Aportaciones a la estabilidad de plantas marinas de generación eléctrica, con volantes de inercia

Abstract

(English) The falls of electrical generation plants on board or Power Blackouts, put in check the safety of the crew, the ships and the environment. Induction motors with a significant power in kW in relation to the kVA of the alternator, such as transverse bow motors, cause deep voltage dips in direct start or even in some star-delta start episodes that destabilize the plants. of electricity generation, leading in some cases to a Power Blackout. To understand the importance and severity of the damage caused by these Power Blackouts, the CIAIM (Commission for the Investigation of Maritime Accidents and Incidents) source was used, finding various cases of officially registered power generation plant failures, some with negative results. of serious damage to people, such as that of the "Tamasite Volcano" in 2017, when leaving the port with 140 injured and significant damage to the dock and to the ship itself. For the study of power plant failures and their possible solutions, a replica on a plant scale is built in the laboratories of the Department of Electrical Engineering (DEE) of the Escuela Tècnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB/UPC). power plant with several generator sets, feeding empty start-ups of induction electric motors, whose starts are considered the most severe transients on board, allowing to replicate real-scale situations of power plant failure (thermal engine stall) or Power Blackout. In addition, a system (ACEE) "Kinetic accumulator of electrical energy" is designed and built, consisting of an induction motor III, 9 kW, 400 V, 50 Hz, with a 40 kg flywheel, rotating at 1,500 rpm. and that generates 7.4 kJ of accumulated energy. This kinetic accumulator has electronic regulation, is regenerative and programmable. Its contribution is both active power, as a discharge of the kinetic energy accumulated in its flywheel, and reactive power, from the capacitors of the frequency converters themselves (VSD) and the capacitor that the system carries. Its ratio is electronically adjustable. Situations and ways to avoid plant falls are studied, making the kinetic accumulator system of electrical energy, (ACEE) built, resulting suitable for the referred experimentation. The conclusions reached by this thesis to adequately solve this problem are: 1. Oversize the alternators of the Diesel-Alternator sets, whose power factor is traditionally 1 or 0.8, in such a way that it can permanently supply loads with cos ¿= 0.5 or less in the case of ships with propulsion electrical. In the limit case of electronic speed regulation of electric drives, with dynamic positioning, generating sets capable of feeding loads at cos ¿= 0.2 may become necessary. 2. Installation of kinetic accumulators of electrical energy (ACEE). The alternative solution that is proposed is the assembly of kinetic accumulators of electrical energy (ACEE).

(Català) Les caigudes de plantes de generació elèctrica a bord o Power Blackouts posen en perill la seguretat de la tripulació, dels vaixells i del medi ambient. Els motors d'inducció de potència significativa en kW en relació amb els kVA de l'alternador, com poden ser els motors transversals de proa, provoquen a l'arrencada directa o fins i tot en alguns episodis d'arrencada estrella-triangle, profunds buits de tensió que desestabilitzen les plantes de generació elèctrica, arribant a provocar en alguns casos un Power Blackout. Per comprendre la importància i la gravetat dels danys produïts per aquests Power Blackouts, s'acudeix a la font del CIAIM (Comissió d'Investigació d'Accidents i Incidents Marítims), trobant diversos casos de caigudes de planta de generació elèctrica oficialment registrats, alguns amb resultats de greus danys a persones, com el del ¿Volcà de Tamasite¿ el 2017, a la sortida de port amb 140 ferits i importants danys al moll i al propi vaixell. Per a l'estudi de les caigudes de planta elèctrica i de les possibles solucions, es construeix als laboratoris del departament d'Enginyeria Elèctrica (DEE) de l'Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB/UPC), una rèplica a escala de planta elèctrica amb diversos grups electrògens, alimentant arrencades en buit de motors elèctrics d'inducció, les arrencades dels quals són considerats els transitoris més severs a bord, permetent replicar situacions reals a escala, de caiguda de planta elèctrica (calat de la màquina tèrmica) o Power Blackout. A més, es dissenya i construeix un sistema (ACEE) "Acumulador cinètic d'energia elèctrica", que consta d'un motor d'inducció III, de 9 kW, 400 V, 50 Hz, amb volant d'inèrcia de 40 kg, que gira a 1.500 rpm i que genera 7,4 kJ denergia acumulada. Aquest acumulador cinètic disposa de regulació electrònica, és regeneratiu i programable. La seva aportació és tant de potència activa, com descàrrega de l'energia cinètica acumulada al volant d'inèrcia, com de reactiva, des dels condensadors dels mateixos convertidors de freqüència (VSD) i del condensador que porta el sistema. La proporció és ajustable electrònicament. S'estudien situacions i maneres d'evitar les caigudes de planta, fent actuar el sistema d'acumulador cinètic d'energia elèctrica (ACEE) construït, resultant idoni per a l'experimentació referida. Les conclusions a què arriba aquesta tesi per resoldre adequadament aquest problema són: 1. Sobredimensionar els alternadors dels conjunts Diesel-Alternador, el factor de potència dels quals tradicionalment és 1 o 0,8, de manera que pugui alimentar en permanència, càrregues amb cos ¿= 0,5 o inferior en el cas de vaixells amb propulsió elèctrica. En el cas límit de regulació electrònica de velocitat dels propulsors elèctrics, amb posicionament dinàmic, poden arribar a ser necessaris grups electrògens capaços d'alimentar càrregues a cos ¿= 0,2. 2. Instal·lació d'acumuladors cinètics d'energia elèctrica (ACEE). La solució alternativa que es proposa és el muntatge d'acumuladors cinètics d'energia elèctrica (ACEE).

