ES2930314T3 - Sistema de propulsión eléctrico redundante para un submarino - Google Patents

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Abstract

La invención se refiere a un sistema de propulsión para un submarino, que comprende medios de generación de energía, un motor de propulsión eléctrico, una pluralidad de redes de voltaje de CC que son alimentadas con energía por los medios de generación de energía y suministran energía eléctrica al motor de propulsión, y una pluralidad de hebras de batería. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de propulsión eléctrico redundante para un submarino
La invención relaciona a un sistema de propulsión para un submarino, con medios de generación de energía, un motor de propulsión eléctrico, una pluralidad de redes de tensión de corriente continua a las que se suministra energía mediante los medios de generación de energía y que suministran energía eléctrica el motor de propulsión, y una pluralidad de series de baterías.
La unidad de marcha de un submarino de propulsión convencional normalmente presenta una red de alimentación de tensión de corriente continua. Esta red de tensión de corriente continua es alimentada a través de dispositivos de almacenamiento de energía recargables que suelen estar integrados en la red como baterías. Un motor eléctrico para accionar el submarino es alimentado con la energía eléctrica de las baterías a través de la red de tensión de corriente continua, lo cual suele ser necesario en el caso de la navegación en inmersión. Además, integrado en la red de tensión de corriente continua está al menos un generador de carga, por ejemplo accionado por un motor diesel, para cargar las baterías y también para generar electricidad en el caso de la navegación en superficie. Por último, también puede estar previsto un sistema de propulsión independiente del aire del exterior para suministrar energía eléctrica al motor de propulsión y a la red de a bordo.
Por razones de redundancia, se sabe que la unidad de marcha está dividido en dos subunidades, en donde ambas subunidades suministran conjuntamente energía eléctrica al motor de propulsión. Esto sirve para garantizar la seguridad de funcionamiento, ya que el motor de propulsión debe seguir funcionando incluso si falla una de las dos unidades. En el documento DE 10 2006 051 831 A1 también se describe cómo combinar las baterías en baterías secundarias individuales. En comparación con las baterías de plomo, los sistemas modernos de baterías, tales como las baterías de iones de litio, tienen bajas resistencias internas que limitan las corrientes en caso de cortocircuito. Para poder controlar estas corrientes de cortocircuito, la instalación se divide en un gran número de baterías secundarias. Cada batería secundaria está conectada a un bobinado parcial del motor de propulsión a través de un inversor. El documento DE 102008018457 A1 también muestra una red de suministro de corriente continua para un submarino. Además, hay que mencionar el documento WO 2017/032761 A1 que muestra una red convencional para un submarino, que comprende dos redes parciales que se pueden conectar entre sí en paralelo. Estas dos redes parciales están dispuestas en paralelo entre sí en sentido eléctrico o pueden conectarse mediante el acoplamiento de red.
La división de la instalación de baterías en baterías secundarias individuales y la asignación de un inversor a cada una de las baterías secundarias crea la posibilidad de evitar tener que desconectar toda la instalación de baterías en caso de un fallo eléctrico en un inversor o un bobinado parcial del motor de propulsión.
Con la división eléctrica de la técnica anterior, es necesario tener disponible un cuadro de distribución principal, con el resultado de que no existe redundancia bajo influencia mecánica. También es necesario usar disyuntores abiertos con recintos de soplado, lo que da lugar a grandes volúmenes de construcción. Si se van a implementar altas prestaciones eléctricas en la instalación de marcha, esto da lugar a limitaciones en la disponibilidad de los disyuntores mecánicos. Además, debe asumirse una carga de cortocircuito alta.
Sobre la base de lo anterior, el objetivo de la invención presente es proporcionar un sistema de propulsión para un submarino que supere al menos algunas de las desventajas mencionadas anteriormente. El objetivo se consigue mediante un sistema de propulsión para un submarino de conformidad con la reivindicación 1.
De manera ventajosa, el sistema de propulsión según la invención tiene en cuenta la estructura de los modernos equipos de almacenamiento de energía basados en baterías así como las últimas tendencias de los desarrollos en el campo de la electrónica de potencia, proponiendo un cambio de las topologías de redes de propulsión centrales o de dos partes de la técnica anterior a una topología que consiste en varias redes parciales independientes dispuestas una al lado de otra. Esto permite un sistema modular en el que se pueden usar redes parciales idénticas de forma independiente, una junto a otra o en paralelo, independientemente del concepto general o del tamaño y del rendimiento del submarino. El término «independiente» se refiere a la posibilidad de que cada una de las redes parciales se pueda controlar activa e independientemente de cada una de las restantes redes parciales en cuanto a su nivel de rendimiento.
