ES2938337T3 - Dispositivo de suministro de energía - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para proporcionar energía eléctrica, que tiene las etapas de: - proporcionar energía mecánica por medio de un cigüeñal (14) de un motor diesel de dos tiempos (12), - convertir la energía mecánica en energía eléctrica por medio de una primera máquina eléctrica giratoria (16) que tiene un primer rotor (20) que está dispuesto de forma giratoria en un primer estator (18) y cuyo primer eje del rotor (22) está acoplado mecánicamente al cigüeñal (14), y/o convertir la energía mecánica en energía eléctrica por medio de una segunda máquina eléctrica giratoria (28) que tiene un segundo rotor (32) que está dispuesto de forma giratoria en un segundo estator (30) y cuyo eje del segundo rotor (34) está acoplado mecánicamente al cigüeñal (14), y - suministrar la energía eléctrica a una red eléctrica DC (26),en el que la segunda máquina eléctrica giratoria (28) se activa para convertir la energía al menos cuando la primera máquina eléctrica giratoria (16) está desactivada. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de suministro de energía

La invención se define por las características de las reivindicaciones independientes.

Los motores diésel de dos tiempos, así como también los dispositivos de suministro de energía para proporcionar energía eléctrica, son ampliamente conocidos en el estado de la técnica, por lo que no requiere una prueba impresa separada para esto. Los dispositivos de suministro de energía del tipo genérico sirven en particular para proporcionar energía eléctrica para el funcionamiento previsto de los consumidores eléctricos que se conecten al dispositivo de suministro de energía. Para este propósito, el dispositivo de suministro de energía puede conectarse a una red de suministro de energía a la que también pueden conectarse otros dispositivos de suministro de energía y consumidores eléctricos. Por lo tanto, la red de suministro de energía también se puede utilizar para distribuir energía eléctrica.

Para proporcionar la energía eléctrica es conocido que el dispositivo de suministro de energía comprenda un motor de combustión interna que esté acoplado mecánicamente a una máquina eléctrica giratoria. La máquina eléctrica giratoria sirve para convertir la energía mecánica proporcionada en un cigüeñal del motor de combustión interna en energía eléctrica de modo que el dispositivo de suministro de energía que comprende el motor de combustión interna y la máquina eléctrica giratoria sea capaz de proporcionar energía eléctrica de la manera deseada. La publicación DE 103 53967 A1 trata de un sistema de generación de energía, distribución y suministro de electricidad a bordo para buques marinos de superficie (armada) de bajas emisiones de diferentes clases y tamaños.

Una situación especial para los dispositivos genéricos de suministro de energía surge cuando un motor diésel de dos tiempos se va a utilizar como motor de combustión interna. El uso de motores diésel de dos tiempos está particularmente extendido en el campo de la propulsión naval. Los motores diésel de dos tiempos son motores de combustión interna con los cuales puede lograrse un alto grado de eficiencia con respecto a un uso de combustible. Además, son comparativamente de bajo mantenimiento y confiables en la operación prevista en comparación con otros motores de combustión interna.

Los motores diésel de dos tiempos suelen diseñarse como motores diésel grandes de dos tiempos y, a menudo, están diseñados para un rango de potencia, por ejemplo, entre aproximadamente 6 MW y aproximadamente 80 MW. En sistemas de propulsión naval, los motores diésel de dos tiempos sirven para impulsar hélices de sistemas de propulsión naval, preferiblemente para conducirlos directamente.

El motor diésel de dos tiempos es un motor diésel que funciona según el principio de dos tiempos. Se supone que se conoce la función del motor diésel de dos tiempos, razón por la cual en el presente caso se prescinde de explicaciones más detalladas sobre su función.

El uso de motores diésel de dos tiempos, especialmente en la propulsión naval, ha dado buenos resultados, sobre todo porque los motores diésel de dos tiempos pueden lograr una eficiencia particularmente alta. Los motores diésel de dos tiempos generalmente están diseñados como motores de funcionamiento lento. Por lo general, se utilizan como motores en línea. En la operación prevista, tales motores diésel de dos tiempos a menudo funcionan a una velocidad en un rango de aproximadamente 60 a aproximadamente 120 revoluciones por minuto, preferiblemente en un rango de aproximadamente 80 a aproximadamente 100 revoluciones por minuto. Las dimensiones típicas de los orificios de los cilindros de tales motores diésel de dos tiempos varían desde unos pocos decímetros hasta aproximadamente 1 m o más. Una carrera del cilindro puede estar, por ejemplo, en un rango de unos pocos decímetros hasta aproximadamente 3,5 m, preferiblemente en un rango de aproximadamente 50 cm a aproximadamente 1 m.

Una propulsión con motores de pistón de varios cilindros, en particular una propulsión naval con motores diésel de dos tiempos de varios cilindros, se divulga, por ejemplo, en la publicación DE 883214 C.

