ES2630220T3

ES2630220T3 - Árbol de accionamiento eléctrico y vehículo con un árbol de accionamiento eléctrico de este tipo

Info

Publication number: ES2630220T3
Application number: ES10763353.9T
Authority: ES
Inventors: Rainer Hartig
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2017-08-18
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: US9650120B2; WO2011039256A3; DE102009043530A1; KR20120058626A; EP2483146B1; US20120190554A1; AU2010303006A1; EP2483146A2; WO2011039256A2

Abstract

Árbol (10) de accionamiento eléctrico con - varios generadores (11) variables en cuanto a velocidad de giro para la generación de una tensión con una amplitud variable y una frecuencia variable, - al menos un motor (12) de accionamiento variable en cuanto a velocidad de giro suministrado con esta tensión, - un aparato (20) de sincronización de generador para la sincronización de la amplitud, la frecuencia y la fase de la tensión generada por los generadores (11), presentando al menos uno de los generadores (11) una bobina superconductora, en particular una bobina superconductora a alta temperatura (HTS).

Description

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DESCRIPCION

Arbol de accionamiento electrico y vehlcuio con un arbol de accionamiento electrico de este tipo

La invention se refiere a un arbol de accionamiento electrico segun la reivindicacion 1 as! como a un vehlculo con un arbol de accionamiento electrico de este tipo segun la reivindicacion 6.

Las instalaciones de accionamiento electrico en barcos (por ejemplo en barcos totalmente electricos) comprenden habitualmente uno o varios motores de accionamiento electrico para el accionamiento en cada caso de una unidad de propulsion (por ejemplo de una helice), que se alimenta a traves de en cada caso un convertidor de una red electrica del barco (frecuentemente denominada tambien como “red de navegacion”). La red electrica se alimenta a su vez mediante uno o varios generadores diesel. A este respecto, la red electrica tiene una tension de una amplitud y frecuencia predeterminadas de manera fija, por ejemplo una tension media con una tension nominal de 6,6 kV a una frecuencia nominal de 60 Hz. Dado el caso, entre el convertidor y la red esta conectado todavla un transformador. Los convertidores convierten la tension de red (dado el caso reducida) en una tension requerida para el funcionamiento de los motores de accionamiento con una amplitud y frecuencia diferentes de la tension de red.

Los consumidores de baja tension a bordo de un barco (por ejemplo aparatos de navegacion y control, altavoz, iluminacion) se suministran mediante una red de a bordo independiente, que tiene habitualmente una tension nominal de 400 V a una frecuencia nominal de 50 Hz o 440 V a 60 Hz. La red de a bordo puede alimentarse con energla electrica independientemente de la red de navegacion mediante generadores de red de a bordo propios. Alternativamente, la red de a bordo puede suministrarse a traves de un convertidor de red de a bordo desde la red de navegacion. El convertidor de red de a bordo convierte la tension de la red de navegacion en una tension con la amplitud y la frecuencia de la red de a bordo.

Una gran ventaja de esta solution es que mediante el convertidor pueden evitarse efectos retroactivos en la red de navegacion debido a variaciones en la carga (por ejemplo cuando una helice se sumerge y emerge en el/del agua en el caso de mar gruesa), cuando esta esta dimensionada de manera correspondientemente grande. Ademas de otras muchas ventajas, estos conceptos de accionamiento tienen sin embargo la desventaja de que requieren un mayor numero de convertidores para la conversion de tension en la red de navegacion con una demanda de espacio y coste correspondiente.

Una solucion de accionamiento electrico conocida, que se las arregla sin convertidores de este tipo, consiste en acoplar entre si los generadores y los motores de accionamiento sin convertidores conectados de manera intermedia. En el caso de una solucion de accionamiento de este tipo, se hacen funcionar uno o varios motores de accionamiento variables en cuanto a velocidad de giro sin convertidores conectados de manera intermedia directamente con la tension generada por uno o varios generadores variables en cuanto a velocidad de giro de una amplitud variable y una frecuencia variable.

