BR112017008625B1

BR112017008625B1 - Sistema de geração de potência elétrica

Info

Publication number: BR112017008625B1
Application number: BR112017008625-5A
Authority: BR
Inventors: Klaus Vãnskã; Pasi Pohjanheimo; Sami KANERVA; Mikko Kajava
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2014-10-27
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2022-06-14
Also published as: BR112017008625A2; ES2622380T3; RU2672574C1; CN107005060A; KR20170076757A; CN107005060B; AU2015340979B2; AU2015340979A1; EP3016227B1; WO2016066396A1; US20170338759A1; SG11201702880SA; CA2965407A1; JP2017539198A; EP3016227A1; US10734930B2

Abstract

Trata-se de um sistema de geração de potência elétrica e um método em um sistema de geração de potência elétrica. O sistema compreende um ou mais geradores para produzir energia elétrica, sendo que cada gerador é disposto para ser acionado com um impulsionador principal correspondente, em que os geradores são geradores de CA de múltiplas fases adaptados para gerar uma tensão de múltiplas fases que tem uma frequência e uma amplitude, em que as saídas de fase dos geradores são conectáveis a um barramento de múltiplas fases comum para distribuir a energia elétrica gerada pelos geradores de CA, o sistema compreende adicionalmente meios para fornecer valores de referência independentes para uma velocidade rotacional dos impulsionadores principais e para amplitude da tensão de múltiplas fases, sendo que a velocidade rotacional dos impulsionadores principais define a frequência da tensão de múltiplas fases, e o sistema é adaptado para operar em pelo menos três pontos de operação com base nos valores de referência independentes fornecidos, em que um ponto de operação é definido por uma razão entre a amplitude da tensão de múltiplas fases e a frequência da tensão de múltiplas fases, em que os pelo menos três pontos de operação são (...).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a sistemas de geração de potência elétrica, e, mais particularmente, a sistemas de geração de potência elétrica autônomos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[0002] Sistemas de geração de potência elétrica autônomos são usados em situações ou locais em que conexão elétrica a uma rede elétrica de área ampla não é possível. Tais sistemas autônomos também são usados em embarcações, iates e outras embarcações marítimas em que impulsionadores principais conectados a geradores elétricos são empregados para produzir energia elétrica a ser consumida pelos vários dispositivos elétricos nas embarcações ou similares. A energia elétrica gerada é usada pelos dispositivos exigidos para propulsão da embarcação e para alimentar os vários componentes e sistemas relacionados à operação da embarcação. Além disso, em embarcações de passageiros, os passageiros também consomem vasta quantidade de energia elétrica diretamente com equipamento elétrico ou indiretamente com o uso dos confortos disponíveis a bordo.

[0003] É conhecido o fornecimento de energia elétrica para uma embarcação gerando-se potência de CA com geradores conectados aos impulsionadores principais. Os impulsionadores principais usam várias fontes de energia, tais como diesel combustível e óleo combustível, para produzir movimento rotacional para o gerador. A potência de CA gerada é transformada para um nível de tensão adequado para propósitos diferentes. Em embarcações grandes múltiplos geradores são operados em paralelo e a operação é supervisionada por um sistema de controle superior. O sistema de controle superior controla o gerenciamento de potência dos geradores mudando-se o número de geradores ativos quando a demanda de potência exige. O sistema de controle superior é configurado de modo que a operação do sistema de geração de potência opera em uma maneira estável independentemente das mudanças na demanda de potência.

[0004] O controle da potência gerada é executado controlando- se a injeção de combustível do impulsionador principal de modo que o impulsionador principal mantenha sua velocidade rotacional constante. Quando, por exemplo, a carga do gerador aumenta, a injeção de combustível também é aumentada de modo a manter a velocidade rotacional constante. Como o gerador é conectado diretamente à haste do impulsionador principal, a frequência de saída da potência de CA gerada também é mantida constante.

[0005] Em outra abordagem cada conjunto impulsionador principal - gerador é equipado com um retificador de CA para CC. As saídas dos retificadores são conectadas a um barramento de CC comum. A potência elétrica gerada é convertida adicionalmente para potência de CA para que a potência possa ser consumida com dispositivos de CA. Nessa estrutura, a frequência de saída de cada conjunto de gerador-impulsionador principal pode ser controlada para otimizar a operação do sistema. Em um sistema de geração de potência com distribuição de CC a quantidade de componentes elétricos é grande uma vez que cada gerador exige um retificador separado. Em grandes instalações em que a quantidade de potência instalada é alta, os componentes de CC exigidos, tal como disjuntores, são caros uma vez que a operação é em nível de tensão médio. Além disso, outra conversão de potência é necessária quando a tensão de CC é convertida de volta para tensão de CA para os consumidores.

[0006] O Documento EP 2682339 A1 revela um sistema, em que a frequência da rede de distribuição de CA é variável. No sistema, a velocidade dos impulsionadores principais é mantida tão baixa quanto possível para maximizar a eficiência.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[0007] Um objetivo da presente invenção é fornecer um sistema e um método de modo a solucionar os problemas acima. Os objetivos da invenção são alcançados por um sistema e método, que são distinguidos pelo que é declarado nas reivindicações independentes. As modalidades preferenciais da invenção são reveladas nas reivindicações dependentes.

[0008] A invenção é baseada na ideia de produzir tensão de CA de múltiplas fases com um ou mais geradores para um barramento de múltiplas fases comum com uma frequência ajustável e tensão substancialmente constante. Os impulsionadores principais que são usados para girar geradores para produzir energia elétrica recebem uma referência de velocidade rotacional que pode ser selecionada de acordo com vários aspectos.