Cada serie de baterías y cada parte del motor de propulsión solo se puede conectar a la misma red parcial.
Mediante el gran número de redes parciales se logra una elevada disponibilidad, ya que las redes parciales no tienen que estar acopladas en caso de fallo. Esto reduce el esfuerzo de cableado. Todos los medios de generación de energía -también llamados fuentes- y los consumidores de energía -también llamados sumideros- están conectados a través de elementos electrónicos de ajuste de potencia, de tal modo que la corriente de cortocircuito potencial puede limitarse electrónicamente o el componente afectado o la red parcial afectada pueden desconectarse sin carga. El uso de elementos electrónicos de ajuste de potencia también elimina la necesidad de interruptores mecánicos complejos y acompañados de un gran volumen constructivo. Los elementos electrónicos de ajuste de potencia pueden ser diodos o elementos semiconductores, por ejemplo. De manera preferente, para la protección de serie se pueden proporcionar fusibles convencionales. Además, el cuadro de distribución principal, dispuesto en posición central en la técnica anterior, puede ser reemplazada por distribuidores de energía distribuidos, que pueden estar situados en diferentes salas.
Las reivindicaciones dependientes y la descripción contienen configuraciones y perfeccionamientos ventajosos de la invención con referencia a los dibujos.
Una configuración ventajosa de la invención prevé que cada uno de las redes de tensión de corriente continua comprende una primera barra colectora, que lleva un primer potencial, y una segunda barra colectora que lleva un segundo potencial. Esto ofrece la ventaja de una construcción modular y una fácil adaptación a las especificaciones del diseño.
Una configuración ventajosa de la invención prevé que cada uno de las redes de tensión de corriente continua puede ser conectado a una de las series de baterías por medio de una unidad de conexión de series, en particular configurada como un transformador de tensión bidireccional. En particular, la unidad de conexión de series puede incluir un convertidor de CC/CC. De una manera ventajosa, la unidad de conexión de series cumple una función doble, es decir, conectando la serie de la batería a la red de tensión de corriente continua o desconectándola de la red de tensión de corriente continua y ajustando la corriente de la serie del depósito de baterías conectado. Si es necesario, se puede realizar un ajuste a un intervalo de tensiones diferente de la tensión de la batería o se puede establecer una tensión constante de las redes de tensión de corriente continua. Esto permite simplificar considerablemente el diseño de los componentes electrónicos de potencia restantes.
Una configuración ventajosa de la invención prevé que las unidades de la conexión de series pueden ser controladas independientemente unas de otras. Esto da como resultado la ventaja de que se pueden establecer diferentes tensiones de serie y/o corrientes de serie en diferentes series de baterías. Esto puede reducir o incluso suprimir las corrientes residuales que fluyen entre las series individuales de la batería.
Una configuración ventajosa de la invención prevé que cada uno de las redes de tensión de corriente continua solo puede ser conectada a un bobinado parcial del motor de propulsión a través de un módulo inversor. En particular, está previsto que el número de redes de tensión de corriente continua debe ser igual al número de devanados parciales del motor de propulsión. Por lo tanto, la máxima potencia de accionamiento del motor de propulsión está disponible si se suministra energía eléctrica al motor de propulsión a través de todas las redes de tensión de corriente continua disponibles. Esta disposición da lugar a una situación favorable, en caso de fallo o cuando una de las fuentes de alimentación de CC o el módulo inversor están desconectados, en la que solo una parte del motor de propulsión falla o que sigue estando garantizado el funcionamiento de la fuente de alimentación de la parte restante del motor de propulsión.
