ES2593471T3 - Sistemas de propulsión híbridos - Google Patents

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John Barrett
Boyd (Nee Reynolds), Elizabeth
Tim Stewart
Rick Mckenna
Jason Aspin
John Eldridge
Paul Jamer
John Stratton
Chris Wright
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Aspin Kemp & Ass Holding Corp
ASPIN KEMP & ASSOCIATES HOLDING CORP
Xeropoint Energy Inc
FOSS MARITIME Co
Foss Maritime Co Inc
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Aspin Kemp & Ass Holding Corp
ASPIN KEMP & ASSOCIATES HOLDING CORP
Xeropoint Energy Inc
FOSS MARITIME Co
Foss Maritime Co Inc
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Abstract

Un sistema híbrido de potencia y de propulsión que comprende: al menos dos fuentes que proporcionan una energía para propulsión que incluye al menos un primer motor propulsor principal (10, 10') y al menos una unidad motor-generador (14, 14'), un sistema de almacenamiento de energía (24, 24'), un sistema de distribución eléctrica, y un sistema de gestión de la energía que controla la operación de cada una de las al menos dos fuentes, en donde el al menos un motor propulsor principal (10, 10') y la al menos una unidad motor-generador están dispuestos para impulsar un eje motor común y unidos a un miembro de salida propulsora común (18, 18'), siendo el eje de salida común y el miembro de salida propulsora común (18, 18') impulsables ambos de forma independiente y simultánea por el al menos un motor propulsor principal (10, 10') y la al menos una unidad motor-generador (14, 14'), y el sistema de distribución eléctrica comprende una barra de distribución en CA (30, 30') unida a una barra de distribución en CC (20) que proporciona un flujo bidireccional entre las barras de distribución en CA y CC, y el sistema de gestión de la energía cambia dinámicamente la operación de cada una de al menos dos fuentes para satisfacer las demandas propulsoras.

Description

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DESCRIPCION
Sistemas de propulsion hforidos CAMPO DE LA INVENCION
La presente invencion se refiere a los sistemas de propulsion hforidos apropiados para uso en embarcaciones marinas que tienen unas necesidades de potencia variables durante la operacion, y a los sistemas y metodos de gestion del flujo de potencia en los sistemas de propulsion hforidos.
ANTECEDENTES
La conservacion de la potencia y los esfuerzos en el control de la contaminacion ambiental estan impulsando el desarrollo y la puesta en practica de sistemas de propulsion para embarcaciones marinas y para otros trabajos pesados unas aplicaciones de demanda variable que reducen el consumo de combustible y las emisiones perjudiciales. La propulsion diesel-electrica se ha usado en submarinos y barcos de superficie durante muchos anos. En general, un motor diesel esta acoplado a un generador electrico, el cual suministra potencia a un motor electrico que esta acoplado mecanicamente a una helice.
Tambien se han puesto en practica diversos tipos de sistemas de propulsion de ciclo combinado que utilizan dos o mas fuentes de potencia distintas para la propulsion, ya sea de forma conjunta o separada. Por ejemplo, una disposicion CODOg (Combined Diesel Or Gas) proporciona una propulsion mediante motores diesel o motores de turbina de gas, pero no ambas simultaneamente. Por el contrario, un CODAG (COmbined Diesel And Gas) permitina ambos tipos de propulsion al mismo tiempo, asf como independientemente. Las disposiciones de ciclo combinado han sido usadas en diversas combinaciones de propulsion diesel, diesel-electrica, turbina de gas y turbina de vapor. El buque polivalente Canterbury HMNZS de la Real Armada de Nueva Zelanda tiene un sistema de propulsion Diesel Electrico y Diesel (CODLAD).
La Patente de EEUU 7.207.852 describe un sistema de propulsion de buques en el que un eje de impulsion mecanica se extiende a traves del casco y esta impulsado por una fuerza motriz situada dentro del buque, o por medio de un motor electrico en un alojamiento exterior al buque, a traves del cual se extiende el eje de impulsion mecanico. Esta disposicion proporciona las ventajas de la operacion de ciclo combinado sin tener que alojar los motores electricos dentro del espacio interior limitado de un buque. Un tipo similar de unidad de propulsion electrica de barquilla ha sido combinado con un sistema de propulsion diesel convencional en Ueda, N. y Numaguchi, Hajime. El primer transbordador rapido ROPAX impulsado de forma hfbrida CRP-POD en el mundo, Traducido del Journal of the JIME Vol. 40, N° 2. 2005.
No obstante, estos trabajos para proporcionar sistemas de propulsion combinados para aplicaciones en embarcaciones marinas, los sistemas combinados han mostrado unos resultados decepcionantes, especialmente en cuanto a la eficiencia general del combustible y el rendimiento, reduccion de emisiones, versatilidad, y capacidad de responder rapida y eficientemente a un conjunto de situaciones de demanda de propulsion.
El documento WO 2007/075148 A1 describe un sistema hfbrido de potencia y de propulsion que comprende:
una fuente que proporciona energfa para propulsion que incluye al menos un primer motor propulsor principal y al menos una unidad motor-generador, un sistema de almacenamiento de energfa, un sistema de distribucion electrica, y un sistema de gestion de la energfa que controla la operacion de cada una de al menos dos fuentes, en donde el al menos un motor propulsor principal y la al menos una unidad motor- generador estan dispuestos para impulsar un eje de salida comun y unidos a un miembro de salida propulsora comun, el eje de salida comun y el miembro de salida propulsora comun son impulsables ambos de forma independiente y simultanea por el al menos un motor propulsor principal y la al menos una unidad motor-generador, y el sistema de gestion de la energfa cambia dinamicamente la operacion de cada una de las al menos dos fuentes para satisfacer las demandas de propulsion.
La Patente Alemana DE29604437 proporciona una impulsion hfbrida para una embarcacion.
La Patente Europea EP0217049 proporciona un sistema de propulsion marina.
La Solicitud de Patente Internacional PCT/EP2004/052944 proporciona una generacion y distribucion de potencia, y un sistema de suministro de potencia a bordo para buques de superficie (armada) de diferentes clases y tamanos.
COMPENDIO
En el presente sistema de propulsion hforido la energfa para la propulsion puede ser suministrada por unos motores principales (por ejemplo, motores diesel u otros tipos de motores de fuerza motriz primaria) en una configuracion mecanica directa, por motores-generadores (por ejemplo, generadores diesel en una configuracion diesel-electrica), por batenas de almacenamiento en una configuracion totalmente electrica, o por cualquier combinacion de estas fuentes de energfa. Las cargas de hotel de los buques y las demandas de energfa auxiliar, tales como los cabrestantes y otros equipos operativos, pueden tambien ser satisfechas por las fuentes de energfa hfbridas. Un
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sistema de gestion de la ene^a alterna cambia entre y/o entre unas opciones de energfa disponibles y altera la operacion y la produccion de las diversas fuentes de energfa en respuesta a las demandas de carga propulsora, las cargas de hotel y/o las demandas de energfa auxiliar, poniendo en marcha multiples modos operativos. La operacion del sistema de propulsion a lo largo de los multiples modos operativos permite la optimizacion de la respuesta del sistema de propulsion a los diversos estados y mejora individualmente la eficiencia del combustible y del funcionamiento del sistema general y de las diversas fuentes de energfa, reduciendo las emisiones y satisfaciendo un conjunto de demandas de energfa de una forma rapida y eficiente. En algunas realizaciones un Sistema de Gestion de la Energfa (EMS) aplica un conjunto variable de una forma sustancialmente continua del sistema de modos operativos y cambia dinamicamente la operacion de las diversas fuentes de energfa para satisfacer la propulsion y otras demandas de energfa.
El sistema hforido de propulsion de la presente invencion se describe con referencia a un sistema de propulsion marina de embarcaciones se incorpora un enfoque innovador a la configuracion de las plantas de propulsion marina. El sistema es especialmente apropiado para uso en embarcaciones que tienen necesidades de una alta capacidad de carga propulsora y unas demandas de potencia variables, en donde una potencia alta es generalmente demandada durante unos penodos de tiempo intermitentes. El sistema de propulsion hubrido se describe con referencia a unos motores principales (por ejemplo, motores diesel) que operan en concierto con unidades motor- generador en una lmea de impulsion doble, disposicion doble helice y que fue espedficamente disenado para uso con embarcaciones marinas tales como remolcadores. No obstante, el sistema de propulsion hubrido puede ser empleado en otras embarcaciones marinas y aplicaciones de demanda de potencia variable, y puede ser aplicado en un unico motor, una unica lmea de impulsion, y/o una disposicion de helice unica. Las demandas de energfa adicionales pueden ser satisfechas y tambien pueden ser incorporadas unas fuentes de energfa adicionales en los sistemas de la presente invencion.
El sistema de propulsion hubrido proporciona la capacidad de generar, almacenar y utilizar la energfa eficientemente, y proporciona una flexibilidad considerable con respecto a la configuracion. Los sistemas de gestion de propulsion y energfa hforidos aqu descritos minimizan la innecesaria operacion de multiples motores de impulsion principales, operan los motores de impulsion principales solamente dentro de sus intervalos de eficiencia altos, y permiten a motores unicos o mas pequenos dar potencia a muchas cargas, reduciendo tanto el consumo de combustible como las emisiones perjudiciales. El diseno facilita una configuracion flexible, incorporando tfpicamente una propulsion directa-diesel, diesel-electrica y totalmente electrica, que usa unas tecnicas de almacenamiento de energfa electrica y de conversion de potencia avanzadas. El sistema tiene capacidad para el uso de fuentes de energfa alternativas cuando se dispone de tales fuentes, tanto a bordo como de fuentes auxiliares, tales como fuentes con base en tierra. La flexibilidad del sistema permite que sea configurado para satisfacer un amplio intervalo de necesidades de ciclos de trabajo y de potencia.