[0009] A vantagem da invenção é que o ponto de operação dos impulsionadores principais pode ser definido para o valor desejado de acordo com as preferências do operador. A invenção permite usar uma velocidade rotacional fixa que não é necessariamente a velocidade rotacional nominal dos impulsionadores principais. Quando uma tensão substancialmente constante é produzida pelo um ou mais geradores, a potência gerada não é dependente da frequência e, portanto, a totalidade da potência gerada é disponível em todas as frequências. Como a tensão é mantida substancialmente constante com frequência variável, cada consumidor individual obtém potência total sem disposições específicas, tal como conversores de frequência com entradas ativas. Desse modo a frequência pode ser ajustada sem sacrificar a potência disponível para o consumidor individual. De acordo com uma modalidade preferencial, a tensão de CA de múltiplas fases tem amplitude que é controlada para ser constante. Quando uma amplitude fixa é usada, o fluxo magnético dos componentes magnéticos no sistema muda conforme a frequência é mudada. No entanto, se a amplitude da tensão é levemente reduzida quando a frequência é diminuída, o aumento do fluxo magnético pode ser um pouco reduzido.

[0010] De acordo com uma modalidade da invenção, uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais é otimizada com o ajuste da referência de velocidade rotacional. Essa propriedade é, por exemplo, consumo de combustível dos impulsionadores principais. Desse modo na modalidade, é permitido que a velocidade rotacional dos impulsionadores principais mude para minimizar o consumo de combustível. A velocidade rotacional mudada dos motores também significa frequência mudada da tensão de CA gerada.

[0011] Em sistemas conhecidos a velocidade rotacional dos geradores é mantida constante para que uma frequência fixa seja produzida para o barramento de tensão de múltiplas fases. Isso significa que a demanda de potência, isto é, a carga dos geradores determina o ponto de operação dos impulsionadores principais. Os impulsionadores principais são, tipicamente, otimizados para a operação em certo nível de potência com uma frequência fixa. No entanto, a mudança na velocidade rotacional também afeta o consumo de combustível, e essa propriedade é empregada na modalidade.

[0012] Em uma modalidade, os impulsionadores principais recebem uma referência de velocidade rotacional do sistema de controle de nível superior, e os geradores sincronizam sua frequência de saída à referência, de modo que é formado um barramento de tensão alternativo em que a frequência é ajustável. Desse modo, o sistema de controle de nível superior otimiza o consumo de combustível ou outra propriedade otimizada instruindo-se o um ou mais geradores paralelos para trabalhar com uma frequência que minimize o consumo de combustível ou outra propriedade dos impulsionadores principais.

[0013] Na invenção, os valores de referência independentes para uma velocidade rotacional dos impulsionadores principais e para a amplitude da tensão de múltiplas fases são fornecidos. Preferencialmente a referência de velocidade rotacional é usada para otimizar uma propriedade relativa aos impulsionadores principais e a referência de amplitude é usada para mudar o fluxo magnético no sistema de modo que os componentes magnéticos não sejam saturados.

[0014] Com a presente invenção, tecnologia de CA confiável e robusta pode ser empregada. Além disso, o sistema permite transmitir a potência elétrica com o uso de tecnologia de CA ou tecnologia de CC de acordo com um projeto selecionado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0015] A seguir, a invenção será descrita em maiores detalhes, por meio de modalidades preferenciais, em referência aos desenhos anexos, nos quais

[0016] A Figura 1 mostra um exemplo de consumo de combustível como uma função de velocidade rotacional e potência gerada de um impulsionador principal;

[0017] A Figura 2 mostra uma modalidade do sistema da invenção;

[0018] A Figura 3 mostra um exemplo de curva de demanda de potência e curva de frequência de sistema como uma função de velocidade da embarcação; e

[0019] A Figura 4 mostra uma linha de razão constante no plano de tensão/frequência.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0020] A Figura 2 mostra um diagrama de circuito principal de um sistema de acordo com uma modalidade da presente invenção. Em A Figura 2, quatro geradores de CA de múltiplas fases 1, 2, 3 e 4 são conectados a um barramento de CA 5. O barramento de CA consiste em barras de barramento, isto é, condutores para cada fase da tensão de múltiplas fases gerada e de disjuntor 6 que podem ser usadas para dividir o barramento em duas seções independentes mesmo quando o barramento transporta corrente nominal. No exemplo da Figura 2, a tensão do barramento e, portanto, a tensão de saída dos geradores é constante de 11 kV. As potências nominais dos geradores podem ser na classe de megawatts, nesse caso a potência gerada é suficiente para eletrificar embarcações grandes com um sistema de propulsão elétrico.

[0021] A Figura 2 mostra adicionalmente várias cargas conectadas ao barramento de CA. No exemplo o sistema de propulsão é acionado eletricamente e a Figura 2 mostra o sistema de potência 13 para a propulsão. Tal sistema de potência compreende transformadores, conversores de frequência e um motor que aciona o propulsor. As cargas adicionais apresentadas na Figura 2 incluem acionamento elétrico 11, 12 para o compressor do dispositivo produzir água gelada para propósitos de resfriamento e conectado em linha direto a ao motor 10, tal como um motor propulsor.

[0022] A Figura 2 mostra adicionalmente um transformador 7 destinado a transformar e, adicionalmente, distribuir eletricidade dentro da embarcação para outras funções da embarcação. Essas outras funções podem se referir a acomodação e restaurantes em uma embarcação de passageiros e várias máquinas de trabalho em diferentes navios de trabalho, tais como máquinas de perfuração e bombeamento. Uma possibilidade para distribuição de CC de potência também é mostrada no exemplo da Figura 2, como um conversor de CA para CC 9 que é apresentado conectado ao barramento de CA através de um transformador 8.