Una configuración ventajosa de la invención prevé que los medios de generación de energía se puede conectar a cualquiera de las redes de tensión de corriente continua por medio de rectificadores pasivos o controlables de la carga. En particular, está previsto que los medios de generación de energía incluyan al menos un generador de carga de corriente alterna. En una primera variante, puede estar previsto que cada una de las redes de tensión de corriente continua se pueda conectar a una o más fases del al menos un generador de carga de corriente alterna a través de uno de los rectificadores de carga. En una segunda variante, puede estar previsto que cada una de las redes de tensión de corriente continua se pueda conectar a una red de carga de tensión de corriente alterna del al menos un generador de carga de corriente alterna a través de uno de los rectificadores. El al menos un generador de carga de corriente alterna está realizado como una máquina asíncrona o síncrona con excitación externa o permanente. Dado que los rectificadores asignados a las redes de tensión de corriente continua se alimentan mediante corriente alterna de los generadores de carga de corriente alterna, está previsto de manera preferente que los rectificadores se puedan conectar al menos a un generador de carga de corriente alterna mediante disyuntores de corriente alterna. Esto hace posible que sea ventajoso conmutar altas corrientes, incluso en caso de cortocircuito, porque debido al paso natural por cero de la tensión de corriente alterna, es mucho más fácil extinguir posibles arcos en el disyuntor de corriente alterna. Una configuración ventajosa de la invención prevé que los medios de generación de energía comprendan un suministro de energía independiente del aire del exterior, preferentemente por lo menos un módulo de pila de combustible. Esto permite suministrar energía al sistema de propulsión cuando el submarino está sumergido.
Una configuración ventajosa de la invención prevé que las series de baterías comprendan módulos de batería formados como baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio tienen una densidad de energía más alta que las baterías de plomo convencionales y no necesitan mantenimiento.
La invención se explica a continuación con más características, detalles y ventajas usando las figuras adjuntas. Las figuras meramente ilustran formas de realización a modo de ejemplo de la invención.
La figura muestra un sistema de propulsión 10 para un submarino. El sistema de propulsión 10 contiene varias redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n, que en su totalidad también se pueden denominar red de propulsión.
Según la invención, puede estar previsto que cada una de las redes de tensión de corriente continua 50i , 502,...50n tenga una estructura idéntica de tal modo que cada red de tensión de corriente continua 50i , 502,...50n pueda realizar independientemente las funciones que se describen más adelante. Cada fuente de alimentación de corriente continua consta de una primera barra colectora 52 y una segunda barra colectora 54, en donde la primera barra colectora 52 puede transportar un primer potencial y la segunda barra colectora 54 puede transportar un segundo potencial. Para garantizar un potencial inequívoco, las segundas barras colectoras se pueden conectar entre sí.
Además de la red de propulsión, el sistema de propulsión 10 comprende inicialmente, por ejemplo, un motor de propulsión 40 configurado como un accionamiento de hélice, que dispone de varios módulos de inversor 421, 422,...42n, en donde cada uno de los módulos de inversor 421, 422,...42n está conectado a una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502 ,...50n o puede alimentado con energía eléctrica desde una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n. La energía eléctrica necesaria para hacer funcionar el motor de propulsión 40 puede ser suministrada por varios medios de generación de energía 20, 30, 70. Los medios de generación de energía pueden comprender inicialmente uno o más generadores de carga de corriente alterna 20. Básicamente, el número de generadores de carga de corriente alterna 20 depende de los requisitos y puede variar y su integración es técnicamente sencilla y se puede llevar a cabo sin ningún otro componente tales como diodos de alimentación. Además, los medios de generación de energía pueden incluir un suministro de energía independiente del aire del exterior, que está, por ejemplo y de manera preferente, realizado como un módulo de pila de combustible 30. La conexión electrónica de potencia de la fuente de alimentación independiente del aire del exterior a las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n se lleva a cabo a través de convertidores de CC/CC 321, 322,...32n, mediante los cuales se puede alimentar energía eléctrica a cada una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502 ,...50n. Los módulos de pila de combustible pueden funcionar sin causar ruido, usándose preferentemente durante la navegación en inmersión o a velocidad lenta. Por último, los medios de generación de energía pueden presentar una conexión de carga 70, a través de la cual se pueden conectar las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n a una red de tensión externa durante una estancia en puerto. A través de varios transformadores de alimentación de a bordo 721, 722 ,...72n se pueden conectar consumidores eléctricos adicionales del submarino que no se describen en detalle. En particular, puede estar previsto un transformador de alimentación de a bordo 721, 722 ,...72n integrado para cada una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n. Los transformadores de alimentación de a bordo 721, 722 ,...72n integrados pueden ser variantes de CA o variante de CC dependiendo de las necesidades.
Además, el sistema de propulsión 10 comprende varias series de baterías 601, 602 ,...60n que actúan como unidades de almacenamiento de energía. Se pueden proporcionar al menos una o más series de baterías 601, 602 ,...60n para cada red de tensión de corriente continua 501, 502,...50n. Cada serie de baterías 601, 602,...60n puede constar de varios módulos de batería 64 conectados en serie. Cada módulo de batería 64 puede constar a su vez de varias celdas de batería, que se pueden realizar como celdas de batería de iones de litio, por ejemplo. Cada una de las series de baterías 601, 602,...60n está conectada a una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n mediante una unidad de conexión de series 621, 622 ,...62n, que se realiza preferentemente como un convertidor CC/CC bidireccional. Cambiando el número de series de baterías 601, 602,...60n por cada red de tensión de corriente continua 50, se puede adaptar el contenido energético de la red parcial.