La nueva disposicion de las fuentes de potencia de propulsion y de las tecnologfas de control puede ser operada por el Sistema de Gestion de la Energfa (EMS), que requiere poca o ninguna entrada de control del operador. De acuerdo con algunas realizaciones, el EMS es capaz de configurar la planta de potencia, que comprende multiples fuentes de potencia propulsora, para una alta eficiencia a lo largo de un amplio intervalo de demandas de energfa propulsora y de otro tipo empleando tecnicas “inteligentes” de comparticion de carga, de distribucion de energfa y de optimizacion del par motor. De este modo, el o los motores principales de propulsion de la embarcacion (por ejemplo, motores diesel) y otras fuentes de energfa se utilizan con una alta eficiencia a lo largo de un amplio intervalo de velocidades de salida del eje solicitadas. En general, el motor o motores principales, el o los motores- generadores, e o los generadores auxiliares y la o las batenas de almacenamiento proporcionan potencia para las demandas de propulsion y auxiliares, tales como la carga de “hotel” (iluminacion, aire acondicionado, bombas de agua domesticas, etc), equipos auxiliares que requieren potencia, tales como los cabrestantes, y similares.
Los motores propulsores principales (por ejemplo, motores diesel) estan acoplados mecanicamente a la lmea de impulsion por medio de un dispositivo de embrague, por ejemplo, y estan tambien unidos a uno o unos motores- generadores dispuestos en una lmea de impulsion comun. La salida de los motores propulsores principales puede impulsar el eje de salida propulsora (por ejemplo, las helices) o el o los motores-generadores, o ambos, dependiendo de las demandas de carga y del modo operativo seleccionado o aplicado. El o los motores- generadores estan generalmente disponibles para operar como unos generadores que suministran energfa a un sistema de distribucion electrica (por ejemplo, una barra de distribucion), o como unos motores que impulsan el eje motor, dependiendo de la demanda de propulsion de la embarcacion o de la carga y del modo operativo aplicado.
La distribucion de energfa electrica en todo el sistema se suministra a y desde una barra de distribucion comun, generalmente una barra de distribucion en CC, y el flujo de energfa entre la barra de distribucion en CC y los motores-generadores de propulsion es preferiblemente bidireccional. El flujo bidireccional permite que los motores- generadores suministren una energfa en exceso a la barra de distribucion cuando tengan una capacidad de generacion en exceso, mientras que tambien permiten que los motores-generadores extraigan energfa de la barra de distribucion para operacion como motores propulsores cuando se disponga de un exceso de energfa. La barra de distribucion principal tambien proporciona generalmente un flujo de energfa bidireccional a uno o mas sistemas de almacenamiento de energfa (por ejemplo, los bancos de batenas), permitiendo la carga del sistema de almacenamiento de energfa cuando se dispone de un exceso de energfa y extrayendo energfa del sistema de
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almacenamiento de ene^a cuando sea necesario. La ene^a obtenida de otros sistemas de a bordo o auxiliares, tales como generadores auxiliares, potencia de tierra, turbinas de viento o de agua, celulas de potencia solar y/o fotovoltaicas, y similares, puede tambien ser suministrada a la barra de distribucion de energfa principal. Las demandas de energfa auxiliares, tales como las cargas de hotel, cabrestantes y de otros equipos operativos, y similares, pueden tambien ser satisfechas a partir de la barra de distribucion de energfa principal. Durante penodos de baja demanda o carga, las demandas de propulsion pueden ser satisfechas por cualquier combinacion de batena y/o generador de potencia auxiliar y suministradas por medio de la barra de distribucion principal de energfa en CC y el o los respectivos transformadores. Cuando las demandas de propulsion requieran menos del 100% de la potencia generada, el exceso de potencia puede ser usado para cargar el sistema de almacenamiento de energfa y/o satisfacer otras demandas de energfa.
El sistema hforido generalmente comprende al menos dos fuentes que proporcionan energfa para propulsion, que incluyen al menos uno y preferiblemente dos motores propulsores principales (por ejemplo, motores diesel), y al menos uno y preferiblemente dos motores/generadores electricos dispuestos en lmea con los motores propulsores principales. Las unidades motor/generador estan preferiblemente unidas a al menos un miembro de salida propulsora, tal como una o unas helices y/o una o unas impulsiones Z por medio de embragues, o unos dispositivos funcionalmente similares, que permiten el aislamiento del o de los motores principales y la operacion de la lmea de impulsion de propulsion y del miembro de salida propulsora cuando el motor principal no esta operando. El uso de embragues permite tambien la operacion del motor/generador electrico asociado como un generador independiente de la lmea de impulsion de propulsion. El o los motores propulsores principales pueden ser usados para impulsar el o los motores/ generadores dispuestos en una lmea de impulsion comun con o sin la impulsion Z acoplada.
La capacidad de almacenamiento de energfa del sistema puede ser dimensionada y configurada segun sea necesario para proporcionar energfa para satisfacer las demandas de propulsion de la embarcacion y las auxiliares durante penodos de demanda minima y para ayudar al sistema a satisfacer unas necesidades de energfa provisionales de corta duracion que superen la capacidad del motor principal en lmea. Esto proporciona una flexibilidad al sistema y mejora la capacidad de respuesta debido a que permite que el sistema reduzca el tiempo requerido para obtener una capacidad de generacion en lmea cuando las necesidades de potencia aumentadas tengan una duracion mayor. En una realizacion se dispone un almacenamiento qrnmico en forma de bancos de batenas de acido de plomo. Tipos alternativos de batenas y de dispositivos de almacenamiento de energfa pueden de forma adicional o alternativa ser incorporados al sistema. Cuando se dispone de una energfa de reserva rotativa, el Sistema de Gestion de la energfa (EMS) usa la energfa disponible de la forma mas eficiente posible para reponer las reservas de almacenamiento de energfa a la vez que satisface las necesidades de potencia para la propulsion y cualesquiera cargas auxiliares.
El sistema de propulsion hforido a menudo usa un sistema electrico de barra de distribucion doble con unos transformadores que proporcionan un flujo de energfa bidireccional entre las barras de distribucion en CA y CC. Una o mas barras de distribucion en CA generalmente proporcionan potencia para las cargas de hotel y otras demandas de potencia auxiliar de poca importancia, en tanto que la barra de distribucion en CC es generalmente la fuente de distribucion de potencia para todas las demandas propulsoras importantes, y para otras demandas de potencia altas tales como los cabrestantes y otros equipos de alta potencia. La o las barras de distribucion en CA pueden extraer energfa de la barra de distribucion en CC, y uno o mas generadores auxiliares pueden adicionalmente ser provistos para dar potencia a la barra de distribucion en CA directamente. El exceso de potencia en la barra de distribucion en CA puede ser suministrado a la barra de distribucion en CC para proporcionar una potencia de propulsion y satisfacer otras demandas del sistema. El o los generadores auxiliares pueden de este modo suministrar energfa indirectamente para las necesidades propulsoras, cuando la energfa en exceso es suministrada de la o las barras de distribucion en CA a la o las barras de distribucion en CC, y de la barra de distribucion en CC al o a los motores- generadores para satisfacer las demandas propulsoras. En una realizacion las Impulsiones de Frecuencia Variable (VFDs) estan conectadas entre la barra de distribucion en CC y el o los motores-generadores y se usan para proporcionar potencia para satisfacer las necesidades especificadas de velocidad del motor-generador y/o del par motor.
El sistema de propulsion hfbrido produce unas eficiencias sustanciales en la operacion del motor, en el consumo de combustible y en las necesidades de mantenimiento, y reduce las emisiones perjudiciales, operando el o los motores principales dentro de una alta eficiencia, de unos intervalos de emisiones bajos y suministrando una energfa propulsora procedente de otras fuentes segun sea necesario para satisfacer la demanda propulsora y soportar la operacion del motor con una alta eficiencia. Los motores de una alta capacidad de carga y las fuerzas motrices primarias operan tfpicamente mas eficientemente dentro de generalmente unos intervalos de salida altos, sin embargo son tambien operados dentro unos intervalos de salida de alta ineficiencia durante unos penodos de operacion de baja demanda. El Consumo de Combustible Espedfico (SFC) para motores diesel, por ejemplo, generalmente disminuye con la carga. Para un motor diesel Caterpillar 3512, por ejemplo, el SFC al 100% de carga es de aproximadamente 0,064 USgal/hp.hora (0,228 l/CV.hora), en tanto que a un 25% de carga, el SFC es 0,081 USgal/hp.hora (0,187 l/CV.hora). El SFC a cargas bajas, tal como las cargas experimentadas durante las esperas y el transito bajo, es incluso mayor, reduciendo espectacularmente las eficiencias operativas y aumentando las emisiones perjudiciales. El SFC alto de los motores de alta capacidad de carga que operan en niveles de baja
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potencia desperdicia energfa mediante la produccion de calor, y produce un nivel mayor de emisiones de escape perjudiciales debidas a una combustion ineficiente.