[0023] Conforme visto na Figura 2, os vários componentes e cargas são apresentados duplicados. Devido às exigências de redundância, os impulsionadores principais e os componentes elétricos principais são instalados em pelo menos dois espaços separados. O barramento de CA comum que conecta os espaços pode ser dividido abrindo-se o disjuntor 6.

[0024] De acordo com a presente invenção o sistema de geração de potência elétrica de uma embarcação compreende um ou mais geradores 1, 2, 3, 4 para produzir energia elétrica. No exemplo da Figura 2 quatro geradores são apresentados. O número de geradores conectados ao sistema de geração de potência não é limitado a qualquer quantidade específica. Cada um dos geradores é acionado com um impulsionador principal correspondente, tal como um motor a diesel. Esses impulsionadores principais são conectados diretamente às hastes dos geradores para que cada gerador gire com um impulsionador principal correspondente.

[0025] Conforme mencionado acima, os geradores usados na invenção são geradores de CA de múltiplas fases. Tipicamente, os geradores são geradores trifásicos de CA que produzem tensão trifásica. Os geradores usados em produção de potência em uma embarcação grande são geradores de classe de megawatts. As potências nominais dos geradores podem ser iguais ou de modo que, por exemplo, dois geradores sejam de classificação menor e o restante dos geradores tenha classificação de potência maior.

[0026] As saídas de fase dos geradores são conectáveis a um barramento de múltiplas fases comum. A Figura 2 mostra disjuntores entre o barramento 5 e os geradores. Os disjuntores são operados para ajustar a capacidade de produção conectada ao barramento. O barramento 5 consiste em barras de barramento ou membros condutores similares que são usados para distribuir a potência elétrica gerada para as cargas ou consumidores. O número de fases de barramento de múltiplas fases corresponde àquele dos geradores, e é, tipicamente, um barramento trifásico que tem três barras de barramento. Os geradores são geradores de CA e a tensão produzida tem uma frequência que é comum a todos os geradores.

[0027] Em uma modalidade da invenção, a amplitude da tensão de CA de múltiplas fases gerada é mantida constante embora a frequência da tensão de CA mude. Quando tensão de CA com constante amplitude é produzida, a potência disponível permanece constante independente da frequência da tensão de CA. Em geradores a tensão de CA constante é obtida controlando-se a magnetização dos geradores de uma maneira conhecida para tal.

[0028] De acordo com a invenção o sistema compreende meios para fornecer referência de velocidade rotacional para os impulsionadores principais. Conforme conhecido, a velocidade rotacional do impulsionador principal define a frequência da tensão gerada uma vez que cada impulsionador principal é conectado diretamente a um gerador correspondente. Na invenção, o valor de referência para velocidade rotacional do impulsionador principal é independente do valor de referência para a amplitude da tensão de múltiplas fases. Ou seja, os valores de referência separados são dados para amplitude e velocidade rotacional e os valores de referência não são diretamente proporcionais entre si. Além disso, na invenção, o sistema de geração de potência elétrica é adaptado para operar em pelo menos três pontos de operação com base nos valores de referência. O ponto de operação é definido como a razão entre a amplitude da tensão de múltiplas fases e a frequência da tensão de múltiplas fases.

[0029] Em um sistema de controle típico para operação de frequência variável de um sistema elétrico, a frequência e a amplitude da tensão são controladas de modo que a amplitude seja mudada com base na mudança de frequência. Quando a frequência é mudada, a amplitude segue a mudança para manter a razão entre a amplitude da tensão e a frequência constante. Na presente invenção, a frequência e a amplitude da tensão gerada não são controladas linearmente de forma dependente entre si, o que fornece flexibilidade no projeto e uso de um sistema de geração de potência elétrica.

[0030] A capacidade para fornecer uma referência de velocidade rotacional para os impulsionadores principais significa que a frequência da tensão gerada de múltiplas fases pode ser definida para um dado valor com base em necessidade ou propósito específicos. Os impulsionadores principais conectados mecanicamente aos geradores podem ser definidos para uma velocidade rotacional desejada e, desse modo, a frequência da tensão emitida segue a velocidade rotacional dos geradores. Os meios adaptados para fornecer a referência de velocidade rotacional são, preferencialmente, implantados em um sistema de controle de nível superior, tal como o sistema de gerenciamento de potência de uma embarcação. Uma referência de velocidade rotacional para um impulsionador principal pode ser considerada como uma referência de frequência uma vez que a relação entre a velocidade rotacional mencionada e a frequência da tensão gerada é linear. Desse modo o sistema de controle de nível superior pode fornecer uma referência de frequência que é mudada para ser uma referência de velocidade rotacional correspondente que é dada para os impulsionadores principais.

[0031] De acordo com uma modalidade da invenção, o sistema compreende meios que são adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais ajustando-se a referência de velocidade rotacional dos impulsionadores principais. Desse modo, na modalidade, a referência de velocidade rotacional e, portanto, a frequência da tensão emitida é mudada para que uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais seja otimizada. O fato de que uma propriedade é otimizada se refere a um conjunto de ações em que a frequência da tensão emitida é ajustada para um valor em que uma propriedade mensurável relacionada aos impulsionadores principais é trazida para um valor mais desejável.

[0032] De acordo com uma modalidade da invenção, a propriedade otimizada relacionada aos impulsionadores principais é o consumo de combustível dos impulsionadores principais. Em outra modalidade da invenção, a propriedade otimizada relacionada aos impulsionadores principais é o nível de emissão dos impulsionadores principais. Em outra modalidade, a propriedade otimizada relacionada aos impulsionadores principais é o nível de ruído dos impulsionadores principais. Quando a amplitude produzida da tensão de CA é mantida constante enquanto a frequência é variável, o sistema permite otimização dos parâmetros em uma grande escala. A velocidade rotacional dos impulsionadores principais ou a frequência de saída podem ser ajustadas para um ponto que otimize o consumo de combustível, por exemplo, e, ainda, os usuários individuais têm capacidade para extrair sua potência nominal do sistema de geração de potência.