El uso de motores diésel de dos tiempos para la generación de energía eléctrica es actualmente muy limitado. Aunque los motores diésel grandes de dos tiempos tienen una eficiencia significativamente mejor que, por ejemplo, los motores diésel de cuatro tiempos, los motores diésel de dos tiempos hasta ahora apenas se han considerado para el uso de energía eléctrica debido a circunstancias físicas. Una razón importante es que, a diferencia de cuando se utiliza el motor diésel de dos tiempos para impulsar una hélice de una embarcación, la máquina eléctrica no es capaz de proporcionar un momento de inercia adecuado para la estabilización de la velocidad del motor y, por lo tanto, también como protección contra el exceso de velocidad. Además, resulta desfavorable que los motores diésel de dos tiempos generalmente funcionen en la operación prevista a velocidades que generalmente son inferiores a aproximadamente 100 revoluciones por minuto. Como resultado, la máquina eléctrica giratoria requiere un alto número de postes, por lo cual sería desfavorable una conversión estructural de la máquina eléctrica giratoria y, por lo tanto, del dispositivo de suministro de energía en su conjunto. Por último, pero no menos importante, las fluctuaciones de par de giro debido a la velocidad comparativamente baja y a las secuencias de encendido resultan ser desfavorables, lo que puede conducir a grandes fluctuaciones en la frecuencia de un generador y, a raíz de esto, tener efectos desfavorables en una curva de corriente correspondiente de una corriente eléctrica.

Cuando se utiliza un dispositivo de suministro de energía que comprende un motor diésel de dos tiempos en el ámbito de las embarcaciones, no se conoce una solución a los problemas antes mencionados. En los dispositivos terrestres convencionales de suministro de energía se utilizan grandes volantes de inercia masivos para reducir las fluctuaciones de velocidad del motor diésel de dos tiempos. Sin embargo, esta solución es muy compleja y es inadecuada para vehículos de cualquier tipo.

Resulta ser particularmente crítico cuando falla repentinamente la máquina eléctrica giratoria y/o su acoplamiento eléctrico con la red de suministro de energía, que es preferiblemente una red de voltaje con corriente continua. Debido a la gran cilindrada y a la baja velocidad, más precisamente puede surgir el problema de que se encienda un cilindro ya lleno de combustible y se libere su energía, pero la energía liberada no pueda ser absorbida por la máquina eléctrica giratoria. Con las grandes cantidades de energía convertida aquí, la consecuencia puede ser un daño considerable al menos del motor diésel de dos tiempos.

Además, se puede exceder una velocidad máxima permitida del cigüeñal en muy poco tiempo, de modo que el motor diésel de dos tiempos alcance el rango de exceso de velocidad. Esto puede resultar en daños duraderos al motor diésel de dos tiempos. En el caso de las grandes máquinas discutidas aquí, esto no solo es extremadamente peligroso, sino también extremadamente costoso.

La invención se basa en el objetivo de mejorar un dispositivo genérico de suministro de energía y un procedimiento para su funcionamiento, de modo que se pueda garantizar un funcionamiento permanente fiable.

Como solución, con la invención se propone un dispositivo de suministro de energía y un procedimiento según las reivindicaciones independientes.

Por medio de características de las reivindicaciones dependientes resultan desarrollos adicionales ventajosos.

Con respecto a un suministro de energía genérico se propone en particular que el dispositivo de suministro de energía comprenda una segunda máquina eléctrica giratoria para convertir la energía mecánica en energía eléctrica, en donde la segunda máquina eléctrica giratoria tiene un segundo rotor dispuesto de modo giratorio en un segundo soporte con un segundo eje de rotor, en donde el segundo eje del rotor está acoplado mecánicamente al cigüeñal y en donde la segunda máquina eléctrica giratoria tiene un segundo devanado eléctrico que se puede acoplar eléctricamente a la red de corriente continua para suministrar la energía eléctrica a la red de corriente continua.

Con respecto a un procedimiento genérico, se propone que la conversión de la energía mecánica en energía eléctrica se lleve a cabo de modo complementario o alternativo por medio de una segunda máquina eléctrica giratoria que tenga un segundo rotor dispuesto de modo giratorio en un segundo soporte, cuyo segundo eje del rotor esté acoplado mecánicamente al cigüeñal, en donde la energía eléctrica se proporciona por medio de un segundo devanado de la segunda máquina eléctrica giratoria y la energía eléctrica se suministra a la red eléctrica de corriente continua, y en donde la segunda máquina eléctrica giratoria se activa para convertir la energía al menos cuando se desactiva la primera máquina eléctrica giratoria.

La invención se basa, entre otras cosas, en la idea de que el uso del motor diésel de dos tiempos para la generación de energía eléctrica puede mejorarse si su seguridad puede realizarse mejor en la operación prevista. Para este propósito, la invención propone que el cigüeñal esté acoplado mecánicamente con dos máquinas eléctricas separadas de modo que se pueda crear una redundancia que permita que el motor diésel de dos tiempos esté suficientemente cargado incluso si fallan o se desactivan una de las dos máquinas eléctricas y/o sus acoplamientos eléctricos con la red de corriente continua. De esta manera se puede evitar el problema descrito al inicio con respecto al funcionamiento seguro del motor diésel de dos tiempos, porque al menos una de las máquinas eléctricas giratorias y su respectivo acoplamiento eléctrico siempre está activada, de modo que el motor diésel de dos tiempos puede cargarse permanentemente de manera suficiente para evitar las condiciones peligrosas descritas anteriormente.

Esto permite realizar el dispositivo de suministro de energía con un motor diésel de dos tiempos mejorado y utilizar las ventajas técnicas relacionadas con la energía del motor diésel de dos tiempos en comparación con los motores de cuatro tiempos para el suministro de energía eléctrica. En este caso, la invención permite que se pueda prescindir en gran medida del uso de volantes de inercia porque la carga correspondiente puede ser realizada por medio de al menos una de las dos máquinas eléctricas giratorias.

