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Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques
VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval
Amable López PiñeiroDr. Ingeniero Naval – Catedrático UPM (J)
Contenido
• Pioneros de la Electricidad y de la Electrotecnia
• Grandes desarrollos iniciales (<≈1950)
• 2ª parte del Siglo XX
• El Siglo XXI
• Electricidad e Ingeniería Oceánica
Énfasis en Propulsión Eléctrica
E. Skjong et al. The Marine Vessels Electrical Power System: From its Birth to Present Day. IEEE PROCEEDINGS 2015
Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques
VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval
Pioneros de la Electricidad y de la Electrotecnia
Antecedentes de la Electricidad y Magnetismo
• Prehistoria: Rayos / Descargas Peces
• Grecia: Electrostática / Atracción Magnética
ambar -> ελεκτρον -> electrón Thales de Mileto (600 AC)
• China: Brújula de aguja magnética Shen Kuo (S. XI)
• Europa: Brújula seca Flavio Gioja (≈ 1.300)
• S. XV a XVII Mecánica (Celeste…..)
Pioneros de la Electricidad y Magnetismo (S. XVIII y XIX)
• Van Musschenbroek: botella de Leyden (1745)
• Franklin: pararrayos (1752)
• Volta: pila (1800)
• Davy: electrólisis / arco eléctrico (1808)
• Ampère: el solenoide (1822)
• Faraday: generador (1832)
• …………• Morse: telégrafo (1837)
• Bell: teléfono (1876)
• Marconi: radio (1899)
Watson: corriente eléctrica (1747)
Oersted: el electromagnetismo (1819)
Ohm: la ley de Ohm (1827)
Henry: inducción electromagnética (1830)
Faraday: inducción (1831)
Lenz: ley de Lenz (1834)
Wheatstone: puente de Wheatstone (1843)
Joule: relaciones de electricidad, calor y trabajo (1843)
Kirchhoff: leyes de Kirchhoff (1845)
Maxwell: las cuatro ecuaciones de Maxwell (1875)……….
Pioneros de la Electrotecnia (CC)• Gramme: primera dinamo (1870)
• Siemens: locomotora eléctrica (1879)
• Edison: lámpara incandescente (1879)(Heinrich Göbel, 1850)
Central eléctrica (CC NY 1882)
• Sprague (Navy..1890) Ascensor / Tranvía con catenaria
• Baterías:Planté: plomo-ácido 1859 Leclanchè / Gassnes: zinc-carbón 1867Jungner: niquel-cadmio 1899
1970 Litio 1989 Hidruro metálico 1996 Ión-Litio
Pioneros de la Electrotecnia (CA, EP, lámparas)
• Hopkinson: sistema trifásico (1882)
• 1886 Westinghouse: Westinghouse Electric & Manufacturing Company
Tesla: motor de inducción (1887)
Déri, Bláthy y Zipernowsky: transformador(1885, Budapest)
1895 Central C. Niágara NY
• Electrónica de Potencia:1990 rectificador arco de mercurio
1948 transistor 1959 tiristor
1979 MOSFET 1972/1980 IGBTIluminación
Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques
VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval
Grandes desarrollos iniciales(hasta ≈ 1950)
La “guerra” de las Corrientes
CC (Edison) (Westinghouse & Tesla) CA• CC: original (pilas) / primeras máquinas
- facilidad de regular la velocidad N = k·V- difícil tensiones por encima de 1 kV Pérdidas (ley de Ohm) aumentan con la longitud de los cables