El control y/o la regulation de los motores y por consiguiente de las unidades de propulsion tiene lugar por consiguiente indirectamente mediante un control y/o una regulacion de los motores de combustion interna para el accionamiento de los generadores. A este respecto, los motores de accionamiento estan acoplados electricamente de manera fija con los generadores, es decir un movimiento de giro de los generadores provoca un movimiento de giro proporcional correspondiente de los motores de accionamiento electrico. Por consiguiente, se reproduce el funcionamiento de un arbol mecanico con ayuda de maquinas electricas. Una solucion de accionamiento de este tipo se denomina frecuentemente como “arbol electrico”.

A este respecto, tambien se conoce desacoplar energla electrica del arbol electrico a traves de un convertidor de red de a bordo, es decir un convertidor de red de a bordo convierte la tension generada por el/los generador(es) de una amplitud variable y una frecuencia variable en una tension con una amplitud constante y una frecuencia constante para una red de a bordo.

Evidentemente, tambien es problematico en este sentido que las variaciones en la carga en la red de navegacion directamente actuen de manera retroactiva como oscilaciones de tension y de frecuencia en el arbol electrico y por consiguiente tambien en el convertidor de red de a bordo. Esto conduce por un lado a que se requiera una regulacion costosa para el arbol electrico para la estabilizacion de la velocidad de giro (o tension y frecuencia) de los motores de accionamiento o de la unidad de propulsion. Por otro lado, esto puede conducir a oscilaciones inadmisibles en la tension de red de a bordo. El transformador de red de a bordo responde acto seguido con una desconexion de seguridad, mediante la cual se reduce la disponibilidad de la red de a bordo, o tiene que sobredimensionarse de tal manera que pueda compensar las oscilaciones de red de navegacion provocadas por las variaciones en la carga.

Por el documento EP 2 077 226 A2 se conoce una instalacion de accionamiento para un barco, en la que el motor de accionamiento presenta para la helice de barco un rotor HTS.

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Por el documento WO 03/047961 A2 se conoce un accionamiento de barco con al menos una helice de barco, al menos un motor electrico, por medio del cual puede accionarse la al menos una helice de barco, y un suministro de corriente alimentada por convertidor, por medio del cual puede suministrarse con energla electrica el al menos un motor electrico y el al menos un motor de propulsion y presenta al menos un generador accionado por el mismo, estando configurados el al menos un motor electrico y el al menos un generador del suministro de corriente como maquinas slncronas de corriente trifasica.

Por el documento US 2007-293104 A1 se conoce un sistema de accionamiento para barcos y otras estructuras navales moviles, con un motor de propulsion para hacer funcionar un generador electrico, que esta conectado ademas con un motor de accionamiento electrico con una conexion con una helice o un dispositivo de accionamiento similar. El generador y el motor de accionamiento son maquinas slncronas de imanes permanentes. Estas dos maquinas slncronas estan conectadas electricamente de manera directa.

Por el documento US 6 441 521 B1 se conoce un motor slncrono HTS y un generador slncrono HTS.

El objetivo de la presente invencion es indicar un arbol de accionamiento electrico, con el que pueden evitarse las desventajas anteriores.

El alcance de este objetivo se consigue mediante un arbol de accionamiento electrico segun la reivindicacion 1. Configuraciones ventajosas del arbol de accionamiento electrico son objeto de las reivindicaciones 2 a 5. Un vehlculo, en particular un vehlculo acuatico, con un arbol de accionamiento electrico de este tipo es objeto de la reivindicacion 6. Configuraciones ventajosas del vehlculo son objeto de las reivindicaciones 7 y 8.

Un arbol de accionamiento electrico segun la invencion comprende varios generadores variables en cuanto a velocidad de giro para la generacion de una tension con una amplitud variable y una frecuencia variable y al menos un motor de accionamiento variable en cuanto a velocidad de giro suministrado con esta tension. A este respecto, al menos un generador presenta una bobina superconductora, en particular una bobina superconductora a alta temperatura (HTS). En el caso de la bobina superconductora puede tratarse de una bobina de estator o de una bobina de rotor rotatoria del generador. El arbol de accionamiento electrico comprende tambien un aparato de sincronizacion de generadores para la sincronizacion de la amplitud, la frecuencia y la fase de las tensiones generadas por los generadores.

