Encóderes absolutos e incrementales para aplicaciones de control de paso seguras
Tras el devastador terremoto y desastre nuclear de marzo de 2011 en Japón, los planes para generar energías renovables han vuelto a cobrar impulso en todo el mundo. La generación de electricidad a partir de energía eólica es actualmente el tipo de recuperación energética más extendido y común. Para lograr la máxima eficiencia posible, todos y cada uno de los componentes de una central eólica tienen que cumplir requisitos estrictos. Lo mismo ocurre con los codificadores, necesarios para el posicionamiento preciso de las tres palas del rotor, el llamado "control de paso". El control dinámico del paso de las palas del rotor contribuye significativamente a aumentar la eficiencia. Al mismo tiempo, los encóderes deben tener una larga vida útil en condiciones ambientales extremadamente duras. Este artículo explica qué tipos de sensores se utilizan para aplicaciones de control de paso.
Una tendencia al alza
Desde hace más de dos décadas, el uso de la energía eólica es un método probado para generar corriente eléctrica. En todo el mundo, el número de pedidos de centrales eólicas ha aumentado tras la terrible catástrofe de Japón, y el objetivo es inyectar en la red más electricidad de la que nunca antes se había planificado.
La parte más alta de una central eólica, a unos 100 metros sobre el nivel del suelo, alberga componentes que parecen casi invisibles en comparación con la enorme góndola y las poderosas palas del rotor, la multiplicadora y el generador. Sin embargo, su papel no debe subestimarse y es crucial para aprovechar al máximo la energía del más ligero soplo de viento: estamos hablando de los codificadores que se utilizan en la góndola y en las palas del rotor (en su mayoría tres).
Tecnología de sensores robustos
Codificador AR 62
Es la robusta tecnología de sensores de los codificadores la que permite obtener el máximo rendimiento de la energía eólica. El codificador "muestra" a la unidad de control la posición angular de la góndola en relación con la dirección del viento y permite realinear el acimut de la góndola según sea necesario.
Un codificador para cada pala del rotor indica su posición en relación con el eje del rotor. El control dinámico del paso se utiliza para aumentar la eficiencia, es decir, las palas del rotor giran totalmente en contra del viento cuando éste sopla a baja velocidad. Cuando la velocidad del viento es alta, las palas del rotor giran en sentido contrario a la dirección del viento, lo que permite que la planta se mantenga en condiciones de funcionamiento seguras. Al igual que en muchas otras aplicaciones rotativas, esta tarea específica en el sector de la industria eólica requiere diversas soluciones de encóder: desde enfoques sencillos que sólo requieren un encóder incremental hasta dos encóderes absolutos redundantes.
Por lo general, los codificadores deben cumplir requisitos muy estrictos. Los modelos que tienen que demostrar su fiabilidad en las palas de un rotor deben soportar golpes, vibraciones, fuerzas centrífugas, grandes diferencias de temperatura (de - 40 a más de + 100 °C), campos magnéticos en sus proximidades directas e incluso sobretensiones de rayos, ¡todo ello durante su vida útil de 20 años!
Los costes de mantenimiento de un codificador no guardan proporción alguna con los costes reales del mismo. Esto es especialmente cierto en el caso de las aplicaciones en alta mar. Además del coste de medio día de trabajo de los dos mecánicos que tienen que cambiar el codificador, hay que pagar importantes gastos de alquiler de un barco y tripulación.
Requisitos
En consecuencia, los codificadores para aplicaciones de control de paso en centrales eólicas deben ser lo más robustos posible. Existen varias versiones de control de paso: una versión tiene el codificador colocado en una combinación de motor-freno-engranaje (Fig. 1). Otra versión tiene un sensor montado directamente en la corona de giro de la pala del rotor (Fig. 2). En esta aplicación, el encóder tiene que cumplir requisitos totalmente diferentes, ya que las cargas mecánicas que soporta el sensor son significativamente mayores que las del conjunto de transmisión del engranaje-freno-motorreductor.
Mantenimiento a Offshore WEA (www.shutterstock.com)
Codificadores de Aldingen para centrales eólicas de todo el mundo
Hengstler, uno de los principales fabricantes de encóderes, ofrece una amplia gama de productos que incluye diferentes versiones de encóderes incrementales y absolutos (monovuelta y multivuelta). Para satisfacer una gran variedad de requisitos, se dispone de las siguientes opciones: encóderes ópticos y magnéticos que alcanzan resoluciones muy altas, diámetros exteriores de 30 a 80 mm y versiones de eje hueco o eje completo. Los encoders están equipados con las interfaces mecánicas y eléctricas habituales. Además, Hengstler Aldingen suministra encoders altamente resistentes a la corrosión para zonas con atmósferas potencialmente explosivas.