Por supuesto, también puede preverse que en el funcionamiento previsto se utilicen ambas máquinas eléctricas giratorias, en particular en común, preferiblemente de manera simultánea, para la generación de energía eléctrica. Sin embargo, mediante la redundancia según la invención se puede lograr que, en caso de falla o desactivación de una de las dos máquinas eléctricas giratorias o de uno de los acoplamientos eléctricos, una carga confiable del motor diésel de dos tiempos por medio de las otras dos máquinas eléctricas giratorias restantes y que se pueda garantizar su acoplamiento eléctrico. De este modo, se pueden evitar los escenarios problemáticos descritos al principio.

La red de corriente continua puede ser preferiblemente una red de suministro de energía, en particular una red de suministro de energía de corriente continua, que puede comprender, por ejemplo, un circuito intermedio de corriente continua. Por supuesto, la red de corriente continua también puede acoplarse con otras redes de suministro de energía, por ejemplo, redes de corriente alterna, como una red pública de suministro de energía o similares, y más precisamente de preferencia utilizando convertidores de energía adecuados. Sin embargo, a la red de corriente continua también pueden estar conectados uno o más consumidores eléctricos que requieren energía eléctrica para su funcionamiento previsto. Además, la red de corriente continua también puede comprender uno o más acumuladores de energía eléctrica, por ejemplo, a modo de acumuladores o similares.

La máquina eléctrica giratoria está preferiblemente acoplada eléctricamente de manera directa a la red de corriente continua. En este caso, la máquina eléctrica giratoria puede diseñarse, por ejemplo, como una máquina de corriente continua o similar. Por supuesto, la máquina de corriente continua puede comprender una unidad de control mediante la cual se puede ajustar y/o regular el corriente continua proporcionada. Sin embargo, la máquina eléctrica giratoria está formada de manera particularmente ventajosa por una máquina de corriente alterna. En este caso, la máquina eléctrica giratoria se acopla de manera indirecta a la red de corriente continua, por ejemplo, interconectando un convertidor de energía como un rectificador o similares.

Por supuesto, esto puede proporcionarse para ambas máquinas eléctricas giratorias. Las dos máquinas eléctricas giratorias están formadas de preferencia sustancialmente iguales. Básicamente, sin embargo, no necesitan estar formadas iguales. Dependiendo de la demanda o de la disponibilidad, se pueden proporcionar máquinas eléctricas diferentes entre sí para la primera y segunda máquinas eléctricas giratorias.

Cada una de las máquinas eléctricas giratorias tiene al menos un devanado respectivo, que puede estar dispuesto en el soporte o en el rotor. Sin embargo, el bobinado también puede estar dispuesto tanto en el soporte como también en el rotor. Esto depende del diseño respectivo de la máquina eléctrica giratoria respectiva. También se supone que se conoce la función de la máquina eléctrica giratoria, por lo que se omiten explicaciones detalladas.

Por supuesto, el acoplamiento eléctrico está concebido para la carga eléctrica correspondiente. Si, por ejemplo, el acoplamiento eléctrico se realiza por medio de un rectificador basado en diodos respectivo, los diodos también deben concebirse para la gran potencia que actúa a corto plazo.

Se propone además que tanto la primera como también la segunda máquina eléctrica giratoria estén diseñadas respectivamente para convertir en energía eléctrica la energía mecánica proporcionada al menos durante una carrera del pistón del motor diésel de dos tiempos independientemente de las otras máquinas eléctricas giratorias respectivas. De esta manera se logra que, si una de las dos máquinas eléctricas giratorias se desactiva o falla, el motor diésel de dos tiempos puede ser suficientemente cargado por la respectiva otra de las dos máquinas eléctricas giratorias para mantener un funcionamiento confiable y seguro. Las máquinas eléctricas giratorias pueden diseñarse de tal manera que sean capaces de convertir la energía mecánica proporcionada por el motor diésel de dos tiempos, al menos brevemente durante un corto período de tiempo. Se puede tener en cuenta que el motor diésel de dos tiempos generalmente proporciona una gran cilindrada, por lo que una gran cantidad de energía es liberada por una sola carrera del pistón. Si la primera máquina eléctrica giratoria se desactiva o falla durante una carrera del pistón, es ventajoso que la segunda máquina eléctrica giratoria esté diseñada de tal manera que sea capaz de convertir lo más inmediatamente posible la energía mecánica del motor diésel de dos tiempos proporcionada por la carrera del pistón. Preferiblemente, ambas máquinas eléctricas giratorias están diseñadas de manera correspondiente para que puedan convertir una potencia correspondiente, al menos por un corto tiempo. De esta manera puede crearse la redundancia necesaria.

En total, para el funcionamiento previsto del motor diésel de dos tiempos debe tenerse en cuenta que obviamente no se pueda cambiar una regulación del motor diésel de dos tiempos con respecto al contenido de combustible en una carrera del pistón durante la carrera del pistón. Por lo tanto, la energía liberada por la combustión del combustible predeterminado en una cámara de combustión del cilindro respectivo, que conduce a una energía mecánica correspondiente, debe convertirse preferiblemente por al menos una de las dos máquinas eléctricas giratorias. En este caso, la cámara de combustión del cilindro ya puede estar expuesta al combustible de manera diferente en la siguiente carrera del pistón, por ejemplo, para reaccionar a la desactivación o a la falla de una de las dos máquinas eléctricas giratorias.

Además, se propone que la primera y la segunda máquina eléctrica estén diseñadas como una máquina síncrona multifásica. Las máquinas síncronas multifásicas son especialmente adecuadas para el suministro de energía eléctrica. Estas son regulables de modo particularmente favorable. La máquina síncrona multifásica es preferiblemente una máquina síncrona trifásica, por lo que se pueden utilizar favorablemente, en particular, las máquinas eléctricas disponibles. Además, en configuraciones alternativas, una o dos de las máquinas eléctricas giratorias en caso de necesidad también pueden configurarse como una máquina asíncrona, en particular una máquina asíncrona de doble alimentación, o como una máquina de corriente continua.