El sistema de propulsion hforido de la presente invencion es operado por el EMS mediante un operador o una seleccion automatizada del sistema de los diversos modos operativos para satisfacer las demandas de propulsion variables y de energfa auxiliar de una manera eficiente. El o los motores principales son tipicamente operados solamente dentro de unos intervalos operativos en los que muestran eficiencia y un SFC bajo. Esto reduce principalmente el consumo de combustible en el extremo inferior de la curva de potencia, y de este modo produce un efecto desproporcionadamente grande sobre la reduccion total de las emisiones. El sistema de propulsion hforido aqu descrito reduce el consumo de combustible innecesario en la zona en la que el o los motores producen las maximas emisiones por unidad de energfa entregada.
Cuando el o los motores principales son operados dentro de unos intervalos operativos en los que muestran una alta eficiencia y un bajo SFC, los cuales son tfpicamente unos intervalos operativos de salida altos, pueden satisfacer la demanda de propulsion que requieren la entrada de otras fuentes de energfa. Cuando la salida del o de los motores principales supera la demanda de propulsion, la energfa en exceso se distribuye, a traves del motor-generador asociado, al sistema de distribucion de energfa y se usa para satisfacer las demandas de energfa auxiliar y/o se almacena en el sistema. Durante penodos de alta demanda de propulsion las demandas de carga del sistema pueden ser satisfechas por multiples fuentes, que incluyen el o los motores principales, el almacenamiento de energfa, y la capacidad de generacion auxiliar. Durante penodos de baja demanda de propulsion el o los motores principales no son operados y la energfa para satisfacer las demandas de propulsion es suministrada desde el almacenamiento de energfa y/o la capacidad de generacion auxiliar. La operacion del sistema de propulsion de la presente invencion en un modo hforido puede asf proporcionar unas eficiencias sustanciales, y unas emisiones reducidas, operando los motores propulsores principales dentro de una mayor eficiencia, y unos intervalos de emision mas bajos independientemente del tipo de motor propulsor principal.
El sistema de propulsion hforido de la presente invencion puede adicionalmente proporcionar unas caractensticas de control operativo, y unas caractensticas de control de las emisiones (ademas de los equipos de control de emisiones dispuesto con los motores principales) para asegurar que los motores principales sean operados dentro de unos parametros operativos deseados. El control operativo puede ser realizado de varias formas diferentes. En situaciones de alta demanda, por ejemplo, cuando el o los motores principales estan funcionando y el o los motores/generadores estan adicionalmente proporcionando un par motor positivo a la lmea de impulsion, el EMS puede ser configurado para controlar, o limitar, la cantidad de par motor aportado por el o los motores principales, limitando de una forma efectiva la operacion del motor en o por debajo de un par motor de salida especificado sin limitar la potencia disponible a la helice. De este modo, el o los motores principales pueden ser operados con una eficiencia optima en toda su curva de potencia, minimizando la produccion de las emisiones del motor.
De acuerdo con una realizacion, la operacion del motor esta limitada a la operacion dentro de unos intervalos del par motor de salida en o por debajo de los lfmites recomendados, con el o los motores/generadores proporcionando una potencia para satisfacer las demandas de propulsion en exceso de las satisfechas por el o los motores principales que operan dentro del o de los intervalos de par motor recomendados. Para la operacion en los EEUU, por ejemplo, la operacion del motor puede ser controlada para permanecer por debajo de un lfmite recomendado para no ser excedido (NTE) de una agencia reguladora local, estatal, o federal en todas las demandas de salida, con una potencia en exceso proporcionada por otros componentes del sistema de propulsion hforido. Los diferentes lfmites NTE pueden estar programados en el sistema, o pueden ser seleccionados por un operador dependiendo de los reglamentos locales, las condiciones operativas, y similares.
La combustion del combustible y la operacion del motor ineficientes no solamente producen unos altos niveles de emisiones perjudiciales sino que tambien causan el deterioro prematuro de los componentes del motor y aumenta la frecuencia y el coste del mantenimiento. El sistema hforido de la presente invencion puede ser operado para proporcionar un funcionamiento y una durabilidad mejoradas, y para reducir los costes de mantenimiento, proporcionar una programacion mas conveniente del mantenimiento, y similar. En los sistemas operativos de la presente invencion el o los motores propulsores principales pueden ser operados limitando o controlando diversos parametros ademas del par motor, tales como las rpm de salida, el tiempo de operacion, y similar, para mejorar la eficiencia y el funcionamiento. Un buen estado general y unas ventajas de mantenimiento de los equipos se consiguen con revisiones del motor, cambios de aceite, sustituciones de los filtros de aire y aceite menos frecuentes, y una mayor capacidad para predecir, gestionar y programar los trabajos de mantenimiento. Otros componentes de los sistemas de propulsion hforidos y de gestion de la energfa, tales como los generadores auxiliares, los sistemas de almacenamiento de energfa, y similares, los sistemas de generacion de energfa auxiliares, y similares, pueden tambien ser monitorizados y controlados para mejorar la eficiencia y la durabilidad total del sistema, y para aplicar modos operativos especializados adaptados para satisfacer unas condiciones operativas y unas configuraciones del componente espedficas.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
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La Figura 1 ilustra un diagrama esquematico de un sistema hforido de propulsion y de distribucion de ene^a como ejemplo de la presente invencion apropiado para uso con embarcaciones marinas que tienen demandas de potencia variables.
La Figura 2A muestra un diagrama esquematico que ilustra un modo de emisiones mmimas como ejemplo de operacion del sistema apropiado para operar embarcaciones marinas que tienen sistemas de propulsion de alta capacidad durante penodos de inactividad de la embarcacion, asf como de transito lento y/o sin carga, en donde la carga de propulsion continua maxima no supera aproximadamente del 5% al 10% de la carga de propulsion maxima potencial durante un penodo prolongado.
La Figura 2B muestra un diagrama esquematico que ilustra como ejemplo la operacion de un sistema de propulsion y de gestion de la energfa en una demanda de potencia baja, un modo de emisiones mmimas y un estado de transito lento.
La Figura 3A muestra un diagrama esquematico que ilustra como ejemplo un modo de crucero ecologico de operacion del sistema que proporciona la capacidad de transito lento o medio continuo y un bajo trabajo de ayuda de potencia en donde la carga continua maxima no supera desde aproximadamente el 15% al 35% de la carga de propulsion maxima potencial durante un penodo prolongado.
La Figura 3B muestra un diagrama esquematico que ilustra como ejemplo la operacion de un sistema de gestion de propulsion y energfa en un modo de demanda de potencia generalmente de bajo a medio.
La Figura 4A muestra un diagrama esquematico que ilustra un modo de intervalo medio de un sistema de operacion que tiene una capacidad de carga de propulsion mas amplia y mayor desde aproximadamente el 30% al 70% del potencial de carga de propulsion maxima.
La Figura 4B muestra un diagrama esquematico que ilustra como ejemplo la operacion de un sistema de gestion de propulsion y energfa en un intervalo generalmente de un nivel medio de demanda de potencia.
La Figura 5a muestra un diagrama esquematico que ilustra un modo de operacion de potencia maxima que proporciona una operacion de propulsion de alta capacidad para unas necesidades de transito rapido continuas y de ayuda potencia maxima que tiene una capacidad de carga desde aproximadamente el 60% a aproximadamente el 100% o mas del potencial de carga de propulsion maxima.
La Figura 5B muestra un diagrama esquematico que ilustra como ejemplo la operacion de un sistema de gestion de propulsion y energfa generalmente en un modo de operacion de demanda de carga alto de un nivel alto de demanda de potencia que proporciona una propulsion con una capacidad de carga alta.
La Figura 5C muestra un diagrama esquematico que ilustra como ejemplo la operacion de un sistema de propulsion y de gestion de la energfa en un modo de operacion generalmente transitorio de demanda de carga alta que satisface la demanda de carga de propulsion en exceso de la potencia nominal del sistema.
DESCRIPCION DETALLADA
En la Figura 1 se ilustra esquematicamente como ejemplo un sistema de propulsion hforido. El sistema de propulsion hforido de la presente invencion comprende al menos dos fuentes que proporcionan energfa para la propulsion e incorpora al menos uno, y preferiblemente dos, motores propulsores principales, tales como los motores diesel 10 y 10' (por ejemplo, los motores diesel principales de babor y estribor) y al menos uno, y preferiblemente dos, unidades motor-generador 14, 14'. En una realizacion del sistema hfbrido de la presente invencion adaptado espedficamente para uso en embarcaciones marinas tales como remolcadores que tienen unas necesidades operativas y de funcionamiento altamente variables, la configuracion de la lmea de impulsion del sistema hforido comprende dos motores propulsores principales 10, 10', cada uno acoplado a un miembro de salida propulsora tal como una helice 18, 18' directamente o por medio de un sistema de impulsion mecanico o transmision, tal como unos empujadores azimutales 12, 12', por medio de una lmea de impulsion propulsora, cada una de las lmeas de impulsion propulsoras dispuesta en unos ejes independientes y operativamente paralelos. Aunque los propulsores azimutales estan ejemplificados en esta descripcion, sera evidente que se pueden usar otros tipos de cajas de cambio y de sistemas de transmision en los sistemas de propulsion de la presente invencion.
Los motores de propulsion principales 10, 10' estan preferiblemente calculados para proporcionar una salida propulsora sustancialmente o ligeramente por encima del potencial de carga propulsora maxima del sistema, aunque los sistemas de propulsion Imbridos pueden alcanzar una salida propulsora en exceso de la salida nominal de los motores propulsores principales durante penodos de una duracion limitada usando unas fuentes de energfa propulsora alternativas gestionadas por el sistema. Diferentes tipos de motores, que proporcionan niveles diferentes de salida propulsora, pueden ser usados en diferentes aplicaciones de embarcaciones marinas. El uso de motores diesel principales Cummins que tienen una potencia nominal de al menos aproximadamente 2.000 hp (2.027,6 CV) y de las impulsiones Z de Rolls Royce es un ejemplo para el uso en aplicaciones de embarcaciones marinas de remolcadores que proporcionan unas capacidades de carga propulsora altas.