Un generador con una bobina superconductora presenta habitualmente en comparacion con un generador convencional sin bobina superconductora un entrehierro magnetico esencialmente mayor entre el rotor y el estator. Ante todo, esto se debe a que el superconductor se enfrla mediante un criostato de vaclo o un aparato de enfriamiento similar, cuya pared discurre en el entrehierro. El entrehierro magnetico relativamente grande provoca que el generador presente una reactancia slncrona esencialmente reducida como un generador convencional presenta. Esto conduce a que, en el caso de la misma potencia electrica, un generador HTS presenta en comparacion con un generador convencional una curva caracterlstica de corriente-tension claramente mas rlgida. En este sentido, en el caso de conexiones adicionales de carga o variaciones de carga no se llega a ninguna calda de la tension generada por el generador. En este sentido, pueden reducirse las oscilaciones de tension y frecuencia en el arbol electrico. Con ello no se requiere ninguna regulacion costosa para el arbol electrico para la estabilizacion de la tension de la red de navegacion y de la velocidad de giro de los motores de accionamiento o de la unidad de propulsion.

Cuando el al menos un motor de accionamiento tambien presenta una bobina superconductora, en particular una bobina superconductora a alta temperatura (HTS), puede configurarse de manera muy intensa en cuanto a potencia y momento de giro con un tamano constructivo reducido, lo que es importante en particular para el empleo de un vehlculo acuatico en el hielo.

Preferiblemente, la bobina superconductora es una bobina de rotor rotatoria, dado que en este caso la superficie que debe enfriarse puede mantenerse menor que en el caso de una bobina de estator superconductora.

Se obtienen ventajas particulares cuando el arbol de accionamiento electrico comprende al menos un convertidor de red de a bordo, que se suministra con la tension generada por el generador variable en cuanto a velocidad de giro con una amplitud variable y una frecuencia variable y que convierte esta tension en una tension con una amplitud constante y una frecuencia constante para una red de a bordo. Evitando las oscilaciones de tension y frecuencia en el arbol electrico debido a la rigidez de la curva caracterlstica del generador o de los generadores pueden evitarse tambien oscilaciones inadmisibles en la tension generada por el convertidor de red de a bordo y por consiguiente desconexiones de seguridad del convertidor de red de a bordo o un sobredimensionamiento del convertidor de red de a bordo.

Segun una configuracion ventajosa adicional, el arbol de accionamiento electrico comprende todavla un aparato de sincronizacion de red de a bordo para la sincronizacion de la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension de salida

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del convertidor de red de a bordo a la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension de la red de a bordo, cuando la tension generada por el al menos un generador supera una amplitud minima y una frecuencia minima predeterminadas.

Un vehiculo segun la invencion, en particular un vehiculo acuatico como por ejemplo un rompehielos o un barco que circula sobre el hielo, comprende al menos una cadena de accionamiento con un arbol de accionamiento electrico explicado en la presente para el accionamiento del vehiculo y una red de a bordo para el suministro al consumidor electrico a bordo del vehiculo.

Para un suministro de tension de la red de a bordo en el puerto en el caso de un arbol electrico desconectado, puede estar disponible un generador de puerto adicional, preferiblemente tambien un convertidor dispuesto aguas abajo, para el suministro de la red de a bordo con una tension con amplitud y frecuencia constantes.

Segun una configuracion especialmente ventajosa, el vehiculo comprende una unidad de propulsion acoplada con el motor de accionamiento, en particular una helice de palas orientables, que puede modificarse con respecto a su salida de potencia, pudiendo ajustarse la unidad de propulsion a un empuje cero, cuando la tension generada por el al menos un generador cae por debajo de una amplitud minima y una frecuencia minima predeterminadas.

La invencion asi como configuraciones ventajosas adicionales de la invencion segun las caracteristicas de las reivindicaciones dependientes se explican a continuacion mas detalladamente en las figuras mediante ejemplos de realizacion; en las mismas muestran:

figura 1 un vehiculo acuatico con un arbol de accionamiento electrico segun la invencion,

figura 2 una curva caracteristica de corriente-tension de un generador HTS en el caso de una conexion adicional de carga.