A través de las unidades de conexión de series 621, 622,...62n se pueden conectar o desconectar en caso necesario cada una de las series de baterías 601, 602 ,...60n a las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n y se puede ajustar la corriente de la serie correspondiente de las series de baterías 601, 602,...60n. Mediante las unidades de conexión de serie 621, 622,...62n se puede ajustar la corriente al cargar la correspondiente serie de baterías 601, 602 ,...60n y se puede ajustar la corriente al descargar la correspondiente serie de baterías 601, 602 ,...60n. Las unidades de conexión de series 621, 622 ,...62n pueden controlarse independientemente unas de otras, de tal modo que se puedan establecer diferentes tensiones de serie y/o corrientes de serie en diferentes series de baterías 601, 602 ,...60n.
El generador de carga de corriente alterna 20 comprende devanados no designados de manera concreta, en donde uno o más devanados están conectados a cada una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n a través de rectificadores de carga 221, 222,...22n para la alimentación de energía eléctrica. En la conexión entre el bobinado del generador de carga de corriente alterna 20 y el correspondiente rectificador 221, 222,...22n pueden estar previstos disyuntores de corriente alterna 241, 242 ,...24n. Esto hace posible conmutar altas corrientes, incluso en caso de cortocircuito, porque debido al paso natural por cero de las tensiones de corriente alterna, es mucho más fácil extinguir posibles arcos en el interruptor.
En una configuración alternativa, en el que están previstos varios generadores de carga de corriente alterna 20, los generadores de carga de corriente alterna 20 pueden sincronizarse a una barra de carga común o a una red de carga, en donde la barra de carga alimenta los rectificadores de carga 221, 222 ,...22n en el lado de corriente alterna.
Con el sistema de propulsión 10 según la invención, es posible variar la situación de tensión de las redes de tensión de corriente continua 501, 502 ,...50n individuales dependiendo de los requisitos y del estado operativo del submarino. Por ejemplo, es posible controlar un modo de funcionamiento optimizado para la eficiencia, un modo de funcionamiento optimizado para el signo o diferentes tensiones en las redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n en caso de fallo o de fallos parciales.
En el caso de los sistemas de propulsión de submarinos según el estado de la técnica, la tensión de la red depende de la carga de las baterías y de su estado de carga. Todos los componentes conectados a la red deben estar diseñados para este nivel de tensión. Según la invención, usando las unidades de conexión de series 621, 622,...62n con convertidores CC/CC bidireccionales, se puede llevar a cabo una adaptación a un intervalo de tensión diferente o una tensión diferente en redes de tensión de corriente continua 501, 502 ,...50n individuales. El diseño de los componentes electrónicos de potencia se puede simplificar de manera importante, pudiéndose mencionar aquí el motor de propulsión 40, los rectificadores de carga 221, 222 , ...22 n , el convertidor CC/CC 32 de la fuente de alimentación independiente del aire del exterior y el convertidor de potencia de a bordo 72. Ya que está previsto según la invención que todas las fuentes de energía y todos los sumideros de energía están conectados a través de elementos electrónicos de ajuste de la potencia, la limitación de las corrientes prospectivas de cortocircuito tiene lugar electrónicamente o desconectando los componentes o la red de tensión de corriente continua 501, 502,...50n afectada. Para la protección de las series o en caso de fallo de la limitación electrónica de potencia de los elementos de ajuste, pueden estar previstos los fusibles 56. Además, los componentes que no estén en funcionamiento pueden desconectarse en caso necesario de la tensión de las redes de tensión de corriente continua 501, 502 ,...50n mediante los interruptores de desconexión 58 o las secciones separables de manera alterna de las barras colectoras 52, 54 en el estado sin carga.
En conjunto, mediante el sistema de propulsión 10 según la invención se puede llevar a cabo una adaptación de la potencia total de un submarino cambiando el número de redes de tensión de corriente continua idénticas y autónomas 501, 502,...50n. El número de redes de tensión de corriente continua también se puede adaptar al número de módulos inversores 421, 422,...42n del motor de propulsión 40. Por ejemplo, el motor de propulsión 40 puede incluir 12 módulos inversores 421, 422,...4212 y un número correspondiente de 12 redes de tensión de corriente continua 501, 502,...50n. Según la invención, está previsto que el diseño de cada una de las redes de tensión de corriente continua 501, 502 ,...50n individual sea independiente de la clase de potencia de un submarino y que el diseño de la potencia requerida de un submarino puede llevarse a cabo mediante el número proporcionado de redes de tensión corriente continua 50.