Los motores-generadores 14, 14' electricos (por ejemplo, las unidades MG de babor y estribor mostradas en la Figura 1) estan dispuestas en las lmeas de eje entre cada motor propulsor principal y su helice 18, 18'. Cada unidad motor-generador esta dispuesta “en lmea” con un motor propulsor principal y el eje motor y es capaz de proporcionar una potencia propulsora al respectivo eje motor (y helice) cuando esta operando en un modo motor y cuando esta aplicado un mecanismo de embrague 16, 16'. Cada unidad motor-generador tambien es capaz de operar en un modo de generador y proporcionar una potencia electrica a un sistema de gestion de la potencia electrica de una embarcacion. Los motores-generadores son preferiblemente capaces de operar mas alla de la potencia nominal en intervalos de tiempo cortos. Las unidades motor-generador pueden ser dispuestas como motores de CA, tales como
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los motores de induccion en jaula de ardilla de CA. El uso de los motores de induccion en jaula de ardilla de CA de doble eje que tienen una potencia nominal de 895 Kw es un ejemplo para uso en aplicaciones de embarcaciones marinas de remolcadores que proporcionan unas capacidades de carga propulsora altas. Tambien se conocen otros tipos de unidades motor-generador y pueden ser usadas en sistemas de la presente invencion.
Los sistemas de propulsion de la presente invencion operan con cada motor, motor-generador, eje de impulsion y combinacion de helice dispuesta “en lmea”, de modo que cada uno de los ejes de impulsion, y de este modo cada una de las helices, puedan ser impulsados de forma directa solamente por un motor principal, o solamente por una unidad motor-generador, o por ambas fuentes simultaneamente. Cada eje puede estar provisto de un embrague 15, 15' que permite que el motor principal haga girar el eje principal o que sea desconectado del sistema de impulsion, que de este modo permite que el o los motores-generadores actuen como la o las fuerzas motrices primarias cuando el o los motores principales estan apagados o desviados. Cada eje principal tiene tambien los embragues 16, 16' que permiten que cada motor-generador sea operado como un motor que impulsa el eje motor cuando los embragues 16, 16' estan aplicados, o como un generador que suministra energfa al sistema de distribucion de energfa sin impulsar el eje motor cuando los embragues 16, 16' no estan aplicados.
El sistema de propulsion tubrido comprende adicionalmente un sistema de distribucion de energfa y generalmente incorpora una disposicion de barra de distribucion doble. Una barra de distribucion en CC esta generalmente dispuesta como el sistema de fuente de energfa y de distribucion de potencia para todas las cargas importantes en la embarcacion, que incluyen la propulsion y otras cargas importantes, y preferiblemente facilita la capacidad de almacenamiento de energfa de la embarcacion. En la realizacion ilustrada en la Figura 1 la barra de distribucion en CC 20 esta conectada a cada una de las unidades motor-generador 14, 14' por medio de una o mas impulsiones 22, 22' que proporcionan un flujo de potencia bidireccional entre la barra de distribucion en CC 20 y las unidades motor- generador 14, 14'. Cada una de las unidades motor-generador 14, 14' puede extraer energfa de la barra de distribucion en CC 20 y devolver energfa a la barra de distribucion en CC 20 independientemente una de otra, y como mas eficientemente satisfaga las necesidades propulsoras sobre una base de tiempo real. En una realizacion las impulsiones 22, 22' comprenden unas impulsiones de frecuencia variable. El uso de impulsiones de frecuencia variable para unir los motores-generadores y el sistema de distribucion de potencia permite que los motores- generadores de propulsion proporcionen potencia a la barra de distribucion en CC independientemente de la operacion y la velocidad del motor de impulsion principal. Disponiendo unos motores-generadores en la lmea del eje entre los motores principales y las helices, y disponiendo unas impulsiones de frecuencia variable entre los motores- generadores y la barra de distribucion en CC permite que los motores-generadores proporcionen una potencia propulsora o que actuen como generadores y suministren energfa a la barra de distribucion en CC, dependiendo de las necesidades del sistema en todo momento y con diferentes demandas propulsoras. La potencia electrica para la propulsion y las otras necesidades puede ser generada por generadores diesel auxiliares, motores diesel principales acoplados a sus respectivos motores-generadores (con o sin Impulsiones Z aplicadas), o por una combinacion de estos sistemas.
La barra de distribucion en CC 20 esta tambien conectada a uno o mas sistemas de almacenaje de energfa, tal como las batenas 24, 24' mediante unos transformadores apropiados, tales como los transformadores CC/CC 26, 26'. Los transformadores CC/CC, cuando se usan con un Sistema de Gestion de la energfa (EMS) apropiado, permiten que el sistema mantenga una tension sustancialmente constante en la barra de distribucion en CC y, cuando haya una capacidad de generacion en exceso, cargue las batenas 24, 24' con la energfa en exceso para mantener constante la tension en la barra de distribucion en CC.
La barra de distribucion en CC puede tambien estar unida a y suministrar potencia a un sistema de distribucion de carga de hotel, tal como una o mas barras de distribucion 30, 30' conectadas por el interruptor 31. En una realizacion como ejemplo apropiada para uso en aplicaciones en embarcaciones marinas de remolcadores, cada barra de distribucion en CC comprende una barra de distribucion de 600V, trifasica de 60Hz. La o las barras de distribucion en CA tfpicamente dan potencia a la carga de hotel del sistema, y pueden dar suministro a otras necesidades de potencia no propulsiva auxiliar. El sistema de distribucion de la carga de hotel, que en esta realizacion comprende las barras de distribucion 30, 30', puede estar unido a la barra de distribucion en CC principal por medio de unos transformadores CC/CA 32, 32'. Los transformadores permiten el flujo de energfa bidireccional entre las barras de distribucion en CA y CC y estan dimensionadas para facilitar todas las cargas previstas. Los generadores auxiliares 34, 34' pueden estar dispuestos y unidos al sistema de distribucion de la carga de hotel para suministrar una energfa adicional a la o las barras de distribucion en CA para suplementar las necesidades de la carga de hotel y/o para suplementar energfa a la barra de distribucion en Cc segun dicten las necesidades propulsoras, hotel, de eficiencia y/o de emisiones. En una realizacion como ejemplo, los generadores auxiliares comprenden unos generadores de servicio del barco de 250 kW Tier II.
En algunas realizaciones las demandas de potencia adicional pueden tambien ser satisfechas por la barra de distribucion en CC principal. Usando el sistema de propulsion tubrido y de gestion de la energfa de la presente invencion, por ejemplo, a los cabrestantes de alta capacidad de carga, tales como los cabrestantes de babor y estribor 28, 28', adicionalmente se les puede dar potencia desde la barra de distribucion en CC, por ejemplo, por medio de las impulsiones 29, 29', tales como las impulsiones de frecuencia variable. Se apreciara que otros equipos que tienen unas necesidades de potencia altas pueden tambien ser alimentados desde la barra de distribucion en
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CC, mediante unos transformadores o impulsiones apropiados. En algunas situaciones la energfa regeneradora producida durante la operacion de los equipos auxiliares alimentados desde la barra de distribucion en CC, tal como los cabrestantes, puede tambien ser devuelta a la barra de distribucion en CC para su distribucion para satisfacer las demandas de energfa en cualquier parte del sistema. Los equipos con necesidad de baja potencia pueden ser alimentados desde las barras de distribucion en CC o CA.
Las fuentes de potencia adicionales, tales como la o las fuentes de potencia fotovoltaica a bordo o con base en tierra, como la o las fuentes de potencia de viento o de mareas, y las similares, pueden ser usadas para proporcionar energfa auxiliar al sistema hnbrido. Las fuentes de energfa auxiliar pueden ser acopladas para alimentar la o las barras de distribucion en CA y/o en CC. Los sistemas de potencia auxiliar, tales como la potencia en tierra, pueden tambien ser usados por el sistema tnbrido de propulsion y de gestion de la energfa de la presente invencion para proporcionar energfa para cargas propulsoras y auxiliares. Cuando la potencia de tierra esta disponible, el sistema puede usarla para proporcionar potencia para cargas de hotel y auxiliares y/o para reponer suministros de energfa almacenada, lo que puede eliminar la necesidad de operar motores diesel mientras que esta junto a tierra, y reducir y eliminar la dependencia de la capacidad de almacenamiento electrico a bordo. La reposicion del almacenamiento de potencia a bordo procedente de la red es generalmente deseable, ya que reduce las emisiones del motor, y la potencia de tierra es generalmente generada mas eficientemente, produciendo unas emisiones menores, que la potencia proporcionada por los motores principales de la embarcacion marina. Un transformador de potencia de tierra puede ser proporcionado y alimentado a la barra de distribucion en CC, por ejemplo, por medio de un transformador Cc/CC apropiado.