• CA: máquinas más compactas y con menor mantenimiento- inicialmente con menor rendimiento / necesidad sistemas polifásicos- generación (hidroeléctrica) y transporte a distancia en AT / Convertidores Rotativos …… Transformadores
- problemas con la reactiva P = V·I·cosΦ (motores iniciales circuito magnético poco eficaz) / velocidad constante N = 60·f/p
Primeras Aplicaciones a Bordo (I)• 1838 Moritz von Jacobi: Bote L= 7,5m 3 kn / Rio Neva, S. Petersburgo
• 1870s: Dinamos - proyectores de arco (anti botes)
• 1880 SS Columbia:
L= 94m / carga + 382 pax
4X 6kW Dinamos 120 bombillas de Edison
anterior a central alumbrado NY 1882
• 1883 USS Trenton
L=70m 14 kn / 1887 Alumbrado
Primeras Aplicaciones a Bordo (II)• 1884 Fragatas USS Atlanta, Boston y Omaha
- Normalización 110 V CC alumbrado
- Dinamos accionadas por correas (línea de ejes) por máquina alternativa de propulsión
- Fragata ≈ 50 kW Buques pasaje 10 a 20 kW
- Lámparas de arco para navegación (proyectores)
• 1880s primeros motores eléctricos- ventilación y giro de torretas
• 1896 Crucero USS Brooklyn:- montacargas municiones, maquinillas, grúas (80 V CC)
1886 Submarino Peral
Elementos Auxiliares• Cables
- Algodón impregnados en aceite / Gutapercha
• Cuadros- Madera / Baquelita / Porcelana
• Aparamenta- Seccionadores (chispas) / Fusibles- 1924 magneto-térmico Stolz
• Regulación / control- Reóstatos (manuales) (Columbia 1 dinamo para excitación de las restantes)
• Instrumentación - CC electrodinámicos (ε≈ 1%)
- CA electromagnéticos (ε≈ 5%)
Máquinas alternativas
• Fulton 1802 bote en el Sena
• 1819 cruce Atlántico MV Savannah
Turbinas (vapor)
• 1897 Turbinia (30 kn / cavitación)
• 1910 Turbinas con reductora
Motores diésel
• 1903 Petit Pierre (barcaza canal Rin-Marne)
• 1907 Vandal & Sarmat (L= 75m / mar Caspio)
Buques: Evolución de las Máquinas Primarias
Propulsión en buques de superficie (I)• 1907 barcaza Vandal (bunkering m. Caspio Volga)
3 x 120 hp mot. diésel tricilindros 240 rpm. 3 hélices 30-300 rpm. Reg. eléctrica con reostato (≈ tranvias)
• 1908 Joseph Medill (B. contra-incendios Chicago) Propulsión Turbo-eléctrica 400 shp
• 1912 carbonero USS Jupiter (1922 USS Langley firstaircraft carrier) Propulsión híbrida:
– motor diésel – sistema turbo-eléctrico 3.500 HP– turbina vapor
Propulsión en buques de superficie (II)•1916 carguero Mjölner
– 2x 400 kW turbinas 9.200 rpm generadores CA 500 V
2x motores inducción 900 rpm reductora hélice 90 rpm
• 1919 acorazado USS New Mexico– L= 190 m Δ= 33.000 T v= 21kn
– 2x 11,5 MW generadores 3,0/4,2 kV (frecuencia-rpm variables)
– 4x 7.500hp 24-/36-polos motores inducción (11 kn)
– 6x 300kW turbo-generadores (iluminación y maquinaria eléctrica)
– velocidad del buque regulada variando frecuencia y tensión generadores y nº polos motores
Propulsión en buques de superficie (III)
• Petroleros T2 II guerra mundial- Fábricas reductoras para b. Guerra
- Facilidad de operación (maquinistas)