[0033] A seguir, uma modalidade, em que a propriedade otimizada em relação aos impulsionadores principais é o consumo de combustível dos impulsionadores principais, é descrita em detalhes. Na modalidade, a frequência da tensão de múltiplas fases é ajustada ou mudada para levar em conta o consumo de combustível dos impulsionadores principais. A mudança da frequência significa, na prática, que o sistema está operando com uma frequência que difere da frequência nominal do equipamento usado. Preferencialmente, a frequência e, portanto, a velocidade rotacional do impulsionador principal é diminuída do valor nominal, e a faixa preferencial em que a otimização é executada é na faixa de velocidade de 60% a 100% da velocidade rotacional nominal do impulsionador principal. Caso a frequência nominal da eletricidade produzida com os geradores seja 60 Hz, então, a velocidade rotacional de 60% do impulsionador principal produz tensão que tem uma frequência de 36 Hz. Correspondentemente, caso a frequência nominal do gerador seja 50 Hz, então, a velocidade rotacional de 60% corresponde à tensão que tem uma frequência de 30 Hz. Os limites estritos de operação são, no entanto, dependentes do projeto e tipo do impulsionador principal, e o limite inferior de frequência produzida pode ser tão baixo quanto 50% da frequência nominal ou até mesmo inferior.

[0034] A frequência nominal acima se refere à frequência da tensão de saída obtida quando o impulsionador principal gira em sua velocidade rotacional nominal. Essa velocidade rotacional nominal em operação convencional produziria uma frequência que é dita ser nominal, isto é, 50 Hz ou 60 Hz.

[0035] A Figura 1 mostra um exemplo de um gráfico que indica o consumo de combustível de um motor a diesel como uma função da velocidade rotacional do motor e da potência do motor. O consumo de combustível é mostrado como mudança em g/kWh do ponto de operação com 100% de velocidade rotacional e 100% de nível de potência. O consumo é lido do gráfico de modo que as linhas indiquem certo aumento ou diminuição do consumo em g/kWh. Por exemplo, o ponto ótimo de operação é aproximadamente com 90% da velocidade rotacional e aproximadamente 70% da potência marcada com * no gráfico. Quando se afasta do círculo, o consumo aumenta. Como vista do gráfico, a mudança de consumo é maior na faixa inferior de potência produzida enquanto que na faixa mais alta de potência o espaço entre as linhas é mais amplo o que indica menor mudança no consumo quando o ponto de operação muda.

[0036] De acordo com uma modalidade preferencial da invenção os meios adaptados para otimizar uma propriedade, tal como o consumo de combustível dos impulsionadores principais, compreendem um banco de dados legível que indica a quantidade da propriedade, tal como a quantidade de consumo de combustível, como uma função da velocidade rotacional do impulsionador principal e do nível de carregamento do impulsionador principal. O banco de dados legível, tal como uma tabela de pesquisa, da modalidade é uma tabela tridimensional na qual os dados relacionados à propriedade otimizada relacionada a impulsionador principal são armazenados de uma maneira tal, que os dados possam ser acessados por um processador ou dispositivo similar para ler os dados em pontos de operação diferentes. Com esse propósito, os meios de otimização compreendem meios adaptados para ler o banco de dados com base no nível de carregamento conhecido do impulsionador principal e adaptados para emitir um valor de velocidade rotacional que minimize ou otimize a propriedade desejada em relação aos impulsionadores principais.

[0037] Na invenção, o valor de referência é fornecido para a velocidade rotacional dos impulsionadores principais para gerar tensão de múltiplas fases com uma frequência que corresponde à velocidade rotacional. Uma referência de velocidade rotacional dada para o impulsionador principal corresponde a uma certa referência de frequência para obter tensão alternada que tem a frequência desejada.

[0038] A frequência da tensão gerada é adaptada para seguir a referência de velocidade rotacional. A referência é dada, preferencialmente, para os impulsionadores principais como uma referência de velocidade rotacional que corresponde à referência de frequência. O impulsionador principal atua para aumentar ou diminuir a injeção de combustível de modo que a velocidade rotacional corresponda à referência.

[0039] O gráfico da Figura 1 é armazenado como um banco de dados legível, tal como uma tabela legível. De acordo com a ideia da modalidade, quando opera em um regime permanente, o consumo de valor de corrente é comparado a outros valores de consumo com o mesmo nível de potência. Por exemplo, quando a operação está na velocidade nominal do gerador e o nível de potência gerado e exigido é 50% da potência nominal, pode ser lido do gráfico da Figura 1 que o consumo de combustível é minimizado quando a velocidade rotacional do impulsionador principal é diminuída para aproximadamente 85% da velocidade rotacional nominal. Quando os valores na tabela indicam que um consumo inferior está disponível, uma referência de velocidade rotacional é dada para o um ou mais impulsionadores principais ativos. Quando a operação é mudada para outro nível de potência, o procedimento de otimização é repetido.

[0040] O gráfico de consumo da Figura 1 é armazenado em forma acessível para cada impulsionador principal individual instalado no sistema. Tabelas de pesquisa ou bancos de dados similares também podem ser formados para qualquer combinação dos impulsionadores principais instalados no sistema. Durante a otimização o consumo de combustível, o gráfico combinado que indica o consumo de impulsionadores principais ativos atualmente é lido ou cada gráfico individual correspondente aos impulsionadores principais ativos atualmente são lidos e os consumos de combustível correspondentes são somados para obter o consumo combinado.