Los sistemas de la presente invencion preferiblemente incorporan sistemas de almacenamiento de energfa renovables y recargables, tales como batenas, para proporcionar una capacidad de almacenaje para soportar las demandas de potencia bajas y para proporcionar generalmente una capacidad de corto recorrido entre los modos operativos. Mientras que se reconoce que existen muchas posibilidades de batenas en una realizacion, se emplean las batenas de acido de plomo que usan la tecnologfa de estera de vidrio absorbida (AGM) o de batena de gel. Las tecnologfas de batena de acido de plomo que proporcionan una opcion sellada, libre de mantenimiento capaz de aceptar unas velocidades rapidas de descarga/recarga y un ciclo de vida relativamente alto son preferidas para muchas aplicaciones. Las batenas estan preferiblemente dispuestas en lugares de la embarcacion en los que no influyen en las operaciones de la embarcacion y es improbable que resulten danadas. Las batenas pueden estar configuradas para mantener la carga en las batenas de emergencia de la embarcacion, y el sistema de almacenamiento de energfa esta tambien equipado con un transformador CC/CC para proporcionar energfa a la barra de distribucion en CC principal. Las opciones alternativas de almacenamiento de energfa, tales como las batenas de Hidruro de Metal Nfquel (NiMH) y de Cloruro de Nfquel Sodio (NaNiCl) pueden tambien ser empleadas para el almacenamiento y la reposicion de la batena.
Se apreciara que esta vision de conjunto que esta planta de potencia es un ejemplo y que el diseno y la disposicion espedficos de los componentes, asf como los valores nominales y capacidades de los componentes pueden ser variados para hacer frente a diferentes demandas propulsoras y de potencia auxiliares. El sistema de propulsion tnbrido ilustrado en la Figura 1 se muestra como un motor doble, un sistema de generador doble en donde se disponen sustancialmente unos sistemas de propulsion en imagen especular y unas lmeas de impulsion para impulsar unas helices gemelas. Se apreciara que se pueden disponer y operar sistemas de motor unico y de varios motores usando sistemas hnbridos de propulsion y de gestion de la energfa para accionar una unica o varias helices. Tambien se apreciara que el sistema de propulsion hnbrido puede estar dispuesto como un sistema autonomo recien instalado, o en el que varios componentes pueden ser modificados y reconfigurados para convertir los sistemas de propulsion existentes en el sistema hnbrido de propulsion y de gestion de la energfa de la presente invencion.
Cuando el sistema hnbrido es reconvertido para los sistemas existentes, un panel de conmutacion en CA existente puede ser mantenido y puede ser integrado en un panel de conmutacion en CA adicional si se necesita una potencia en CA adicional. El panel de conmutacion en CA preexistente puede ser configurado, por ejemplo, para suministrar solamente una carga de hotel, mientras que las conexiones existentes para los entrantes en el generador, cabrestantes de cubierta y otros componentes auxiliares que requieren una potencia alta pueden ser desviados a una barra de distribucion en CC principal de gestion de la energfa. Los cabrestantes de cubierta y otras cargas importantes son preferiblemente realizados por desconexiones de las impulsiones de frecuencia de la barra de distribucion en CC. Esto aumenta la estabilidad de la barra de distribucion en CA y reduce el efecto de las fluctuaciones de la tension sobre las cargas de hotel conectadas.
Los transformadores conectados entre las barras de distribucion en CC y CA permiten que la energfa fluya desde la barra de distribucion en CC principal a la o las barras de distribucion en CA segun sea necesario para satisfacer la carga de hotel de la embarcacion y otras cargas en CA. La potencia tambien es proporcionada desde la barra de distribucion en CC principal para la propulsion de la unidad o unidades del motor-generador por medio del o de los transformadores o de la o de las impulsiones de frecuencia variable para dar potencia al eje durante los modos de operacion en los que el motor es operado para impulsar el eje de salida. En modos de operacion en los que el motor-generador es operado en un modo generador, la energfa es suministrada desde el motor a la barra de distribucion en CC para proporcionar energfa para necesidades auxiliares y para recargar las reservas de almacenamiento de energfa segun sea necesario. Cuando uno o ambos generadores auxiliares estan funcionando y
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dando potencia a la barra de distribucion en CA, la energfa en exceso puede ser suministrada desde la barra de distribucion en CA a la barra de distribucion en CC, por medio de unos transformadores, para proporcionar potencia para la propulsion y otras necesidades proporcionadas desde la barra de distribucion en CC.
Cuando vanan la potencia y las demandas propulsoras, se ajusta y se vana la operacion del sistema tnbrido de propulsion y de gestion de la energfa para proporcionar una operacion eficiente a lo largo de un amplio intervalo de demandas procedentes de numerosas fuentes. En algunos planes de control y de puesta en practica un operador puede seleccionar unos parametros operativos deseados de entre un conjunto predefinido de posibilidades de entrada que dirigen la operacion del sistema. En algunas realizaciones un operador puede seleccionar una salida deseada, o una combinacion de salidas, que permiten que los sistemas de propulsion y de gestion de la energfa satisfagan la demanda de salida de la manera de combustible mas eficiente, en la manera de energfa equilibrada mas general, o similar. La operacion del sistema tnbrido de propulsion y de gestion de la energfa puede ser monitorizada y controlada automaticamente por el EMS de acuerdo con unos protocolos operativos predeterminados. En realizaciones en las que se proporcionan unos modos de operacion predeterminados y son seleccionables por un operador, o son seleccionados por el sistema dependiendo de las necesidades de salida deseadas especificadas por un operador, se pueden proporcionar unos pocos o muchos modos de operacion diferentes. En realizaciones alternativas el sistema puede operar en un modo sustancialmente variable de forma continua, a medida que el EMS monitoriza el componente y el funcionamiento del sistema general y las demandas de energfa y potencia, e identifica unos parametros operativos preferidos sobre una base en tiempo real sustancialmente, que opera el sistema tnbrido de propulsion y de gestion de la energfa de la forma mas eficiente, que depende de la configuracion del sistema, de las fuentes de energfa disponibles, y similares.
Los modos operativos como ejemplo pueden ser considerados como componentes de un modelo conceptual disenado para ayudar a los operadores a entender que parametros operativos del sistema es posible seleccionar, y que nivel de funcionamiento del sistema, de econoirna de combustible y de reduccion de emisiones pueden esperarse usando las diversas configuraciones del sistema y del modo operativo. Cuando la carga demandada supera la capacidad del sistema en un modo operativo durante mas de un penodo de tiempo predeterminado, el sistema de control puede intensificar automaticamente el modo del sistema para conseguir la generacion de potencia requerida. En tanto que mas adelante se describen varios modos distintos de operacion con referencia a las Figuras 2A-5C, se apreciara que estos modos operativos son como ejemplo y que son posibles unos modos de operacion adicionales y/o diferentes y senan deseables en ciertas circunstancias. Tambien se apreciara que las configuraciones espedficas de los componentes mostradas en cada una de las Figuras 2A-5C son ejemplos de cada modo de operacion particular y que son posibles otras configuraciones dentro de cada modo.
En la Figura 2A se muestra un esquema operativo del modo de emisiones mmimas como ejemplo apropiado para la operacion de embarcaciones durante penodos de inactividad y de transito lento y/o sin carga, en donde la carga maxima continua no supera desde aproximadamente el 5% al 10% del potencial de carga propulsora maxima durante un penodo de tiempo prolongado. Este modo se usa generalmente durante penodos de inactividad de la embarcacion mientras que la embarcacion esta amarrada y no extrae potencia de tierra, cuando la embarcacion esta moviendose a una velocidad muy baja y no arrastra una carga, y cuando una carga continua no supera aproximadamente el 10% de la capacidad maxima durante un penodo de tiempo prolongado. La operacion en un modo de emisiones mmimas utiliza tfpicamente la capacidad de almacenamiento de las batenas solamente para suministro a la barra de distribucion en CC principal y a las necesidades propulsoras, con la utilizacion de un motor- generador para capacidad y almacenamiento de energfa adicional. En el esquema del modo de emisiones mmimas como ejemplo ilustrado en la Figura 2A, la energfa almacenada en las batenas de a bordo 24, 24' es alimentada a la barra de distribucion en CC 20 por medio de unos transformadores adecuados 26, 26'. La barra de distribucion en CC principal 20 proporciona potencia a las barras de distribucion en CC 30, 30' por medio de unos transformadores adecuados 32, 32' para satisfacer las demandas de la carga de hotel. Un o unos alimentadores/interruptores apropiados y un o unos mecanismos de enclavamiento pueden estar dispuestos en las barras de distribucion en CC y CA, como es conocido en la tecnica. La carga de hotel puede generalmente ser satisfecha a partir de fuentes de batenas solamente durante penodos prolongados, si es necesario o deseado.
En este modo de operacion de emisiones mmimas la barra de distribucion en CC 20 puede tambien proporcionar energfa, si es necesario, a las unidades motor-generador 14, 14' para satisfacer demandas propulsoras relativamente bajas. En esta configuracion los embragues motor-generador 16, 16' son aplicados para accionar las helices 18, 18'. Ninguno de los motores principales 10, 10' es operando, y ninguno de los embragues del motor principales 15, 15' es aplicado para que la salida propulsora contribuya al eje de impulsion. Los motores principales 10, 10' estan, sin embargo, mantenidos en un estado de dispuestos para arrancar dependiendo de unas mayores demandas propulsoras o de conmutacion a un modo de operacion diferente de mayor demanda propulsora. En general, ninguno de los generadores auxiliares 34, 34' disponibles para proporcionar energfa a las barras de distribucion en CA 30, 30' es operado en un modo de emisiones mmimas. Uno o ambos generadores auxiliares 34, 34' puede, sin embargo, estar en un estado de espera, y puede estar disponible para proporcionar potencia a una o ambas barras de distribucion en CA 30, 30' cerrando los conmutadores 35, 35'. En este modo operativo las barras de distribucion en CA 30, 30' pueden tambien suministrar energfa a la barra de distribucion en cC 20, por medio de los transformadores 32, 32', para proporcionar potencia propulsora, si es necesario, a las unidades motor-generador 14, 14'.