El dispositivo de suministro de energía comprende al menos un convertidor de energía para el acoplamiento eléctrico del primer y/o segundo devanado eléctrico con la red de corriente continua. El convertidor de energía puede estar formado, en el caso de una máquina giratoria diseñada como una máquina de corriente alterna, por ejemplo, una máquina síncrona multifásica, como una unidad rectificadora, en particular como rectificador de puente, por ejemplo, utilizando diodos, tiristores, transistores y/o similares. Preferiblemente, se proporciona un convertidor de energía separado para cada una de las máquinas eléctricas giratorias. Si el convertidor de energía está diseñado como un rectificador, también puede comprender un transformador de voltaje mediante el cual se puede lograr una corriente continua pulsante proporcionada por la unidad rectificadora en una corriente continua prevista para la red de corriente continua. Sin embargo, el convertidor de energía también puede ser, por ejemplo, un convertidor, en particular un convertidor o similar. Dependiendo del tipo de máquina eléctrica giratoria, el convertidor de energía también puede ser un convertidor CC/CC o similar. Dependiendo del tipo y de la aplicación de la máquina eléctrica giratoria, también se pueden proporcionar combinaciones de la misma.

El dispositivo de suministro de energía comprende al menos una unidad de conmutación eléctrica para acoplar el primer y/o el segundo devanado eléctrico con la red de corriente continua. Por medio de la unidad de conmutación se puede lograr un acoplamiento eléctrico predeterminado del primer y/o segundo devanado con la red de corriente continua. La unidad de conmutación puede diseñarse para este propósito, por ejemplo, como una unidad de conmutación que acopla eléctricamente de modo respectivo el primer o el segundo devanado de la máquina eléctrica giratoria respectiva con la red de corriente continua. Además, por supuesto, puede preverse que para cada uno de los devanados de las máquinas eléctricas giratorias se proporcione una respectiva unidad de conmutación asignada individualmente, mediante la cual el acoplamiento eléctrico pueda producirse de una manera predeterminada. La unidad de conmutación puede estar formada, por ejemplo, como una unidad de conmutación electromecánica con elementos de conmutación electromecánicos adecuados para esto como, por ejemplo, contactos de conmutación o similares. Además, por supuesto, la unidad de conmutación también puede diseñarse como una unidad de conmutación electrónica y comprender elementos de conmutación electrónica para este fin.

A efectos de la presente divulgación, un elemento de conmutación electrónico controlable es preferiblemente, por ejemplo, un interruptor semiconductor electrónico controlable, que está diseñado preferiblemente para el bloqueo bidireccional, por ejemplo, incluyendo, por parte del elemento de conmutación, dos transistores conectados en antiserie por el elemento de conmutación, dos tiristores conectados en antiparalelo, circuitos combinados del mismo, en particular con diodos inversos conectados en paralelo, por ejemplo, utilizando tiristores desactivables por puerta (GTO), utilizando transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), combinaciones de los mismos, o similares. En principio, sin embargo, el elemento de conmutación también puede comprender transistores de efecto de campo, en particular transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) o similares.

Para proporcionar la funcionalidad de conversión de energía deseada del convertidor de energía, los elementos de conmutación se utilizan en modo de conmutación. Con respecto a un elemento de conmutación electrónica, como un interruptor semiconductor que utiliza un transistor, el modo de conmutación significa que el transistor proporciona una resistencia eléctrica muy pequeña en un estado de conmutación conectado entre los terminales del transistor que forman una distancia de conmutación, de modo que es posible un flujo de corriente alto a un voltaje residual muy bajo. En un estado de conmutación apagado, por otro lado, la distancia de conmutación del transistor es de alta impedancia, es decir, proporciona una alta resistencia eléctrica, de modo que incluso con un alto voltaje eléctrico aplicado a la distancia de conmutación, sustancialmente no hay flujo de corriente o solo un flujo de corriente muy bajo, en particular insignificante. Esto difiere de la operación lineal en los transistores, pero generalmente no se usa en convertidores del tipo genérico.

El elemento de conmutación comprende para la realización de la funcionalidad de conmutación al menos una conexión de control, a la que pueden aplicarse señales de conmutación proporcionadas por un dispositivo de control, de modo que se pueda realizar la función de conmutación deseada del elemento de conmutación. La señal de conmutación puede ser una señal de conmutación binaria que puede adoptar dos valores de estado para poder proporcionar la función de conmutación deseada del elemento de conmutación. Por ejemplo, la señal de conmutación puede comprender un tren de impulsos mediante el cual se aplica la conexión de control. Esto es especialmente conveniente para tiristores y GTO. Además, en el caso de transistores se puede prever que la señal de conmutación se forme como una señal de onda rectangular, en cuyo caso puede asignarse un estado de conmutación respectivo del elemento de conmutación a uno de los potenciales eléctricos de la señal de onda rectangular. Tal señal es útil, por ejemplo, para transistores, en particular para transistores bipolares, transistores de efecto de campo o similares. Una relación temporal de los dos potenciales eléctricos generalmente determina el ciclo de trabajo.