[0041] A Figura 3 mostra um exemplo de uma curva de demanda de potência juntamente com frequência e potência disponível do sistema quando a amplitude da tensão gerada é controlada para ser constante. O exemplo da Figura 3 ilustra a ideia da invenção em uma embarcação ou um navio em que quatro geradores são conectáveis para produzir energia elétrica para o sistema. Além da potência de propulsão dependente da velocidade, a curva de demanda de potência inclui carga auxiliar constante que é vista a partir do fato de que a potência é demandada mesmo se a velocidade da embarcação for zero.

[0042] Conforme visto das curvas, quando a velocidade da embarcação está na faixa de zero a 50% da velocidade total, um gerador é suficiente para produzir a potência demandada. Desse modo a frequência pode ser mudada para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais. Quando a demanda de potência aumenta com velocidade da embarcação crescente, mais geradores são conectados para produzir potência. Por exemplo, quando a velocidade da embarcação excede 50% da velocidade máxima, um segundo gerador é conectado para produzir potência e, ao mesmo tempo, a frequência do sistema pode ser diminuída. De maneira similar com demanda de potência crescente mais geradores são conectados ao sistema. Quando a demanda de potência é reduzida, o número de geradores ativos pode ser diminuído.

[0043] O exemplo acima é para ilustrar a operação da geração de potência em relação à frequência da tensão gerada. Na otimização de certo parâmetro múltiplos geradores podem ser empregados mesmo se potência suficiente pudesse ser disponível com uma quantidade menor de geradores. Isso é devido ao fato de que a otimização de parâmetro leva em conta os níveis de potência dos geradores individuais. Como um exemplo, pode ser mais desejável produzir potência com três geradores com 63,3% da capacidade máxima dos geradores do que com dois geradores com 95% da capacidade.

[0044] Os meios adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais, tal como o consumo de combustível, são, preferencialmente, transformados em um controlador de nível superior que também controla outras funções relacionadas ao sistema de geração de potência da embarcação. O controlador de nível superior recebe informações sobre a quantidade de potência produzida e sobre a potência solicitada. Com base na potência produzida e na potência solicitada o controlador de nível superior decide se muda os geradores atualmente em uso ou continua a operação com a configuração corrente. Na decisão dos geradores de operação, a otimização é levada em conta. Caso, com base nos gráficos armazenados, seja previsto que o consumo de combustível é reduzido se a carga corrente for compartilhada com múltiplos impulsionadores principais, então, o controlador de nível superior conduz tal operação e define uma referência de velocidade rotacional ou uma referência de frequência para otimizar o consumo de combustível. De maneira similar, o controlador de nível superior pode diminuir o número de impulsionadores principais em uso.

[0045] Conforme mencionado, é permitido que a velocidade rotacional dos impulsionadores principais, e, portanto, a frequência gerada, varie dento de certos limites. Os vários componentes elétricos exigidos para a operação do sistema de geração de potência são capazes de funcionar dento dos limites definidos. De acordo com a invenção, um valor de referência para a amplitude da tensão gerada é fornecido independentemente da referência de velocidade rotacional. Quando, de acordo com uma modalidade da invenção, a tensão é mantida constante, os vários componentes magnéticos, tais como geradores e transformadores precisam ser projetados para levar em conta tal operação.

[0046] Quando a amplitude de tensão é mantida constante com um valor de referência fixo, e a frequência varia, a razão entre a amplitude e a frequência não é constante. Conforme conhecido, quando a razão Volts/Hertz mencionada é mantida constante, o fluxo magnético nos componentes magnéticos também é constante. De acordo com uma modalidade, a amplitude da tensão é mantida substancialmente constante enquanto que a frequência é ajustada. Portanto, no sistema da invenção o fluxo magnético nos componentes magnéticos, tais como transformadores, geradores e motores elétricos, varia. A variação do fluxo magnético precisa ser levada em conta para que as partes magnéticas não possam ser saturadas. As partes magnéticas dos componentes precisam ser projetadas de acordo com a frequência mais baixa possível. Na prática, o tamanho das partes magnéticas, tais como os núcleos de ferro de transformadores, geradores e motores, precisa ser aumentado de modo que os núcleos magnéticos não sejam saturados. As estruturas de núcleo maiores permitem usar frequências de sistema inferiores e, portanto, a otimização da operação do sistema pode ser executada em faixa mais ampla.

[0047] De acordo com uma modalidade, a propriedade otimizada relacionada aos impulsionadores principais é um nível de emissão dos impulsionadores principais. Como com a modalidade descrita acima relacionada a otimizar a eficiência de combustível dos impulsionadores principais, pode ser formado um gráfico ou tabela similar das emissões dos impulsionadores principais. Esse gráfico representa o nível de emissões como uma função da velocidade rotacional dos impulsionadores principais e da potência gerada. A operação e a estrutura da modalidade são similares àquelas da modalidade descrita acima relacionada à eficiência de combustível com a exceção de que, em vez de otimizar o consumo de combustível dos impulsionadores principais, o nível de emissão é otimizado. O nível de emissões de impulsionadores principais não fica necessariamente no nível mais baixo quando o consumo dos impulsionadores principais é otimizado. O nível de emissões depende do tipo de impulsionador principal e do tipo do combustível usado no impulsionador principal. Além disso, a otimização do nível de emissão pode ser baseada em emissões diferentes, tais como poluentes do ar ou gases de efeito estufa. Durante a operação de acordo com a modalidade, uma propriedade selecionada das emissões é otimizada, ou, preferencialmente, minimizada, ajustando-se a velocidade rotacional dos impulsionadores principais.