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Para unas demandas de energfa bajas y de baja potencia propulsora, como se experimenta generalmente en un modo de emisiones mmimas, la ene^a almacenada puede ser suficiente para satisfacer las demandas de energfa y de potencia propulsora. Tfpicamente, se identifica un nivel mmimo de carga de la batena y se incorpora a la logica de control del sistema de gestion de la energfa. Cuando se alcanza un umbral de carga mmimo de las batenas se arranca uno o ambos de los generadores auxiliares para proporcionar energfa a la barra de distribucion en CA. En la medida en la que el exceso de energfa esta disponible en la barra de distribucion en CA, la energfa en exceso es alimentada desde la o las barras de distribucion en CA a la barra de distribucion en CC para satisfacer las demandas propulsoras u otras de la embarcacion, tales como las demandas de potencia de los cabrestantes, y similares. En la medida en la que el exceso de energfa esta disponible en la barra de distribucion en CC, la energfa en exceso es suministrada desde la barra de distribucion en CC al sistema de almacenamiento de energfa (batenas) para restaurar la potencia de las batenas. Uno o ambos de los generadores auxiliares puede ser desactivado cuando la potencia de la batena es restaurada a un nivel deseado o predeterminado, o las demandas de hotel han disminuido, o las demandas propulsoras han disminuido, o alguna combinacion de estas circunstancias. La disposicion en lmea de los motores principales, las unidades motor-generador y los embragues facilita la operacion del tren de impulsion en situaciones de baja demanda propulsora sin operar un motor principal, y tambien facilita la operacion de las unidades motor-generador como generadores que proporcionan energfa para distribucion y uso en otro sitio en el sistema independiente de la transmision de lmea de impulsion de propulsion.
La Figura 2B ilustra un modo de operacion similar de emisiones mmimas y de baja potencia propulsora en un sistema ilustrado esquematicamente que tiene una unica barra de distribucion electrica 120. Las flechas solidas indican la direccion del flujo de energfa durante este modo de operacion. En este modo de operacion de emisiones mmimas y de baja potencia propulsora, la energfa es enviada del banco de batenas 124 a la barra de distribucion 120 cuando se necesita energfa para mantener una capacidad deseada de la barra de distribucion, y la energfa es suministrada desde la barra de distribucion 120 al banco de batenas 124 cuando esta disponible una energfa en exceso de la requerida para mantener una capacidad deseada de la barra de distribucion, como esta indicado por las flechas solidas. Las helices 118 y 118' estan accionadas exclusivamente por los motores-generadores 114, 114' que operan en un modo de motor de impulsion y acoplados al eje motor por los embragues 116, 116' del generador aplicados respectivamente. La energfa electrica para impulsar los motores-generadores 114, 114' en un modo de motor de impulsion es suministrada por la barra de distribucion 120, como esta indicado por las flechas solidas. Los motores propulsores principales 110 y 110' no son activados en este modo operativo y por lo tanto se muestran en lmeas delgadas, con los embragues del motor principales 115, 115' no aplicados. Los generadores auxiliares 34, 34' so activados opcionalmente, y pueden ser operados intermitentemente como esta indicado por las lmeas de trazos, para suministrar energfa (indicada por las flechas negras) a la barra de distribucion 120 para necesidades de hotel y/o propulsora, si es necesario.
La Figura 3A ilustra el sistema de propulsion de la presente invencion como operana en un modo de crucero de demanda de potencia propulsora relativamente baja generalmente en el que el sistema de propulsion y de gestion de la energfa proporciona una capacidad propulsora para un transito lento continuo y un trabajo de ayuda de potencia bajo. En general, este modo operativo es apropiado cuando la carga propulsora continua maxima es al menos aproximadamente el 5% pero no supera aproximadamente el 35% de la capacidad de carga maxima del sistema de propulsion. En este modo de operacion la energfa procedente de los sistemas de almacenamiento 24, 24' en batenas esta generalmente disponible para proporcionar potencia a la barra de distribucion en CC 20, y al menos uno, y preferiblemente dos, generadores auxiliares 34, 34' son activados y operados para proporcionar potencia a las barras de distribucion en CA 30, 30' y, por medio de unos transformadores apropiados 32, 32', a la barra de distribucion en CC 20. La barra de distribucion en CC 20 distribuye energfa a las unidades motor-generador 14, 14', las cuales impulsan el eje motor y las helices 18, 18' por medio de los embragues 16, 16' aplicados. La operacion de los generadores auxiliares 34, 34' en un modo de crucero con una demanda propulsora baja esta generalmente determinada por las demandas del sistema de propulsion y las demandas de hotel y otras demandas de carga, y por las curvas de eficiencia de los componentes, las capacidades de los componentes, y la configuracion del sistema general. La energfa es generalmente extrafda principalmente del almacenamiento en batenas y de los generadores auxiliares y, si se requiere una propulsion adicional, o si se requiere una energfa adicional para satisfacer demandas de hotel o auxiliares, uno de los motores principales es puesto en lmea.
En general, si las demandas de carga electricas y/o propulsora superan la capacidad del o de los generadores auxiliares durante mas de un penodo de tiempo predeterminado, el EMS arranca automaticamente al menos uno del o de los motores principales 10, 10' para satisfacer las necesidades de energfa y conseguir la necesaria generacion de potencia. La configuracion operativa ilustrada en la Figura 3A incluye la operacion de los generadores auxiliares 34 y 34' asf como del motor principal 10, el cual proporciona una potencia propulsora a la lmea de impulsion y a la helice 18 por medio del embrague 15 aplicado. Los modos de crucero de demanda propulsora baja generalmente requieren la activacion de un unico motor principal. Y la operacion del motor en generalmente una eficiencia alta, los estados de salida alta proporcionan una potencia propulsora y proporcionan una generacion de energfa en exceso que es devuelta a la barra de distribucion 20 de energfa principal por medio del motor generador 14. La energfa en exceso proporcionada a la barra de distribucion 20 puede ser usada para demandas de potencia auxiliar, para reponer el sistema de almacenaje de energfa y, como se describe mas adelante, para proporcionar potencia propulsora al eje de salida opuesto.
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La configuracion del sistema hforido de propulsion y de gestion de la ene^a de la presente invencion permite preferiblemente que un unico motor impulse dos ejes de salida propulsores. En la realizacion como ejemplo ilustrada en la Figura 3B, el motor principal 110 opera en un modo de eficiencia generalmente alta, de salida alta para impulsar directamente la impulsion azimutal 112 y la helice 118 en su eje de salida. En esta realizacion el motor principal 110 tambien impulsa el motor-generador 114 en un modo de generador para suministrar energfa a la barra de distribucion en CC 120 (indicada por la flecha) la cual, a su vez, suministra energfa (indicada por la flecha) al motor-generador 114', el cual opera en un modo de impulsion para impulsar la impulsion azimutal 112' y la helice 118' en el otro eje motor. En esta configuracion los generadores auxiliares 134, 134' son tambien operados para proporcionar energfa (indicada por las flechas) a la barra de distribucion 120.
De este modo, en la configuracion de demanda de una potencia propulsora relativamente baja mostrada en la Figura 3B, un motor principal y dos generadores auxiliares estan disponibles para suministrar las demandas de potencia propulsora y de hotel y auxiliares. Esta configuracion reduce la cantidad de tiempo requerida por ambos motores principales para la propulsion y permite que el o los motores principales, que operan mas eficientemente en intervalos de carga altos, funcionen con una mayor eficiencia de la que en otro modo lo hanan. La energfa en exceso en la barra de distribucion 120 es suministrada al sistema 124 de almacenamiento en batenas, que esta generalmente en un estado de carga. El controlador puede ser programado para alternar el motor principal disenado como el retransmisor primario en este modo en todo el ciclo de vida del motor y la embarcacion. Como con otros modos operativos, el recorrido temporal de las demandas transitorias puede ser proporcionado por el sistema de almacenaje en batenas.
En la Figura 4A se muestra esquematicamente un modo operativo de la demanda de propulsion de intervalo medio. Este modo operativo generalmente proporciona una carga propulsora suficiente para el transito continuo y un alto porcentaje de situaciones de ayuda de la embarcacion en las que la demanda maxima de carga propulsora no supera aproximadamente del 30% al 70% de la capacidad de carga total durante penodos prolongados. En este modo operativo son operados, al menos uno, y generalmente dos motores principales, de forma continua o intermitente a generalmente una alta eficiencia y una alta salida, para satisfacer las necesidades propulsoras, de carga de hotel y auxiliares. La energfa en exceso es suministrada a la barra de distribucion electrica principal para satisfacer las demandas de carga de hotel y auxiliares, y para proporcionar la carga de batenas segun corresponda. Uno o ambos generadores auxiliares, y el almacenamiento de batenas, estan disponibles para la generacion de potencia auxiliar en este modo.