- Rapidez de construcción (70 días)
Turbo-generador de vapor - Motor eléctrico -Hélice (7.240 shp / 15 kn)
• 1922 Tratado de Washington / 1930 Tratado Naval de Londres – Final acorazados con propulsión turbo-eléctrica
– Propulsión eléctrica: buques de pasaje / rompehielos / submarinos
Propulsión en Submarinos (I)• 1887 Peral
- L= 22 m Δ= 77/85 T 1TL torpedos
- 2x22 kW 7,8/3,5 kn
• 1888 Gymnote (↓1907 L =17,8 m Δ= 30/33 T 41 kW 7,3/4,3 Kn 2TL Torpedos )
• 1895 ↓Plunger (vapor)
• 1900 US Holland VI:- L= 16,4 m Δ= 65/75 T 6/5,5kn
- m. gasolina 34 kW m. eléctrico 56 kW
•1902 HMS Holland 1:- L= 19,5m Δ= 105/107 T 7 kn
- mci (petróleo) 119 kW m. eléctrico 55 kW
Propulsión en Submarinos (II)
• I GM (SMU-38 1914)- L= 54,7m Δ= 685/878 T U= 16,4/9,7 kn 2+2 TL Torpedos
- 2 x681 kW diésel 2x442 kW eléctricos
• II GM (tipo XXI 1943)- L= 76,7m Δ= 1610/1833 T U= 17,9/17,2(6,1) kn 6 TL Torpedos
- 2 x1,45 MW diésel 2x1,9 MW eléctricos
• Guerra fría- S. Nucleares (Turbo-eléctricos)
• Presente y futuro- AIP / células de combustible
Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques
VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval
2ª parte del Siglo XX
Siguiendo la Normalización en Tierra• Norteamérica 60 Hz3.600 rpm 110 V alumbrado 440 V fuerza
• Europa 50 Hz3.000 rpm 220 V alumbrado 380 V fuerza
• Distribución en árbol / Plantas principal y emergencia
• Mejora seguridad y fiabilidad
El control de Velocidad
Mot.Asinc.
• Grupo Ward Leonard (maquinillas pesqueros)- rotatorio / estático
• Motores con múltiples devanados (chigres, molinetes y grúas)
- cambio nº de polos / conexiones D’Alambert
• Auge de los sistemas hidráulicos (servo timón, motores de halar)
Regulación de velocidad con motores CC• 1991 Hespérides (ES)
– Planta eléctrica; 2x 1,3 MW + 2x 0,65 MW
– HPF motor CC tándem (2 x 1,4 MW)
• 1990 Fragatas tipo 23 (UK)– CODLAG (2× 34,000 hp TG + 4 × 7,000 hp MD)
– 2× 1,5 MW ME CC
– PE integrada (filtraje mecánico MG síncrono)
Los Rompehielos• Necesidad alto par a bajas rpm
• 1932 Ymer (SW) – 1er diésel-eléctrico
• 1975 USCG Polar Star– CODLOG (6x 2,2 MW D. + 3x 19 MW TG 3H. CPP)
• 1993 Fennica (FI)– 2H PF POD (15 MW shp)
• 1999 USCGC Healy– 2H PF (2X 11,2 MW shp cicloconvertidores)
Trasatlánticos (I)• 1960 SS Camberra (turbinas de vapor)
– L= 250 m GT= 45.270 v= 29,3 kn
– 2x 32,2 MW turbo-generadores (6 kV 60 Hz)
– 2x 31,5 MW shp 27,5 kn
– 4x 1,5 MW turbo-generadores (440 V 60 Hz)
Trasatlánticos (II)• Quenn Elizabeth 2’ (QE2) 1964
– Propulsión a vapor
– L= 293,5 m 70,327 GT
• 1987 Transformación a Diésel-Eléctrico – Planta Integrada
– Regulación velocidad con ciclo-convertidores
– 9 grupos D-G 10,5 MW 10 KV
– 2 motores principales 44 MW hélices CCP
La revolución: el POD• 1990 Clase Fantasy 1998 Elatyon
– 6x 7,9 MW MD
– Cicloconvertidores
– 2x 14 MW shp HPF (m. síncronos)
– 8% mejora eficiencia
– 30% reducc. círculo maniobra
– Vibraciones / espacio / mantenimiento
– ……....
Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques
VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval
El Siglo XXIPlantas Integradas – Buque “Todo Eléctrico”
Consolidación de la Electrónica de Potencia• Convertidores:
– Rectificadores controlados
– Ciclo-convertidores
– Sincro-convertidores (LCI)
– PWM
• Distribuciones:– Árbol / Anillo / ZONAL
– Filtros de armónicos: mecánicos / resonantes
/ electrónicos / 12-24 pulsos
– Tensiones: 400 V 50 Hz / 480 V 60 Hz
/ 690 V / 6,6 KV / 11 KV
Accionamientos Eléctricos con PWM• Base propulsión eléctrica actual
• Diodos e IGBTs
• Regulación V y F
• Rectificador simple entrada
• Ondulador doble frente activo
• PF > 0,9
• H.F. Salida (1 a 10 kHz)
• Filtros más sencillos
• Usual sin transformadores
• Sí transf. Δ/ΔΥ para reducir armónicos (12 / 24 pulsos)
Extensión de la Propulsión Eléctrica• Operación a distintas velocidades y/o consumidores eléctricos significativos
OJO: si P≈cte. CAPEX> / η<• Consolidada en:
- Rompehielos- Cruceros- Dragas- Buques investigación- Petroleros Shuttle- Quimiqueros- LNGs- Buques de guerra- Plataformas offshore- Operaciones oceánicas
• Explorando posibilidades en:- Ferrys y ROROs- Portacontenedores- Yates- Pesqueros- ………
Buques de guerra de superficie• All Electrical Ship (AES) Plantas combinadas (híbridas)
• Aumento del consumo
• Normalización Grupos generadores
• Distribución Zonal
Ejemplos buques de guerra• LHD Juan Carlos I
– Planta Integrada (AES)
– 2 SSP pods 11 MW
– TG 19,75 MW + 2 DG 7,86 MW
• Fragatas 110- Clásica CODLOG (>peso AES)
Tendencias de evolución• Seguridad y Sostenibilidad (ambiental, económica y social)
• Motores primarios GNL ……
• Uso Pilas de Combustible
• Distribución en CC
• Almacenamiento Energía
• Cold Ironing
• Posicionamiento Dinámico
• Accionamientos eléctricos inteligentes (>> nº consumidores)
• Buques Autónomos
• Tele-mantenimiento “on line”
• Convertidores CC-CC / Onduladores multi-nivel
• …….
Buques sin motores primarios• 2015 MF Ampere L= 81 m P= 450kW
– Puro eléctrico– Capacidad batería >>– T recarga muy rápido (almacenamiento en puerto)– Ferrys trayecto muy corto
• 2017 Aurora & Tycho Brahe L= 238 m Δ= 8.414 T J= 4,16 MWh
Distribución (y almacenamiento) en CC
• Concepto
• Ventajas:- < Peso, Vol. Y CAPEX
- > rendimiento
- reducción Pnom planta eléctrica y nº grupos en operación
- Interés: Remolcadores, Supplys, Op. Oceánicas
• 2013 PSV Dina Star
Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques
VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval
Electricidad e Ingeniería Oceánica
Cables Submarinos• 1852 C. Telegráfico UK-FR
• 1866 Terranova-Irlanda
• 1850 Cable potencia (DE)……..
• 1954 HVDC (SW)
• Futuro
Plataformas Offshore (oil & gas)• Fijas: Planta eléctrica convencional (P>>)
• Flotantes DP Planta eléctrica integrada- Múltiples generadores y propulsores (azimutales)
- Distribución alta redundancia y secciones
- Alimentación a Risers
• Conexión a tierra / Generación eólica asociada
Energías Renovables Marinas• Extraídas en el mar
– Eólica Offshore
– Fotovoltaica…..
• Extraídas del mar– Olas
– Corrientes
– Térmica, salina
• Unidades Generadoras
• Plataformas (Hubs) de exportación
• Embarcaciones y Artefactos para instalación, mantenimiento y reciclaje
Robótica Marina• Superficie
– Buques autónomos
– USVs
• UUVs– ROVs
– Trenchers
– AUVs
– Gliders
• Aéreos– UAVs Drones….
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