[0048] De acordo com outra modalidade da invenção, a propriedade relacionada aos impulsionadores principais é o nível de ruído dos impulsionadores principais. Como algumas velocidades rotacionais dos impulsionadores principais podem dar origem a ressonâncias ou de outra forma ser mais ruidosas do que outras velocidades rotacionais, a velocidade rotacional dos impulsionadores principais é otimizada de acordo com o nível de ruído quando operação silenciosa é preferencial. Como com as modalidades acima, pode ser formado um gráfico ou tabela de pesquisa de níveis de ruído com velocidades rotacionais e níveis de potência diferentes. Durante a operação nesse modo silencioso, é selecionada a velocidade rotacional dos impulsionadores principais que otimiza o nível de ruído. Quando um gráfico ou tabela de pesquisa é formado, a operação e a estrutura da otimização são conforme descritos acima.

[0049] Além disso, o nível de ruído também pode ser otimizado selecionando-se uma velocidade rotacional definida em que o sistema opera. Nessa modalidade a velocidade rotacional dos impulsionadores principais é fixa e não muda apesar das mudanças no nível de potência. A otimização de nível de ruído pode ser desejável em algumas situações. Por exemplo, quando se afasta de uma porta o nível de ruído dos motores propulsores pode ser diminuído abaixando-se a velocidade rotacional dos impulsionadores principais para a velocidade mais baixa permissível ou qualquer outra velocidade rotacional que seja conhecida por fornecer o nível de ruído mais baixo. Em alguns casos, os motores propulsores são conectados diretamente ao barramento de CA e giram em uma velocidade que depende da frequência da tensão. Quando a referência de velocidade rotacional e, portanto, a frequência pode ser ajustada, a velocidade rotacional dos propulsores também é ajustada. O ruído dos propulsores pode ser minimizado selecionando-se uma frequência adequada da tensão de CA gerada.

[0050] Conforme, de acordo com a invenção, é fornecida uma referência de velocidade rotacional para os impulsionadores principais, a frequência da tensão gerada pode ser forçada ou definida para ficar na frequência nominal dando-se uma referência de velocidade rotacional fixa para os impulsionadores principais. Isso remove efetivamente a otimização do uso, e o sistema atua como um sistema tradicional. A otimização pode ser utilizada novamente a qualquer momento.

[0051] O ponto de operação dos impulsionadores principais é mudado em uma modalidade da invenção devido à otimização de consumo de combustível. A economia obtida pode ser de até 10% em relação a um sistema de geração de potência operado de maneira convencional.

[0052] A velocidade rotacional dos impulsionadores principais e, portanto, a frequência da tensão é otimizada, preferencialmente, quando a demanda de potência estiver estável por um período tempo indicado. A referência de velocidade rotacional do sistema não é necessariamente mudada com cada mudança de nível de potência. Tipicamente, as viagens longas são feitas com grandes embarcações e, desse modo, as embarcações são operadas por períodos longos em condições substancialmente constantes. Esses períodos longos de tempo com velocidade constante da embarcação são condições adequadas para a otimização do consumo de combustível. De acordo com uma modalidade da invenção, os meios adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais são operados após o nível de carga dos geradores ter ficado em um nível substancialmente constante por um período de tempo definido. O período de tempo definido pode ser na faixa de 10 a 15 minutos, por exemplo. No entanto, o período de tempo definido pode ser definido manualmente para um valor desejado de modo que a otimização possa reagir mais prontamente a condições mudadas. A otimização também pode ser iniciada ou forçada por um funcionário quando, por exemplo, um novo nível de potência for exigido e alcançado por um comando originado a partir do aumento de velocidade de cruzeiro, o funcionário pode iniciar a otimização instantaneamente quando o nível de potência e a velocidade forem obtidos.

[0053] O consumidor principal da potência produzida em uma embarcação ou navio é, tipicamente, o sistema de propulsão. Portanto a otimização do consumo de combustível ou do nível de emissão é baseada, preferencialmente, na potência usada pelo sistema de propulsão. O nível de carga substancialmente constante referenciado acima se refere a um nível de carga, que não mostra tendência de aumento ou diminuição, mas tem estado estável com variações dentro de um percentual pequeno do nível de potência.

[0054] A Figura 1 mostra sob o eixo geométrico horizontal a variação possível da frequência de saída da tensão produzida pelos geradores em relação à variação na velocidade rotacional dos impulsionadores principais quando a frequência nominal do gerador é 60Hz.

[0055] Na otimização, os meios adaptados para otimizar o consumo de combustível também podem incluir um modelo dos geradores. Nesse caso a operação dos geradores é simulada no modelo. O modelo dá estimativas da propriedade relacionada aos impulsionadores principais e da propriedade com velocidades rotacionais diferentes. Uma vez que o modelo produz a propriedade otimizada, tal como consumo de combustível mínimo, em um certo valor de velocidade rotacional, a velocidade rotacional é dada como uma referência para o processo real.

[0056] De acordo com uma modalidade da invenção os meios adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais compreendem meios adaptados para receber valores da propriedade otimizada durante o uso dos impulsionadores principais. Esses valores recebidos são coletados durante, preferencialmente, antes da otimização para produzir a tabela de pesquisa legível ou banco de dados similar. Para receber os valores o sistema recebe sinais que representam os valores que são medidos do sistema. Esses valores são, por exemplo, dados de consumo de combustível. O consumo de combustível medido é comunicado para os meios adaptados para otimizar a propriedade juntamente com os dados de velocidade rotacional e de nível de potência de modo que um gráfico, mapa, tabela de pesquisa ou banco de dados similar legível possa ser formado.