Como se muestra en la Figura 4A, la propulsion generalmente proporcionada por los motores principales 10, 10' que operan generalmente a una salida alta, es coherente con una operacion de eficiencia alta. Ambos motores principales 10, 10' se usan para dar potencia a las impulsiones azimutales y las helices 18, 18', por medio de los embragues 15, 15', 16, 16' aplicados. Los motores principales 10, 10', cuando son operados en salida alta en este modo, generalmente producen una salida en exceso de la requerida para demandas propulsoras y tambien proporcionan una energfa para impulsar los motores/generadores 14, 14' en un modo generador en el que la energfa es proporcionada a la barra de distribucion 20 para distribucion y un uso para satisfacer las demandas de carga de hotel, demandas de carga auxiliares tales como las demandas de los cabrestantes y para cargar las batenas. Los generadores auxiliares 34, 34' generalmente no estan activados en este modo debido a que los motores principales proporcionan una salida que satisface todas las necesidades propulsoras y auxiliares.
Si la potencia y energfa propulsora proporcionadas por la operacion de ambos motores principales simultaneamente en un modo de propulsion de intervalo medio es en exceso de las requeridas por las demandas propulsoras, de hotel, auxiliares y de almacenamiento de energfa, uno de los motores principales puede ser desactivado y el sistema puede ser operado sustancialmente como se muestra en la Figura 3B durante penodos intermitentes. La energfa puede ser suministrada desde el almacenamiento de batenas a la barra de distribucion principal y distribuida segun sea necesario durante penodos de operacion reducida del motor principal. Como previamente se ha descrito, la flexibilidad del sistema permite que se use un unico motor principal para impulsar ambas lmeas de impulsion de propulsion, y el almacenamiento en batenas puede proporcionar el recorrido temporal de las demandas transitorias. Esta configuracion aumenta la eficiencia del sistema mientras que dos motores principales estan funcionando y generalmente reduce la cantidad de tiempo en el que dos motores estan funcionando, mejorando la eficiencia del motor que esta operando aumentando su carga al intervalo optimo. Cuando las reservas de las batenas son bajas y aumentan las demandas propulsoras, de hotel o auxiliares, ambos motores pueden nuevamente ser operados para proporcionar la demanda en curso y para reponer el almacenaje de las batenas. El controlador puede ser programado para alternar el motor principal disenado como el retransmisor primario en este modo en todo el ciclo de vida del motor y de la embarcacion, aunque tambien puede ser proporcionado un control manual para permitir al operador gestionar el uso del motor para optimizar el funcionamiento de la embarcacion y del programa de mantenimiento.
En la Figura 4B esta ilustrado esquematicamente un modo de operacion de la demanda de propulsion de intervalo medio similar en un sistema ilustrado esquematicamente como teniendo una unica barra de distribucion electrica 120. Las flechas solidas indican la direccion del flujo de energfa durante este modo de operacion. Los motores principales 110, 110' proporcionan una potencia propulsora al eje de impulsion, las impulsiones azimutales 112, 112'
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La Figura 5A ilustra esquematicamente un modo operativo de maxima potencia del sistema de propulsion y de gestion de la energfa de la presente invencion en el que el sistema de propulsion opera a sustancialmente un 90% o mas de la capacidad de carga propulsora nominal de los motores principales. Este modo operativo se usa, por ejemplo, cuando se preve que se van a encontrar unas cargas grandes y de larga duracion, durante un transito rapido de forma continua, y/o para demandas de ayuda a la potencia maxima del barco. Permite que el sistema satisfaga o supere la capacidad de funcionamiento de sistemas de propulsion no hforidos que incorporan unos motores principales de mayor capacidad proporcionando unas fuentes de potencia auxiliares y una gestion eficiente de la potencia disponible. Incluso en este modo, la potencia puede ser generada por los motores-generadores en la lmea del eje cuando la demanda de propulsion no sea el 100% de la capacidad de carga del motor principal. Esta potencia en exceso puede ser suministrada a la barra de distribucion en CC y ser usada para demandas de potencia de hotel y auxiliares, y para cargar el sistema de almacenamiento de energfa. En el modo de operacion maxima, con todos los equipos operativos, el sistema puede tener la capacidad de aplicar mas potencia a las impulsiones que la que es disponible en un sistema no hforido que incorpora unos motores principales que tienen la misma capacidad de salida. Esto puede ser utilizado como un medio para proporcionar una respuesta mas rapida al sistema, o si la lmea de impulsion es capaz de manejar el par motor adicional, puede ser posible aumentar los caballos de vapor nominales de la embarcacion. Se puede proporcionar una salida mayor durante cortos penodos.
Como esta ilustrado en la Figura 5A, la propulsion en un modo operativo de potencia maxima es generalmente proporcionada por los motores principales 10, 10' que operan a generalmente una alta eficiencia, alta salida, proporcionando una potencia propulsora a las helices 18, 18' mediante los respectivos embragues aplicados. Cuando el sistema de propulsion y de gestion de la energfa esta operando en este modo de potencia maxima, las unidades motor-generador 14, 14', dispuestas en la lmea de impulsion del eje de salida, estan disponibles para operar como generadores, suministrando la energfa en exceso producida por los motores principales a la barra de distribucion principal 20 de energfa, o como motores, extrayendo energfa de la barra de distribucion principal 20 de energfa para suministrar una impulsion propulsora adicional al o a los ejes de salida. Cuando es operado en un modo de motor propulsor, los motores-generadores son operados por medio de los respectivos transformadores, con la energfa a la barra de distribucion suministrada por cualquier combinacion de potencia de las batenas y/o del generador auxiliar. Los generadores auxiliares 34, 34' son ambos generalmente operados en este modo, proporcionando energfa a la barra de distribucion principal en CC 20 por medio de la barra de distribucion en CA 30, 30' y los respectivos transformadores 32, 32'.
En algunos modos de operacion de potencia maxima la potencia propulsora es proporcionada por los motores principales y las unidades motor-generador que operan como motores, con ambas fuentes de potencia propulsora que proporcionan una salida a un eje comun. Cualquier energfa suministrada a la barra de distribucion de energfa 20 en exceso de la requerida para satisfacer la carga de hotel, las demandas motor-generador y cualesquiera otras demandas auxiliares, es devuelta al sistema de almacenaje de energfa (batenas 24, 24'). Los motores principales, las unidades motor-generador y los generadores auxiliares generalmente tienen una potencia nominal suficiente para satisfacer todas las necesidades de potencia propulsora, cargas de hotel, y de energfa auxiliares previstas durante el modo operativo de potencia maxima.
En las Figuras 5B y 5C estan ilustrados esquematicamente dos modos operativos diferentes de potencia maxima en sistemas que tienen una unica barra de distribucion electrica 120, y en los que las flechas solidas indican la direccion del flujo de energfa durante la operacion. En el modo operativo de potencia maxima ilustrado en la Figura 5B ambos motores principales 110, 110' proporcionan una salida de potencia maxima por medio de unos mecanismos de embrague apropiados a las impulsiones azimutales 112, 112' y a las helices 118, 118'. Ambos generadores auxiliares 134, 134' son operados para proporcionar energfa a la barra de distribucion principal 120 de energfa. Ambas unidades motor-generador 114, 114' son operadas en un modo de impulsion de motor en lmea con los motores principales y extraen energfa de la barra de distribucion 120 para que la potencia propulsora contribuya a los respectivos ejes de salida. Esta configuracion puede ser usada cuando la demanda propulsora sea menor que la capacidad de carga total de los motores principales y de los motores-generadores, y generalmente devuelve la energfa en exceso disponible en la barra de distribucion principal 120 al sistema de almacenamiento de energfa (por ejemplo, el banco de batenas 124), que opera en un modo de carga.
La Figura 5C ilustra otro modo operativo de potencia maxima que puede ser usado, generalmente de forma transitoria, cuando la demanda propulsora sea mayor que la capacidad de carga total de los motores principales y de los motores-generadores. En esta realizacion ambos motores principales 110, 110' proporcionan una salida de potencia maxima, por medio de los mecanismos de embrague apropiados, a las impulsiones azimutales 112, 112' y a las helices 118, 118'. Ambos generadores auxiliares 134, 134' son operados para proporcionar energfa a la barra
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El Sistema de Gestion de la Energfa (EMS), como se ha descrito antes, controla muchos aspectos de operacion del sistema de propulsion, del sistema de distribucion de la energfa, y del sistema de almacenamiento de la energfa para operar las diversas fuentes de propulsion, y distribuir la energfa en todo el sistema de una manera eficiente a la vez que satisface unas necesidades de energfa variables procedentes de multiples fuentes. El EMS puede incluir multiples funciones, o formar parte de un sistema operativo mas amplio que incluye, en general, una interfaz de operador, la cual puede permitir al operador seleccionar de entre una pluralidad de modos operativos predeterminados, unos sensores que proporcionan una entradas al EMS con relacion a las diversas salidas, capacidades, parametros y estados operativos actuales, niveles de energfa, de los componentes, etc, sistemas de proteccion del generador y del sistema, servicios de mantenimiento del sistema, servicios del sistema de alarma y de notificacion, y similares. El EMS tfpicamente responde a las demandas de carga en todo el sistema de propulsion tubrido operando y cambiando los estados de operacion y las salidas del o de los motores principales, la unidad o unidades motor-generador, la lmea de impulsion y otros embragues, el o los generadores auxiliares, el o los sistemas de almacenamiento en batenas, como se ha descrito anteriormente. En algunas realizaciones el sistema operativo puede permitir que el operador seleccione ciertos parametros operativos, tales como las rpm y/o el par motor de la lmea de impulsion, la velocidad y/o la duracion de transito, o similares, que son usados por el sistema de control general para formular y poner en marcha unos modos operativos apropiados.