La figura 1 muestra un vehiculo 1 acuatico, por ejemplo un rompehielos, con dos cadenas 2 de accionamiento para el accionamiento del vehiculo acuatico y con una red 3 de a bordo para el suministro al consumidor electrico a bordo del vehiculo acuatico. Cada una de las cadenas 2 de accionamiento comprende un arbol 10 de accionamiento electrico, que comprende varios generadores 11 de red de navegacion variables en cuanto a velocidad de giro asi como un motor 12 de propulsion electrico. Cada uno de los generadores 11 se acciona por en cada caso un motor 13 de combustion interna, por ejemplo un motor diesel. Con el motor 12 de propulsion esta acoplada mecanicamente una unidad de propulsion en forma de una helice 14 de palas orientables. Entre un generador 11 y el motor 13 de combustion interna que acciona el mismo asi como entre la helice 14 de palas orientables y el motor 12 de propulsion que acciona la misma puede conectarse adicionalmente todavia una caja de engranajes mecanica.

El motor 12 de propulsion se hace funcionar sin ningun convertidor conectado de manera intermedia con la tension generada por los generadores 11 con una amplitud variable y una frecuencia variable. El control y/o la regulacion de la velocidad de giro del motor 12 de propulsion y por consiguiente de la helice 14 de palas orientables tiene lugar por consiguiente indirectamente mediante el control y/o la regulacion del motor 13 de combustion interna para el accionamiento de los generadores 11. Por consiguiente, un movimiento de giro del motor 13 de combustion interna o de los generadores 11 provoca un movimiento de giro correspondientemente proporcional del motor 12 de propulsion. Por consiguiente, se reproduce el funcionamiento de un arbol mecanico con ayuda de maquinas electricas.

Con la tension de una amplitud variable y una frecuencia variable, generada por los generadores 11 de un arbol 10 de accionamiento electrico, se hace funcionar adicionalmente en cada caso un convertidor 15 de red de a bordo, que convierte esta tension variable en una tension con una amplitud constante y una frecuencia constante para la red 3 de a bordo. Desde la red 3 de a bordo se suministra a los consumidores de baja tension del vehiculo acuatico no representados mas detalladamente (por ejemplo aparatos de navegacion y control, altavoz, iluminacion). La red 3 de a bordo tiene habitualmente una tension nominal de 400 V a una frecuencia nominal de 50 Hz o 440 V a 60 Hz.

Un generador 16 de puerto adicional accionado igualmente por un motor 13 de combustion interna sirve, preferiblemente a traves de un convertidor dispuesto aguas abajo no representado mas detalladamente, para el suministro de la red 3 de a bordo con una tension con una amplitud constante y una frecuencia constante en el caso de un arbol 10 electrico desconectado, por ejemplo cuando el vehiculo acuatico se encuentra en el puerto y no requiere ninguna potencia de accionamiento.

A este respecto, los generadores 11 estan configurados como maquinas sincronas con una bobina de campo HTS rotatoria (es decir una bobina HTS en el rotor). Las maquinas de este tipo presentan una reactancia sincrona reducida y por tanto una gran rigidez en su curva caracteristica de corriente-tension. A modo de ejemplo, la figura 2 muestra para ello la curva caracteristica de un generador sincrono con una bobina de campo hTs rotatoria y una potencia de 400 kW para el caso de una conexion adicional de carga completa de cero a 380 kW. Una maquina de

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este tipo presenta por ejemplo una reactancia longitudinal slncrona Xd = 0,15. Como resulta evidente a partir de la evolucion de la curva I de corriente y de la curva U de tension, en la conexion de la carga hasta el instante tz no se llega a ninguna calda de la tension U. Esto muestra el comportamiento de funcionamiento externamente estable de una maquina de este tipo tambien en el caso de oscilaciones de carga extremas.

Por consiguiente, en el caso del vehlculo 1 acuatico no se siente para los convertidores 15 de red de a bordo en el caso de variaciones en la carga de lado de helice (como se producen por ejemplo en el caso de mar gruesa sumergiendo y emergiendo las helices 14) ningun efecto retroactivo en su tension de entrada. Por consiguiente, los convertidores 15 de red de a bordo pueden equiparse con reservas dinamicas esencialmente mas reducidas que en el caso del uso de maquinas slncronas convencionales sin bobina HTS como generadores en las cadenas 2 de accionamiento.