[0057] O banco de dados legível, tal como uma tabela de pesquisa também pode ser fornecido pelo fabricante do impulsionador principal. Caso, no entanto, esse banco de dados não seja fornecido, o mesmo pode ser formado durante o uso dos impulsionadores principais quando a embarcação está em operação. Nesse caso, durante o uso da embarcação, a velocidade rotacional dos geradores é ajustada manualmente ou com uma certa lógica em níveis de potência diferentes. A propriedade otimizada, tal como consumo de combustível, é medida e armazenada para formar um banco de dados que pode ser usado para propósitos de otimização. Qualquer propriedade mensurável relacionada aos impulsionadores principais pode ser armazenada para formar esse banco de dados, e com base no banco de dados a propriedade também pode ser otimizada mudando-se a velocidade rotacional para um valor que otimiza a propriedade. Além disso, pode ser aconselhável atualizar o banco de dados com dados medidos uma vez que as propriedades dos impulsionadores principais podem mudar durante o uso e variações de combustíveis usados nos impulsionadores principais podem mudar as áreas ideais de operação.

[0058] A frequência da tensão de CA gerada pelo sistema da invenção não é fixa em 50Hz ou 60Hz. Caso alguns consumidores ou cargas demandem frequência estável para a operação, isso pode ser executado empregando-se um dispositivo conversor para fornecer tal tensão. O conversor pode ser um conversor de frequência conectado diretamente à tensão de CA de frequência variável ou a um inversor conectado à tensão de CC caso esta esteja disponível. Como a tensão dos geradores é mantida substancialmente constante, os conversores de frequência empregados no sistema para várias cargas não exigem conversores com entradas ativas. Ou seja, os conversores de frequência do sistema podem operar com pontes de retificação passivas uma vez que a tensão não tem que ser reforçada nos conversores de frequência.

[0059] O impulsionador principal empregado na invenção pode ser de qualquer tipo de máquina giratória que produz movimento rotacional a partir de uma fonte de energia. Exemplos de tais máquinas incluem, porém, sem limitações, motores de combustão, tais como motores a diesel, turbinas a gás ou motores que usam óleo combustível ou gás de qualquer forma. O gráfico da Figura 1 é dado adicionalmente como um exemplo de um gráfico que pode ser usado na otimização de uma propriedade relacionada a impulsionadores principais. O gráfico da Figura 1 desenhado para ilustrar as vantagens obtidas com a invenção.

[0060] O tipo de gerador conectado à haste do impulsionador principal não é limitado a qualquer tipo específico de gerador. Preferencialmente o um ou mais geradores da invenção são geradores síncronos. No entanto, a invenção também pode ser consubstanciada com outros geradores de CA.

[0061] De acordo com a invenção, é fornecido um valor de referência para a amplitude da tensão de múltiplas fases. O valor de referência para a amplitude pode ter um valor constante de modo que o gerador é, então, adaptado para operar de modo que uma amplitude fixa seja produzida. Conforme conhecido, embora a referência para amplitude seja fixa, a amplitude pode variar dento de certos limites que levam em conta as mudanças dinâmicas do sistema. Por exemplo, a amplitude pode variar dento de limites de ± 5% do nominal ou classificado da tensão.

[0062] O sistema da invenção é adaptado para operar em pelo menos três pontos de operação, e os pontos de operação são definidos pela razão entre a amplitude da tensão de múltiplas fases e a frequência da tensão de múltiplas fases. Os três pontos de operação podem ser, por exemplo, pontos de operação em que a amplitude da tensão é constante e a frequência tem três valores diferentes, tais como a frequência nominal do sistema, a frequência mais baixa permissível do sistema e uma frequência que correspondente a 90% da frequência nominal do sistema. Além disso, os três pontos de operação podem ser pontos de operação em que a frequência é constante e a tensão tem valores de 100%, 98% e 97% da tensão nominal. É claro que pelo menos três pontos de operação podem ser alcançados de múltiplas formas.

[0063] De acordo com uma modalidade, o ponto de operação tem um valor mais baixo na frequência nominal e na tensão nominal. O ponto de operação elétrica acima define a operação em plano de tensão/frequência. Quando o valor mais baixo da razão é na frequência nominal fnom e na tensão nominal Vnom conforme mostrado na Figura 4, os outros pontos de operação possíveis se situam acima da linha de razão constante 41 da Figura 4. Quando a frequência de um sistema elétrico é mudada com o uso da razão Volts/Hertz constante conhecida, o ponto de operação definido acima permanece constante e segue a linha 41 mencionada.

[0064] De acordo com a presente revelação, a amplitude da tensão gerada é ajustada e varia juntamente com a frequência de modo que a razão Volts/Hertz constante não é mantida. Por exemplo, a amplitude da tensão é diminuída por 5% do valor classificado quando a frequência está no valor permissível mais baixo que pode ser, por exemplo 75% da frequência nominal. Com essa diminuição da amplitude da tensão os componentes magnéticos precisam ser projetados para suportar sem saturação fluxos magnéticos apenas levemente mais altos do que normalmente. Dessa maneira, a tensão pode permanecer no valor classificado para menor variação de frequência e ser reduzida apenas em diminuições de frequência mais altas. A mudança de amplitude de tensão em relação à frequência não tem que ser linear. A referência de velocidade rotacional e a referência de amplitude de tensão são fornecidas separadamente para a combinação gerador-impulsionador principal. Embora as referências sejam independentes entre si, uma certa relação entre as referências pode ser fornecida. Além disso, quando a relação entre a frequência e a amplitude da tensão é definida, a referência de amplitude pode ser lida a partir de uma tabela ou similar quando uma referência de velocidade rotacional é dada.