(Español) Las caídas de plantas de generación eléctrica a bordo o Power Blackouts, ponen en jaque a la seguridad de la tripulación, de los buques y del medio ambiente. Los motores de inducción de potencia significativa en kW en relación a los kVA del alternador, como pueden ser los motores transversales de proa, provocan en el arranque directo o incluso en algunos episodios de arranque estrella-triángulo, profundos huecos de tensión que desestabilizan las plantas de generación eléctrica, llegando a provocar en algunos casos un Power Blackout. Para comprender la importancia y la gravedad de los daños producidos por estos Power Blackouts, se acude a la fuente del CIAIM (Comisión de Investigación de Accidentes e Incidentes Marítimos), encontrando diversos casos de caídas de planta de generación eléctrica oficialmente registrados, algunos con resultados de graves daños a personas, como el del “Volcán de Tamasite” en 2017, a la salida de puerto con 140 heridos e importantes daños en el muelle y en el propio buque. Para el estudio de las caídas de planta eléctrica y de sus posibles soluciones, se construye en los laboratorios del departamento de Ingeniería Eléctrica (DEE) de la Escuela Tècnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB/UPC), una réplica a escala de planta eléctrica con varios grupos electrógenos, alimentando arranques en vacío de motores eléctricos de inducción, cuyos arranques son considerados los transitorios más severos a bordo, permitiendo replicar situaciones reales a escala, de caída de planta eléctrica (calado de la maquina térmica) o Power Blackout. Además, se diseña y construye un sistema (ACEE) “Acumulador cinético de energía eléctrica”, que consta de un motor de inducción III, de 9 kW, 400 V, 50 Hz, con volante de inercia de 40 kg, girando a 1.500 rpm y que genera 7,4 kJ de energía acumulada. Este acumulador cinético dispone de regulación electrónica, es regenerativo y programable. Su aportación es tanto de potencia activa, como descarga de la energía cinética acumulada en su volante de inercia, como de reactiva, desde los condensadores de los propios convertidores de frecuencia (VSD) y del condensador que lleva el sistema. Su proporción es ajustable electrónicamente. Se estudian situaciones y formas de evitar las caídas de planta, haciendo actuar el sistema de acumulador cinético de energía eléctrica, (ACEE) construido, resultando idóneo para la experimentación referida. Las conclusiones a las que llega esta tesis para resolver adecuadamente este problema son: 1. Sobredimensionar los alternadores de los conjuntos Diesel-Alternador, cuyo factor de potencia tradicionalmente es 1 o 0,8, de tal forma que pueda alimentar en permanencia, cargas con cos ϕ= 0,5 o inferior en el caso de buques con propulsión eléctrica. En el caso límite de regulación electrónica “Aportaciones a la Estabilidad de Plantas Marinas de Generación Eléctrica, con Volantes de Inercia” vi de velocidad de los propulsores eléctricos, con posicionamiento dinámico, pueden llegar a ser preciso grupos electrógenos capaces de alimentar cargas a cos ϕ= 0,2. Es necesario, además un criterio sofisticado de control de la excitación de estos alternadores, durante los episodios de arranque de propulsores eléctricos de inducción, que pueden durar algún segundo. Esto afecta al coste de los elementos de control de tensión del alternador, que han de poder suministrar corrientes superiores a la nominal, manteniendo su tensión en bornes en estos eventos. El sistema de protección, debe monitorizar el tiempo que la corriente sobrepasa el valor nominal, desconectando las cargas si este tiempo supera lo previsto o admisible, garantizando que las temperaturas del conjunto, no alcancen valores peligrosos. Esta solución es la más simple y económica, para alimentar propulsores eléctricos de inducción y sus arranques, manteniendo tensiones y energías reactivas en valores estables y controlados a nivel del milisegundo. Algunos astilleros no los sobredimensionan, centrados exclusivamente en criterios de eficiencia y coste, sin tener en cuenta el riesgo que asumen, sacrificando, sin saberlo, la estabilidad de las plantas eléctricas que construyen. 2. Instalación de acumuladores cinéticos de energía eléctrica (ACEE). La solución alternativa que se propone, es el montaje de acumuladores cinéticos de energía eléctrica (ACEE). Aunque su coste es significativamente superior al sobredimensionado del alternador, es recomendable en los casos de buques existentes donde el espacio, coste, viabilidad de la extracción y montaje del nuevo alternador se vean comprometidos. Los trámites administrativos y su coste pueden llegar ocasionalmente a ser equiparables o incluso menores, siendo, además, una solución fiable, de mantenimiento asumible, ajustable a cada instalación, escalable en potencia y de muy fácil ubicación a bordo. Estos acumuladores (ACEE), además de sus propios elementos capacitativos integrados en los (VDF), suelen ir acompañados por grupos de condensadores, para aumentar la energía reactiva aportada y la velocidad de reacción del sistema. Este trabajo, pretende ser una aportación tecnológica para resolver esta problemática, asegurando la alimentación de cargas dinámicas, con estabilidad y consumo de combustible optimizado.