Lista de símbolos de referencia
10 Sistema de propulsión
20 Generador de carga de corriente alterna
22 Rectificador de carga
24 Disyuntor de corriente alterna
26 Red de carga de tensión de corriente alterna
30 Fuente de alimentación independiente del aire del exterior
32 Convertidor CC/CC
40 Motor de propulsión
42 Módulo inversor de corriente alterna
50 Red de tensión de corriente continua
52 Barra colectora
54 Barra colectora
56 Fusible
58 Interruptor de desconexión
60 Serie de baterías
62 Unidad de conexión de series
64 Módulo de baterías
70 Conexión de carga
72 Transformador de alimentación de a bordo

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Sistema de propulsión (10) para un submarino, que comprende:
medios de generación de energía (20, 30),
un motor de propulsión eléctrico (40),
más de dos redes de tensión de corriente continua (501, 502 ,...50n) dispuestas en paralelo, que son alimentadas con energía mediante los medios de generación de energía (20, 30) y con las que se suministra energía eléctrica al motor de propulsión (40),
una pluralidad de series de baterías (601, 602 ,...60n), caracterizado por que las redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n) están configuradas de forma independiente entre sí, de tal manera que cada una de las redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n) se puede conectar en caso necesario a al menos una de las series de baterías (601, 602 ,...60n), a al menos una parte de los medios de generación de energía (20, 30) y a al menos una parte del motor de propulsión (40) a través de los correspondientes elementos electrónicos de ajuste de potencia (32, 42, 62), de tal modo que cada una de las redes de tensión de corriente continua (501, 502 ,...50n) puede ser regulada en su nivel de potencia de forma activa e independiente de cualquiera de las demás redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n), de tal manera que la situación de tensión de las redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n) individuales se puede variar en función de los requisitos y la situación de funcionamiento del submarino, en donde cada serie de baterías y cada parte del motor de propulsión pueden conectarse exclusivamente a la misma red de tensión de corriente continua (501, 502,...50n).
2. Sistema de propulsión (10) de conformidad con la reivindicación 1,caracterizado porque cada una de las redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n) comprende una primera barra colectora (521, 522,...52n), que transporta un primer potencial, y una segunda barra colectora (541, 542 ,...54n) que transporta un segundo potencial.
3. Sistema de propulsión (10) de conformidad con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque cada una de las redes de tensión de corriente continua (501, 502 ,...50n) se pueda conectar a una de las series de baterías (601 , 602 ,...60n ) a través de una unidad de conexión de series (621 ,622 ,...62n), especialmente configurada como regulador de corriente continua.
4. Sistema de propulsión (10) de conformidad con la reivindicación 3,caracterizado porque las unidades de conexión de series (621, 622 ,...62n) se pueden controlar independientemente unas de otras.
5. Sistema de propulsión (10) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque cada una de las redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n) se puede conectar a través de uno o más módulos inversores (42) solo a uno o más bobinados parciales del motor de propulsión (40).
6. Sistema de propulsión (10) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los medios de generación de energía comprenden al menos un generador de carga de corriente alterna (20) y cada una de las redes de tensión de corriente continua (501, 502,...50n) se puede conectar, a través de un rectificador de carga pasivo o controlable (22), a una o más fases del al menos un generador de carga de corriente alterna (20).
7. Sistema de propulsión (10) de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los medios de generación de energía comprenden al menos un generador de carga de corriente alterna (20) y cada una de las redes de tensión de corriente continua puede conectarse, a través de un rectificador de carga pasivo o controlable (22), a una red de carga de corriente alterna (26) del al menos un generador de carga de corriente alterna (20).
8. Sistema de propulsión de acuerdo con las reivindicaciones 6 o 7, caracterizado porque el rectificador de carga se puede conectar a través de disyuntor de corriente alterna (24) a al menos un generador de carga de corriente alterna (20).
9. Sistema de propulsión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los medios de generación de energía comprenden un suministro de energía independiente de aire del exterior (30), preferentemente al menos una pila de combustible.
10. Sistema de propulsión de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque las series de baterías (601, 602,...60n) comprenden módulos de baterías (64) realizados como baterías de iones de litio.
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