El dispositivo de suministro de energía comprende un dispositivo de control para controlar la primera y la segunda máquina eléctrica giratoria y el al menos un convertidor de energía y la al menos una unidad de conmutación eléctrica. Como resultado, el dispositivo de suministro de energía se puede controlar de manera adecuada. En particular, con el dispositivo de control se puede monitorear el funcionamiento previsto de la primera y segunda máquinas eléctricas giratorias. El dispositivo de control se diseña si una de las dos máquinas eléctricas giratorias se desactiva o falla preferiblemente para activar directamente la otra de las dos máquinas eléctricas giratorias, de modo que se pueda convertir al menos la energía mecánica liberada con una carrera del pistón. El funcionamiento previsto de las máquinas eléctricas giratorias puede detectarse, por ejemplo, mediante uno o más sensores adecuados, por ejemplo, detectando una magnitud eléctrica adecuada, por ejemplo, una corriente eléctrica, o incluso una magnitud mecánica, por ejemplo, un par de torsión o similares. Por supuesto, también se puede proporcionar una combinación de estos.

El dispositivo de control puede proporcionar además principalmente señales de control, como señales de conmutación, para los elementos de conmutación para el al menos un convertidor de energía y/o la unidad de conmutación. No solo para este propósito, el dispositivo de control puede comprender un circuito de hardware y/o una unidad de computación controlada por programa o similar. Por supuesto, el dispositivo de control puede diseñarse como un módulo separado preferiblemente electrónico. El dispositivo de control también puede estar incluido, al menos en parte, por un controlador de nivel superior, por ejemplo, para la red de corriente continua, por ejemplo, un controlador de un dispositivo de propulsión alimentado con energía eléctrica a través de la red de corriente continua, o similar.

Se propone además que el primer eje del rotor esté acoplado mecánicamente con un primer extremo del cigüeñal y el segundo eje del rotor con un segundo extremo del cigüeñal opuesto al primer extremo. Esta configuración tiene la ventaja de que el cigüeñal en el área de acoplamiento con los ejes del rotor debe diseñarse para una carga menor que si ambas máquinas eléctricas giratorias estuvieran acopladas con el mismo extremo del cigüeñal. Sin embargo, dependiendo del diseño del dispositivo de suministro de energía, también se puede prever que ambas máquinas eléctricas giratorias estén acopladas mecánicamente a uno solo de los extremos de los cigüeñales. El acoplamiento mecánico del cigüeñal con las máquinas eléctricas giratorias se puede efectuar preferiblemente de manera directa, por ejemplo, conectando mecánicamente los ejes del rotor al cigüeñal. Además, por supuesto, existe la posibilidad de realizar el acoplamiento mecánico por medio de una o más cajas de engranajes.

La segunda máquina eléctrica giratoria se activa para convertir la energía al menos cuando se desactiva la primera máquina eléctrica giratoria. En particular, la activación tiene lugar en un rango de tiempo muy pequeño, que es más pequeño que un período de tiempo requerido para una carrera del pistón. De esta manera se garantiza que la energía mecánica liberada durante una carrera del pistón pueda convertirse de manera confiable en energía eléctrica por parte de al menos una de las dos máquinas eléctricas giratorias. En general, puede preverse que las máquinas eléctricas giratorias estén diseñadas de tal manera que la energía mecánica máxima que puede proporcionarse por medio del motor diésel de dos tiempos solo deba asimilarse durante un período de tiempo predeterminado. Este período predeterminado puede incluir al menos el tiempo de una carrera del pistón o también un número predeterminado de carreras del pistón. No obstante, también podrá preverse que, dependiendo de las características de control o regulación del motor diésel de dos tiempos, el período comprenda varias carreras del pistón.

En particular, se propone que un período de tiempo entre la desactivación de la primera máquina eléctrica giratoria y la activación de la segunda máquina eléctrica giratoria es menor que un período de tiempo de una carrera del pistón del motor diésel de dos tiempos. De esta manera, puede efectuarse una transición de la conversión de energía de la primera máquina eléctrica giratoria a la segunda máquina eléctrica giratoria o viceversa durante un período de tiempo de carrera único. Esto tiene la ventaja de que el cigüeñal del motor diésel de dos tiempos también se puede cargar de manera adecuada durante el período de carrera.

Además, se propone que la activación y/o desactivación se lleven a cabo por medio de una unidad de conmutación eléctrica y/o mediante un control correspondiente del al menos un convertidor de energía. A tal fin, podrá preverse que al menos una unidad de conmutación se accione de manera adecuada, por ejemplo, mediante el dispositivo de control. De modo alternativo o adicional, el al menos un convertidor de energía se puede controlar de manera correspondiente para que se pueda realizar la activación y/o la desactivación. De esta manera puede realizarse la activación y/o la desactivación, por ejemplo, mediante una activación correspondiente o una desactivación correspondiente de la función de conversión de energía o similar. El al menos un convertidor de energía puede estar formado por medio de un rectificador controlable o similar, cuya función puede controlarse de manera adecuada, por ejemplo, mediante el dispositivo de control.

Otras ventajas y características resultan de la siguiente descripción de un ejemplo de realización por medio de la figura. En el ejemplo de realización, los signos de referencia idénticos denotan las mismas características y funciones.

La única figura muestra una representación esquemática de conexiones de bloques de un dispositivo de suministro de energía con un motor diésel de dos tiempos y dos máquinas síncronas.

