' ) son redundantes e independientes.

En este sentido, también es posible acoplar la turbina (3) a la máquina síncrona (1) a través de un embrague de tipo rueda libre.