Como especialista en tecnología de sensores y contadores/temporizadores, Hengstler ofrece una larga experiencia en el campo de la energía eólica y, por tanto, soluciones optimizadas. Los codificadores para el posicionamiento de paso y acimut y el control de realimentación para generadores destacan por las siguientes características clave:
- Gama de temperaturas de -40°C ... +100° C
- Funcionamiento fiable en "zonas de clima frío
- Caja resistente al agua de mar para aplicaciones en alta mar
- Variantes monovuelta y multivuelta incrementales o absolutas
- Sistema de diagnóstico integrado
Escaneado estrictamente óptico para el control de la inclinación
El encoder absoluto e incremental tipo AC 58-I-SSI se ha desarrollado especialmente para el montaje directo en combinaciones de motor-freno-engranaje. Gracias a su diseño extremadamente robusto y compacto, el AC 58-I-SSI (SSI=SYNCHRONOUS-SERIAL INTERFACE) es el dispositivo preferido para el montaje de motores con control de paso.
Codificador Hengstler AC58 en Pitch-Drive
La tecnología de sensor completamente óptico del AC-58 ofrece ventajas en cuanto a robustez (resistencia a interferencias) y longevidad. Ni los componentes de gran tamaño ni las baterías pueden provocar desviaciones o incluso la rotura total del encóder. La exploración, tanto monovuelta como multivuelta, se efectúa mediante componentes ópticos (Fig. 3).
El segmento multivueltas utilizado por Hengstler está provisto de un robusto engranaje, por lo que el conjunto estrictamente óptico del AC 58 no es susceptible de sufrir interferencias magnéticas. La construcción del motor o del freno de un accionamiento de paso produce importantes campos magnéticos. Aunque la carcasa del codificador garantiza un buen apantallamiento, estos campos magnéticos afectarán al codificador al cabo de varios años.
AC 58 está diseñado para soportar temperaturas de hasta 120 °C (dentro del rango de accionamiento) y velocidades de hasta 12.000 rpm. Por tanto, supera los requisitos establecidos para las centrales eólicas. No necesita baterías de alto rendimiento y larga duración, por lo que resulta ser un dispositivo extremadamente robusto y de bajo mantenimiento. Esto contrasta con muchos otros tipos de codificadores, que también utilizan engranajes para la exploración multivuelta, pero se basan en la tecnología de exploración magnética, que es susceptible a las interferencias magnéticas causadas por el motor y/o el freno y, a largo plazo, provocará problemas al transmitir señales incorrectas a la unidad de control para el ajuste de las palas del rotor. De nuevo, esto provocará inevitablemente tiempos de inactividad y los consiguientes elevados (e innecesarios) costes de mantenimiento de una central eólica.
También sería una falacia creer que los costes de fabricación de una central eólica pueden mantenerse bajos utilizando codificadores magnéticos multivuelta de bajo coste. El riesgo de fallo descrito anteriormente, causado por los efectos de la temperatura y/o los campos magnéticos, así como el envejecimiento de la batería, seguirá siendo demasiado elevado, incluso después de muchos años de funcionamiento. Resulta más rentable confiar en la tecnología probada de un encóder AC 58 de Hengstler.
Conclusión
Las aplicaciones que utilizan codificadores ópticos multivuelta basados en engranajes del tipo AC 58 de Hengstler se han generalizado en las centrales eólicas. Las posiciones se determinan mediante un método óptico de luz transmitida. El engranaje mecánico para multivueltas se explora ópticamente, por lo que no es necesario controlar los campos magnéticos que, en primer lugar, puede producir el conjunto de freno del accionamiento de paso. El principio de exploración óptica no es sensible a las interferencias magnéticas, por lo que el AC 58 puede montarse en todos los motores con freno. Además, el codificador ofrece una alta resolución de señal y permite escanear el valor absoluto y una señal incremental adicional, que puede utilizarse para el control de velocidad o como valor de referencia. Opcionalmente, las señales incrementales pueden registrarse en tiempo real para el control de velocidad.