La figura muestra en una representación esquemática de conexiones de bloques un dispositivo de suministro de energía eléctrica 10 para proporcionar energía eléctrica con un motor diésel de dos tiempos 12, mediante el cual se proporciona energía mecánica, en un cigüeñal 14 del motor diésel de dos tiempos l2, en la operación prevista, quemando un combustible adecuado. El motor diésel de dos tiempos 12 está diseñado en el presente documento como un motor de combustión interna para una potencia de unos 80 MW. En configuraciones alternativas, la potencia también puede ser diferente, por ejemplo, en un rango de aproximadamente 6 MW a aproximadamente 80 MW o desviándose de este. La función básica del motor diésel de dos tiempos 12 se supone conocida por los expertos en la técnica para las siguientes realizaciones.

Los motores diésel de dos tiempos ahora se usan comúnmente para impulsar embarcaciones, especialmente barcos, y sirven para impulsar de forma giratoria una hélice de la embarcación dispuesta en el agua. Los motores diésel de dos tiempos generalmente funcionan para este propósito en un rango de velocidad de aproximadamente 60 revoluciones por minuto a aproximadamente 120 revoluciones por minuto. De esta manera es posible conectar la hélice directamente al cigüeñal del motor diésel de dos tiempos con el propósito de propulsión. No es necesario proporcionar cajas de engranajes.

El motor diésel de dos tiempos 12 ha demostrado su efectividad como unidad de propulsión en embarcaciones. Sin embargo, resulta problemático utilizar el motor diésel de dos tiempos 12 para el aprovechamiento de energía eléctrica. Con este fin, es importante asegurar que el motor diésel de dos tiempos pueda protegerse del exceso de velocidad. En los sistemas de propulsión naval, esto generalmente se logra mediante la hélice.

Para utilizar el motor diésel de dos tiempos 12 para el uso del suministro de energía eléctrica, según la figura se prevé que el dispositivo de suministro de energía 10, además del motor diésel de dos tiempos 12, comprenda una primera máquina síncrona 16 para convertir la energía mecánica en energía eléctrica y una segunda máquina eléctrica giratoria 28 para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. La primera máquina eléctrica giratoria 16 comprende un rotor 20, dispuesto de modo que sea capaz de girar en un primer soporte 18 con un eje de rotor 22. El rotor 20 está permanentemente impulsado en el presente caso. En configuraciones alternativas, por supuesto, también se puede proporcionar un rotor impulsado externamente. En el presente caso, el primer eje del rotor 22 está acoplado mecánicamente de manera directa con un primer extremo del cigüeñal 14; es decir, no se proporciona ninguna caja de engranajes. Además, se proporciona un primer devanado eléctrico 24 en el lado del soporte, que en el presente caso está diseñado como trifásico.

La segunda máquina síncrona 28 comprende un segundo soporte 30 en el que un segundo rotor 32 con un segundo eje de rotor 34 está dispuesto de modo que pueda girar. El segundo eje del rotor 34 también está conectado directamente a un segundo extremo del cigüeñal 14. La segunda máquina síncrona 28 también está diseñada como una máquina síncrona impulsada de modo permanente y tiene un segundo devanado eléctrico 36 en el lado del soporte.

El primer y el segundo devanado eléctrico 24, 36 son, como se explica a continuación, acoplables eléctricamente con una red de corriente continua 26, a la que se puede suministrar energía eléctrica en el estado respectivamente acoplado. La red de corriente continua 26 está diseñada en el presente caso para una corriente continua operativa de aproximadamente 3 kV.

La red de corriente continua 26 tiene en la configuración actual dos ramas de red; más precisamente, una primera rama de red 52 y una segunda rama de red 54, que pueden acoplarse entre sí a través de una unidad de conmutación 48. La unidad de conmutación 48 puede diseñarse, por ejemplo, como un contactor. En cada una de las ramas de la red 52, 54 se conectan consumidores eléctricos 50 que requieren energía eléctrica para su operación prevista. Los consumidores eléctricos 50 no se especifican más en el presente asunto y pueden comprender incluso el almacenamiento de energía eléctrica o pueden estar formados por estos.

En la presente configuración se prevé que la primera y la segunda máquina síncrona 16, 28 están diseñadas para poder convertir en energía eléctrica la energía mecánica proporcionada al menos durante una carrera del pistón del motor diésel de dos tiempos 12 independientemente de manera respectiva de las otras máquinas síncronas 16, 28, tomadas por sí solas. Esto significa que, al menos por un corto tiempo, cada una de las dos máquinas síncronas 16, 28, tomada por sí sola, es capaz de convertir toda la energía mecánica proporcionada por la carrera del pistón en energía eléctrica. De esta manera se proporciona una redundancia con respecto a la conversión de energía, lo cual, en caso de una desactivación de una de las dos máquinas síncronas 16, 28 respectivamente con la otra de las máquinas síncronas 16, 28 restantes, permite convertir la energía mecánica total disponible de corto plazo en energía eléctrica. Como resultado, se puede lograr una carga correspondiente en el motor diésel de dos tiempos 12 con el resto de las dos máquinas síncronas 16, 28, de modo que el motor diésel de dos tiempos 12 pueda protegerse del exceso de velocidad.

Para que las máquinas síncronas 16, 28 también sean capaces de proporcionar una carga correspondiente para el motor diésel de dos tiempos 12, es necesario que el acoplamiento eléctrico de las dos máquinas síncronas 16, 28 con la red de corriente continua 26 esté diseñado, al menos brevemente, para una potencia correspondiente. Además, por supuesto, también es necesario que la red de corriente continua 26 pueda asimilar esta energía eléctrica, al menos por un corto tiempo. A continuación, esto se supone. Para este propósito, la red de corriente continua 26 puede comprender uno o más acumuladores como almacenamiento de energía eléctrica o similares. Por supuesto, de manera alternativa o adicional, los consumidores adecuados también pueden conectarse durante un corto período de tiempo para poder asimilar la energía eléctrica.

