Generating Insights: Principios de los alternadores de eje en aplicaciones marinas

Descripción general de la aplicación

En aplicaciones marinas, las máquinas eléctricas de eje (SEM) están conectadas al motor de propulsión de los buques y a menudo se necesitan para operar en muchas funciones diferentes. Funcionan como alternador, como principal fuente de energía de los buques; como motor eléctrico, proporcionando un refuerzo de energía temporaria junto con el motor de propulsión; o como método de propulsión independiente, cuando el motor está fuera de servicio. Este artículo tiene como objetivo ofrecer una descripción general de los distintos modos de funcionamiento y los diversos métodos de control.

Fig.1 - El diseño del sistema de propulsión de un barco típico
 

Toma de fuerza (PTO)

The SEM is operating as an alternator, driven from the main propulsion engine, providing the primary power supply for the vessel electrical systems.

Fig. 2 - Ilustración que muestra el modo PTO
 

Toma de fuerza (PTI)
Here, the SEM operates as a synchronous motor, providing a power boost, alongside the main engine to increase vessel speed, or allowing the main engine to reduce power, thereby lowering fuel consumption and wear.

Fig. 3 - Ilustración que muestra el modo PTI
 

Toma de fuerza a casa (PTH)
Al igual que PTI, aquí el SEM funciona como un motor síncrono. Sin embargo, esta vez proporciona el 100% de la potencia de propulsión de los buques. Esto podría deberse a que el motor principal ha fallado o requiere mantenimiento crítico o puede ser un modo normal de operación, por ejemplo, el motor principal requiere mantenimiento de rutina o se ha detenido cuando el buque ingresa al puerto. Aquí, SEM necesita tener una capacidad de arranque automático para funcionar desde velocidad cero.

Normalmente, este modo se requiere pocas veces durante la vida útil del SEM. Therefore, an alternator is adopted for use as a motor and so will not have the robust rotor design and excitation system needed to produce sufficient torque for starting from zero speed. En consecuencia, se debe aplicar un método de arranque suave al SEM durante la puesta en marcha y con los productos AvK, también son necesarias algunas modificaciones.

Fig. 4 - Ilustración que muestra el modo PTH
 

Métodos de arranque suave (solo modo PTH)
Existen diferentes métodos para iniciar el SEM en el modo PTH. A continuación se explican cinco soluciones bien conocidas:

1 Arranque del motor Pony
The SEM shaft is connected and driven to speed by a small electric motor, which then disengages once synchronous speed is achieved.

Fig. 5 - Diagrama lineal que muestra el método de arranque del motor Pony
 

2 Arranque del autotransformador
Here, an auto-transformer reduces the voltage supplied to the SEM, thereby restricting the inrush current, whilst still ensuring that sufficient breakaway torque is available to turn the shaft.

El SEM arranca como un motor asíncrono y por tanto, requiere algunas modificaciones en el sistema de excitación de la máquina.

Fig. 6 - Diagrama lineal que muestra el método de arranque del autotransformador
 

3 Arranque controlado por excitación (hélice única)
Aquí la corriente de entrada se limita mediante el uso de una función de limitación de corriente del estator en el AVR de los alternadores auxiliares.

Una vez más, la máquina arranca de forma asíncrona y, por lo tanto, requiere algunas modificaciones en el sistema de excitación.

Fig. 7 - Diagrama de líneas que muestra el método de inicio de excitación para SEM único
 

4 Arranque controlado por excitación (doble hélice)
Esto es similar a 3). Sin embargo, aquí el buque tiene hélices gemelas, motores gemelos y dos SEM. The Stator Current limiting capability is present on each SEM, allowing one (operating in PTO mode) to start the second (operating in PTI/PTH mode).

Con dos SEM idénticos, es posible intercambiar los modos PTO y PTI/PTH de uno a otro.

Fig. 8 - Diagrama de líneas que muestra el método de inicio de excitación para SEM gemelos
 

Inicio de 5 VFD
Aquí, el SEM se controla a través de un VFD que aumenta el eje de la máquina, asegurando que la corriente sea limitada pero se entregue la cantidad correcta de torque. La máquina se puede arrancar como un motor síncrono. Este sistema también se puede aplicar a embarcaciones de doble hélice.

Fig. 9 - Diagrama de líneas que muestra el método de inicio de VFD
 

Cummins Generator Technologies tiene productos adecuados para todos los modos de operación y métodos de control detallados anteriormente, no solo para las máquinas eléctricas de eje, sino también para los alternadores auxiliares.

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