[0065] De acordo com uma modalidade, o valor de referência para a amplitude da tensão de múltiplas fases é adaptado para ser mudado para diminuir a mudança da magnitude do fluxo magnético de modo que o aumento máximo da magnitude de fluxo magnético seja limitado a aproximadamente 5% de uma magnitude classificada de fluxo magnético.

[0066] O leve ajuste de tensão em relação à frequência é especialmente adequado para aplicações de modernização em que uma instalação existente é transformada em sistema de frequência variável sem mudar todos os componentes. Nessa conexão, o projeto magnético dos componentes magnéticos existentes é analisado e às características de frequência-tensão são definidas para compatibilidade com os componentes do sistema. Em conexão com novas instalações a leve diminuição da amplitude da tensão dá possibilidades ao projeto das propriedades magnéticas dos componentes do sistema. Quando a amplitude da tensão é diminuída, os núcleos magnéticos podem ser feitos de alguma forma menores. No entanto, quando a amplitude da tensão é reduzida, a potência disponível para os consumidores individuais é reduzida e a otimização da operação do sistema é reduzida de alguma forma.

[0067] No exposto acima, o sistema é descrito em conexão com uma embarcação ou um navio. O sistema também pode ser usado como uma microrrede separada em que a energia elétrica é produzida com o uso de geradores girados com impulsionadores principais.

[0068] Ficará óbvio para uma pessoa versada na técnica que, conforme a tecnologia avança, o conceito inventivo pode ser implantado de várias formas. A invenção e as suas modalidades não se limitam aos exemplos descritos acima, mas podem variar dentro do escopo das reivindicações.

Claims

1. Sistema de geração de potência elétrica de um navio que compreende um ou mais geradores (1, 2, 3, 4) para produzir energia elétrica, sendo que cada gerador (1, 2, 3, 4) sendodisposto para ser acionado com um impulsionador principal correspondente, em que os geradores são geradores de CA de múltiplas fases adaptados para gerar uma tensão de múltiplas fases e as saídas de fase dos geradores são conectáveis a um barramento de múltiplas fases comum (5) para distribuir a energia elétrica gerada pelos geradores de CA, a tensão de múltiplas fases tem uma frequência, em que o sistema compreende adicionalmente meios adaptados para fornecer uma referência de frequência ajustável para a tensão de múltiplas fases gerada e a frequência da tensão gerada é adaptada para seguir a referência de frequência ajustável, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de geração de potência elétrica compreende meios adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais ajustando-se a referência de frequência ajustável da tensão de múltiplas fases, em que os meios adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais compreendem um banco de dados legível que indica a propriedade otimizada como uma função da velocidade rotacional dos impulsionadores principais e nível de carregamento dos impulsionadores principais, e meios adaptados para ler o banco de dados com base em um nível de carregamento conhecido dos impulsionadores principais e adaptados para emitir uma velocidade rotacional que otimiza a propriedade relacionada aos impulsionadores principais.

2. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os meios adaptados para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais compreendem meios adaptados para receber valores da propriedade otimizada durante o uso dos impulsionadores principais, e meios adaptados para armazenar os valores recebidos da propriedade otimizada juntamente com o nível de carregamento e a velocidade rotacional respectivos em um banco de dados legível.

3. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelo fato de que os meios adaptados para otimizar a propriedade relacionada a impulsionadores principais são incorporados em um sistema de controle de nível superior, tal como um sistema de gerenciamento de potência.

4. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3 anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que os meios adaptados para otimizar a propriedade relacionada a impulsionadores principais compreendem adicionalmente um valor de limite inferior para a referência de frequência da tensão de múltiplas fases gerada, que é, preferencialmente, 60% da frequência nominal de um ou mais geradores.

5. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que o um ou mais geradores de CA (1,2, 3, 4) são geradores trifásicos.

6. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que um dispositivo conversor é conectado ao barramento de múltiplas fases comum para produzir uma tensão que tem uma frequência fixa.

7. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que os meios adaptados para otimizar a propriedade relacionada aos impulsionadores principais são operados após o nível de carga dos geradores ter ficado em um nível constante por um período de tempo definido.

8. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a propriedade relacionada aos impulsionadores principais é o consumo de combustível dos impulsionadores principais.

9. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a propriedade relacionada aos impulsionadores principais é o nível de emissão dos impulsionadores principais.

10. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 anteriores, CARACTERIZADO pelo fato de que a propriedade relacionada aos impulsionadores principais é o nível de ruído dos impulsionadores principais.

11. Sistema de geração de potência elétrica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a referência de frequência da tensão de múltiplas fases é ajustada a um valor fixo.

12. Método em um sistema de geração de potência elétrica que compreende um ou mais geradores (1, 2, 3, 4) para produzir energia elétrica, sendo que cada gerador (1, 2, 3, 4) é acionado com um impulsionador principal correspondente, em que o método compreende gerar tensão de múltiplas fases com geradores CA de múltiplas fases, fornecer uma referência de frequência ajustável para a tensão de múltiplas fases gerada, conectar as saídas de fase dos geradores a um barramento de múltiplas fases comum (5) para distribuir a energia elétrica gerada pelos geradores de CA, sendo que a tensão de múltiplas fases gerada tem uma frequência que segue a referência de frequência ajustável, CARACTERIZADO pelo fato de que o método compreende adicionalmente ajustar a referência de frequência ajustável da tensão de múltiplas fases para otimizar uma propriedade relacionada aos impulsionadores principais, fornecer um banco de dados legível que indica a propriedade otimizada em função da velocidade rotacional dos impulsionadores principais e do nível de carregamento dos impulsionadores principais, e ler o banco de dados com base em um nível de carregamento conhecido dos impulsionadores principais e emitir uma velocidade rotacional que otimiza a propriedade relacionada aos impulsionadores principais.