Cada uno de los devanados primero y segundo 24, 36 está acoplado eléctricamente a un rectificador respectivo 38, 40, que rectifica la corriente alterna trifásica proporcionada por el primer y segundo devanados eléctricos 24, 36 y proporciona una corriente eléctrica continua para la red de corriente continua 26. El primer y el segundo rectificador 38, 40 están diseñados en el presente caso como rectificadores de puente trifásicos que utilizan diodos. En configuraciones alternativas, por supuesto, se puede proporcionar una conversión de voltaje suplementaria para poder proporcionar una adaptación a la red de corriente continua 26, si es necesario.

En el lado de la corriente continua, el primer y el segundo rectificador 38, 40 están acoplados eléctricamente con las respectivas unidades de conmutación 42, 44 que, dependiendo de su respectivo estado de conmutación eléctrica, generan una conexión eléctrica a la primera rama de red 52 o a la segunda rama de red 54. Las unidades de conmutación 42, 44 pueden diseñarse, por ejemplo, como contactores. De esta manera se puede generar el acoplamiento eléctrico del primer o segundo devanado eléctrico 24, 36 con la red de corriente continua 26 y aquí, en particular, la primera rama de red 52 y la segunda rama de red 54.

En la presente configuración, se prevé además que el dispositivo de suministro de energía 10 comprenda un dispositivo de control 46 que está acoplado con las máquinas síncronas 16, 28, los rectificadores 38, 40 y las unidades de conmutación 42, 44, 48 y sea capaz de controlarlos de manera predeterminada. Además, por medio del acoplamiento de comunicación mediante unidades de sensor no mostradas, los estados de funcionamiento detectados pueden transmitirse al dispositivo de control 46, de modo que el dispositivo de control 46 pueda evaluar los estados de funcionamiento y pueda emitir las señales de control correspondientes.

En un estado de funcionamiento ejemplar, puede preverse que la unidad de conmutación 48 esté en el estado de conmutación apagado, de modo que las ramas de red 52, 54 estén separadas eléctricamente entre sí. Por el contrario, las unidades de conmutación 42, 44 están en el estado de conmutación conectada, de modo que se efectúa un acoplamiento eléctrico del primer devanado 24 a través del primer rectificador de puente 38 y la primera unidad de conmutación 42 con la primera rama de red 52. La primera rama de red 52 se abastece así de energía eléctrica por medio de la primera máquina síncrona 16.

De manera correspondiente, el segundo devanado 36 se acopla eléctricamente a través del segundo rectificador 40 y la segunda unidad de conmutación 44 con la segunda rama de red 54, de modo que la segunda máquina síncrona 28 suministra energía eléctrica a la segunda rama de red 54. El dispositivo de control 46 monitorea la función y controla las unidades o dispositivos correspondientes.

Si, debido a un mal funcionamiento técnico de la primera máquina síncrona 16, ahora esta falla con respecto al suministro de energía, esto se puede detectar por medio del dispositivo de control 46. Luego, el dispositivo de control 46 emite inmediatamente un comando de control a la unidad de conmutación 48, de modo que ésta cambia del estado de conmutación apagado al estado de conmutación conectado. De manera correspondiente, la primera unidad de conmutación 42 se controla de modo que esta cambia del estado de conmutación conectado al estado de conmutación apagado. Como resultado, la primera máquina síncrona 16 y el primer rectificador 38 se desacoplan de la generación de energía.

Dado que el motor diésel de dos tiempos 12 es capaz de reaccionar solo comparativamente lento debido a la baja velocidad y al alto contenido de energía durante una carrera del pistón, la energía presente ahora momentáneamente en el motor diésel de dos tiempos 12, que se convierte en energía mecánica, puede suministrarse totalmente ahora como complemento a través de la segunda máquina síncrona 28 y del segundo rectificador 40 a la red de corriente continua 26. Como resultado, la carga en el motor diésel de dos tiempos 12 se puede mantener para que el motor diésel de dos tiempos 12 no pueda entrar en un estado de funcionamiento no deseado, en particular en un estado de funcionamiento con exceso de velocidad. El motor diésel de dos tiempos 12 está así protegido.

En la presente configuración se prevé que el procedimiento de conmutación explicado de manera ejemplar, que se lleva a cabo por medio del dispositivo de control 46 en caso de un mal funcionamiento de la primera máquina síncrona 16, tenga lugar en unos pocos milisegundos, por ejemplo, en un período de aproximadamente 1 ms a aproximadamente 8 ms, preferiblemente en un rango de aproximadamente 1,5 ms a aproximadamente 5 ms.

Además, los rectificadores 38, 40 y también la primera y la segunda unidad de conmutación 42, 44 están diseñados para la potencia total que puede proporcionar el motor diésel de dos tiempos 12 en conexión con las máquinas síncronas 16, 28 como potencia eléctrica.