Ademas, en las cadenas 2 de accionamiento puede prescindirse de una regulacion costosa para la estabilizacion de la velocidad de giro (o tension y frecuencia) del respectivo motor 12 de propulsion o helice 14.

Ventajosamente, los motores 12 de propulsion tambien estan configurados como maquinas slncronas cargadas con potencia y momento de giro con una bobina de campo HTS rotatoria (es decir una bobina HTS en el rotor).

A este respecto, cada uno de los arboles 10 de accionamiento electrico comprende adicionalmente todavla un aparato 20 de sincronizacion de generadores para la sincronizacion de la amplitud, la frecuencia y la fase de las tensiones generadas por los generadores 11.

Ademas, a cada uno de los convertidores 15 de red de a bordo esta asociado un aparato 21 de sincronizacion de red de a bordo para la sincronizacion de la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension de salida del convertidor 15 de red de a bordo a la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension de la red 3 de a bordo, cuando la tension generada por los generadores 11 del respectivo arbol 10 electrico supera una amplitud minima y una frecuencia minima predeterminadas.

Ventajosamente, cada una de las helices 14 de palas orientables esta configurada de tal manera que puede ajustarse a un empuje cero (es decir ningun empuje), cuando la tension generada por los generadores 11 del arbol 10 electrico asociado supera una amplitud minima y una frecuencia minima predeterminadas. En este sentido, se garantiza un suministro lo mas largo posible de la red 3 de a bordo tambien en el caso de una disminucion de la potencia de generador. Otra posibilidad para ajustar un empuje cero consiste tambien en conmutar la helice 14 a traves de un acoplamiento a un empuje cero.

En el puerto, la red 3 de a bordo puede alimentarse en el caso de un arbol 10 electrico desconectado en lugar de mediante el generador 16 de puerto tambien mediante una bateria o mediante celdas de combustible.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Arbol (10) de accionamiento electrico con

- varios generadores (11) variables en cuanto a velocidad de giro para la generacion de una tension con una amplitud variable y una frecuencia variable,

- al menos un motor (12) de accionamiento variable en cuanto a velocidad de giro suministrado con esta tension,

- un aparato (20) de sincronizacion de generador para la sincronizacion de la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension generada por los generadores (11),

presentando al menos uno de los generadores (11) una bobina superconductora, en particular una bobina superconductora a alta temperatura (HTS).
2. Arbol (10) de accionamiento electrico segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el al menos un motor (12) de accionamiento presenta igualmente una bobina superconductora, en particular una bobina superconductora (HTS).
3. Arbol (10) de accionamiento electrico segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque la bobina superconductora es una bobina de campo rotatoria.
4. Arbol (10) de accionamiento electrico segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por al menos un convertidor (15) de red de a bordo suministrado con la tension con una amplitud variable y una frecuencia variable, que convierte esta tension en una tension con una amplitud constante y una frecuencia constante para una red (3) de a bordo.
5. Arbol (10) de accionamiento electrico segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por un aparato (21) de sincronizacion de red de a bordo para la sincronizacion de la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension de salida del convertidor (15) de red de a bordo a la amplitud, la frecuencia y la fase de la tension de la red (3) de a bordo, cuando la tension generada por el al menos un generador (11) supera una amplitud minima y una frecuencia minima predeterminadas.
6. Vehiculo (1), en particular vehiculo acuatico, con al menos una cadena (2) de accionamiento con un arbol (10) de accionamiento electrico segun una de las reivindicaciones anteriores para el accionamiento del vehiculo (1) y con una red (3) de a bordo para el suministro al consumidor electrico a bordo del vehiculo (1).
7. Vehiculo (1) segun la reivindicacion 6, caracterizado por un generador (16) de red de a bordo adicional para el suministro de la red (3) de a bordo con una tension con una amplitud constante y una frecuencia constante en el caso de un arbol (10) electrico desconectado.
8. Vehiculo (1) segun la reivindicacion 6 o 7, caracterizado por una unidad (14) de propulsion acoplada con el motor (12) de accionamiento, en particular una helice de palas orientables, que puede modificarse con respecto a su salida de potencia, pudiendo ajustarse la unidad (14) de propulsion a un empuje cero, cuando la tension generada por el al menos un generador (11) cae por debajo de una amplitud minima y una frecuencia minima predeterminadas.