El ejemplo de realización sirve exclusivamente para explicar la invención y no pretende limitarla. En configuraciones alternativas podrá preverse, en caso necesario, que las dos máquinas síncronas 16, 28 con sus respectivos ejes de rotor 22, 34 estén conectadas a un extremo común del cigüeñal 14. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el cigüeñal debe diseñarse para una potencia correspondiente.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo de suministro de energía (10) para proporcionar energía eléctrica, con:

- un motor diésel de dos tiempos (12) para proporcionar energía mecánica, que tiene un cigüeñal (14) para proporcionar la energía mecánica, y

- una primera máquina eléctrica giratoria (16) para convertir la energía mecánica en energía eléctrica, en donde la primera máquina eléctrica giratoria (16) tiene un rotor (20) dispuesto en un primer soporte (18) de modo que pueda girar, con un primer eje de rotor (22), en donde el primer eje del rotor (22) está acoplado mecánicamente al cigüeñal (14) y en donde la primera máquina eléctrica giratoria (16) tiene un primer devanado eléctrico (24) que puede acoplarse eléctricamente con una primera rama de red (52) de una red de corriente continua (26) para suministrar energía eléctrica a la red de corriente continua (26),

- una segunda máquina eléctrica giratoria (28) para convertir la energía mecánica en energía eléctrica, en donde la segunda máquina eléctrica giratoria (28) tiene un segundo rotor (32) dispuesto de modo que pueda girar en un segundo soporte (30) con un segundo eje del rotor (34), en donde el segundo eje del rotor (34) está acoplado mecánicamente al cigüeñal (14) y en donde la segunda máquina eléctrica giratoria (28) tiene un segundo devanado eléctrico (36) que puede acoplarse eléctricamente con una segunda rama de red (54) de la red de corriente continua (26) para suministrar energía eléctrica a la red de corriente continua (26),

- un primer y un segundo convertidor de energía (38, 40) para acoplar eléctricamente el primer y el segundo devanado eléctrico (24, 36) con la red de corriente continua (26), caracterizado por - una primera y una segunda unidad de conmutación eléctrica (42, 44) para el acoplamiento eléctrico del primer y del segundo devanado eléctrico (24, 36) por medio del primer y del segundo convertidores de energía (38, 40) con la red de corriente continua (26),

- otra unidad de conmutación eléctrica (48) para el acoplamiento eléctrico de la primera rama de red (52) con la segunda rama de red (54), y

- un dispositivo de control (46) para controlar la primera y la segunda máquina eléctrica giratoria (16, 28) y el al menos primer y segundo convertidor de energía (38, 40) y la al menos una unidad de conmutación eléctrica adicional (48) y la primera y la segunda unidad de conmutación eléctrica (42, 44), que está configurada para activar la segunda máquina eléctrica giratoria (28) al menos para convertir la energía si se desactiva la primera máquina eléctrica giratoria (16), en donde se abre la primera unidad de conmutación eléctrica (42) y se cierra la otra unidad de conmutación eléctrica (48).

2. Dispositivo de suministro de energía según la reivindicación 1, caracterizado porque tanto la primera como la segunda máquina eléctrica giratoria (16, 28) están diseñadas para convertir en energía eléctrica la energía mecánica proporcionada al menos durante una carrera del pistón del motor diésel de dos tiempos (12) independientemente de la respectiva otra de las máquinas eléctricas giratorias (16, 28).

3. Dispositivo de suministro de energía según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera y/o la segunda máquina eléctrica giratoria (16, 28) están diseñadas como una máquina síncrona multifásica.

4. Dispositivo de suministro de energía según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer eje del rotor (22) está acoplado mecánicamente con un primer extremo del cigüeñal (14) y el segundo eje del rotor (34) está acoplado mecánicamente con un segundo extremo del cigüeñal (14) opuesto al primer extremo.

5. Procedimiento para suministrar energía eléctrica por medio de un dispositivo de suministro de energía (10), con los siguientes pasos:

- proporcionar energía mecánica por medio de un motor diésel de dos tiempos (12), en donde la energía mecánica se proporciona a un cigüeñal (14) del motor diésel de dos tiempos (12),

- convertir la energía mecánica en energía eléctrica por medio de una primera máquina eléctrica giratoria (16) que tiene un primer rotor (20) dispuesto de modo que pueda girar giratorio en un primer soporte (18), cuyo primer eje de rotor (22) está acoplado mecánicamente al cigüeñal (14), y/o convertir la energía mecánica en energía eléctrica por medio de una segunda máquina eléctrica giratoria (28) que tiene un segundo rotor (32) dispuesto de modo que pueda girar en un segundo soporte (30), cuyo segundo eje de rotor (34) está acoplado mecánicamente al cigüeñal (14), en donde la energía eléctrica se proporciona por medio de un primer devanado (24) de la primera máquina eléctrica giratoria (16) y/o por medio de un segundo devanado (36) de la segunda máquina eléctrica giratoria (28),

- suministrar energía eléctrica a una red eléctrica de corriente continua (26),

caracterizado porque se efectúa un acoplamiento eléctrico del primer devanado (24) mediante un primer convertidor de energía (38) y una primera unidad de conmutación (42) a una primera rama de red (52) de una red de corriente continua (26) y se efectúa un acoplamiento eléctrico del segundo devanado (36) mediante un segundo convertidor de energía (40) y una segunda unidad de conmutación (44) a una segunda rama de red (54) de la red de corriente continua (26) y está abierta una unidad de conmutación (48) dispuesta entre la primera rama de red (52) y la segunda rama de red (54),

en donde la segunda máquina eléctrica giratoria (28) se activa para convertir la energía al menos cuando se desactiva la primera máquina eléctrica giratoria (16), en cuyo caso se abre la primera unidad de conmutación (42) y se cierra la otra unidad de conmutación (48).

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque un período entre la desactivación de la primera máquina eléctrica giratoria (16) y la activación de la segunda máquina eléctrica giratoria (28) es menor que un período de tiempo de una carrera del pistón del motor diésel de dos tiempos (12).