Una interfaz de operador con la propulsion y el o los sistemas EMS puede comprender un monitor electronico que permite al operador ver, y monitorizar, la operacion y el control del sistema de propulsion y de gestion de la energfa. Los modos operativos pueden ser elegidos o aplicados automaticamente por el operador. Se pueden proporcionar y programar multiples modos operativos distintos. Los dispositivos de control del operador, tales como pedales de acelerador electronicos, palancas electronicas y palancas de control, pueden ser proporcionados para la entrada del operador y acoplados a los sistemas de propulsion y de gestion de la energfa. Un operador puede tener una opcion para controlar la propulsion por medio de un dispositivo de entrada tal como una palanca electronica o palanca de control, o un operador puede tener una opcion para controlar la gestion de la energfa por medio de una interfaz que proporciona multiples entradas preseleccionadas o permitiendo que el operador especifique las entradas deseadas. Se pueden disponer, por ejemplo, una plataforma operativa sencilla para el personal no tecnico con parametros operativos del sistema y alarmas o advertencias visualizadas en un monitor o una pantalla tactil. El sistema puede tambien proporcionar la interfaz para un mantenimiento y una informacion de acceso/gestion mas detallados y puede combinar toda la monitorizacion de la maquinaria en una unica plataforma. Un dispositivo de visualizacion, que opcionalmente incorpora una pantalla tactil, diversos componentes de instrucciones y controles discretos puede estar integrado en un unico componente tal como una consola principal de la caseta de mando.
El numero de motores y generadores en operacion en cualquier momento dado esta determinado por las demandas del sistema de propulsion y las cargas auxiliares, tales como las necesidades de hotel y de los equipos auxiliares. Si estas cargas superan la capacidad del o de los motores y/o del o de los generadores que operan en cualquier modo operativo especificado durante mas tiempo que un penodo determinado, el Sistema de Gestion de la Energfa intensifica el modo operativo del sistema y activa el o los motores, el o los motores-generador o generadores, el o los generadores auxiliares, o similares, para proporcionar la generacion de potencia necesaria. El control del sistema puede ser proporcionado, bien manualmente o de una forma parcial o totalmente automatizado, mediante el EMS. El EMS monitoriza el estado operativo de salida y los niveles de energfa disponibles de varias fuentes dentro del sistema, determina la propulsion del sistema y las necesidades de potencia auxiliares, y controla la operacion de los motores, los generadores auxiliares, las unidades motor-generador, y mas generalmente puede controlar el flujo de energfa en todo el sistema para satisfacer las necesidades de carga y de potencia. El recorrido temporal de las demandas transitorias puede ser proporcionado por el sistema de almacenaje en batenas.
En algunos sistemas de control automatizados de la presente invencion el modo operativo del sistema puede ser seleccionado y ajustado, en una base de tiempo real y sustancialmente continua, a las diversas demandas del sistema, y esta controlado y limitado por el EMS. Mientras que antes se han descrito en detalle varios modos operativos, se admitira que se pueden proporcionar unos modos operativos adicionales. En la practica, la operacion de la embarcacion y del EMS puede ser automatizada y operada de acuerdo con unos modos operativos predeterminados como este indicado por las necesidades de potencia y por los recursos de potencia disponibles, o pueden ser seleccionables por un operador diversos modos operativos predeterminados para satisfacer las necesidades operativas actuales o previstas de la embarcacion. Se pueden proporcionar unos controles discretos en un panel independiente para permitir que un operador seleccione unos modos operativos preprogramados, como se ha descrito antes. En una realizacion un operador puede seleccionar el modo mas practico para las necesidades operativas actuales o previstas de la embarcacion. El avance del regulador mas alla de la potencia mantenida
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disponible en el modo seleccionado puede iniciar un avance automatizado al nivel operativo siguiente, o puede activar una senal o alarma que requiera una respuesta positiva. En otra realizacion, si la embarcacion opera durante mas de un penodo de tiempo predeterminado en un modo que proporciona mas potencia de la carga o salida necesarias, el EMS puede proporcionar una indicacion o senal al operador, indicando que esta disponible una operacion en un modo mas eficiente. En general, aunque se puede proporcionar una seleccion automatizada del modo en algunos casos o puede ser una operacion por defecto, el operador tiene la capacidad de anular la seleccion del modo.
Ademas de la capacidad de operar el sistema de propulsion hnbrido en los modos de potencia antes descritos, en algunas realizaciones, la capacidad del EMS de seleccionar ciertos modos de potencia puede estar limitada por la seleccion del operador o del sistema de uno de los multiples estados de preparacion. El estado de disposicion puede ser seleccionado por el operador o aplicado automaticamente por el EMS para dirigir como se asigna la potencia de la batena durante la operacion. La provision de los modos de potencia “transito”, “ayuda” y “recuperacion de la batena” es como ejemplo. Los modos de transito y de ayuda pueden ser seleccionables por un operador mediante unas caractensticas de control seleccionables. El estado de recuperacion de las batenas es una limitacion sobre la potencia maxima que puede ser impuesta automaticamente o puede ser seleccionable en unas condiciones en las que la potencia disponible de la batena ha ido mas abajo de un mmimo predeterminado o cuando las batenas estan descargadas o sobrecalentadas. De esta forma, el sistema hnbrido es capaz (por ejemplo) de impedir la parada de los motores principales durante operaciones de ayuda al barco, o de sobreesfuerzo de las batenas de almacenamiento agotadas por un uso excesivo de la potencia.
En general, una capacidad de reserva suficiente es preferiblemente mantenida y disponible para proporcionar una potencia de propulsion electrica inmediata de aproximadamente el 70% de la carga maxima para cortos aumentos bruscos. Esto reduce los retrasos entre los modos operativos a la vez que se pone en lmea una capacidad generadora adicional. Un avance sostenido mas alla de un nivel de potencia predeterminado, tal como una potencia del 65%, puede ser programado para arrancar automaticamente uno o ambos motores principales. En este caso, se puede experimentar un retraso menor. En situaciones en las que tales retrasos no sean aceptables, se puede seleccionar por adelantado la operacion en modo maximo.
Tambien se pueden proporcionar una o mas caractensticas del control de emisiones seleccionables, programables o programadas. La Agencia de Proteccion Medioambiental proporciona unos parametros del par motor y de velocidad del eje que definen un lfmite operativo “para no ser excedido” (NTE), por ejemplo, para motores diesel marinos. El sistema de propulsion hnbrido de la presente invencion puede proporcionar unas caractensticas de control de emision ademas de los equipos de control de las emisiones proporcionado con los motores principales para asegurar que los motores principales sean siempre operados dentro de las exigencias de la EPA o de lfmites operativos alternativos. El control de las emisiones operativas puede asegurar, por ejemplo, que cuando uno o ambos motores-generadores de propulsion principales comparten la carga de propulsion con uno o ambos motores principales, el par motor desarrollado por el o los motores principales, a cualquier velocidad dada, esta por debajo del lfmite NTE de la EPA.
Las caractensticas operativas de control de las emisiones pueden ser aplicadas mediante unas impulsiones de frecuencia variable. En una realizacion las impulsiones de frecuencia variable usadas para controlar los motores propulsores principales en CA son operados en uno o dos esquemas de control en bucle abierto: control de la frecuencia o del par motor. Por ejemplo, un esquema de control de frecuencia en bucle abierto se usa en propulsion solamente electrica. En este esquema el sistema de control determina la frecuencia (y, en una relacion lineal, la tension) para aplicar al motor para conseguir una velocidad del eje de punto fijo. El motor desarrolla el par motor requerido para hacer girar el eje a la velocidad dada de punto fijo, y la corriente extrafda vana en consecuencia. Se usa un esquema de control del par motor en bucle abierto durante la propulsion combinada diesel y electrica. En este esquema el sistema de control regula la velocidad del motor y el par motor manipulando el estado electromagnetico del motor, controlando independientemente las corrientes que producen el par motor y las que producen el campo. El motor proporciona solamente la porcion del par motor de la helice en exceso de la necesidad de par motor de la NTE de la EPA a cualquier velocidad dada, permitiendo que el motor principal permanezca exactamente (o por debajo) del lfmite NTE de la EPA en todo momento.
Los sistemas hnbridos de propulsion y de gestion de la energfa de la presente invencion preferiblemente incorporan unos sensores y dispositivos de monitorizacion que detectan los niveles de potencia actuales y los parametros operativos en diversos puntos dentro del sistema y comunican esos datos a un sistema de control operado, por ejemplo, por un controlador programado o programable (PLC). Se pueden proporcionar diversos tipos de sistemas e interfaces de control. Se pueden proporcionar unos controles del sistema del operador discretos en un panel de control independiente, por ejemplo, permitiendo que el operador seleccione los modos y lleve los sistemas de propulsion en lmea y desconectados a su discrecion. Se pueden proporcionar diversos tipos de interfaces hombre- maquina. Se pueden usar los protocolos de normas industriales oPc para la conectividad con la porcion del PLC del sistema y unas herramientas normales de desarrollo de soporte logico para el desarrollo de la interfaz. La interfaz y el controlador del sistema pueden comunicar con un control centralizado o un sistema de monitorizacion, de modo que la conectividad y la monitorizacion remotas sean disponibles como una opcion.
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En general, los sistemas de control de la embarcacion preferiblemente utilizan una topolog^a de control distribuida siempre que sea practico. Las funciones de control son llevadas al nivel de control mas bajo posible. Esto proporciona una alta inmunidad para controlar los fallos desde un punto de vista del sistema. En una realizacion se identifican los fallos de control de velocidad y de tension de la o las fuentes en una planta de potencia y los fallos se solucionan antes de producir una cascada de fallos. El control de propulsion, la gestion de la potencia de supervision y la gestion de la energfa pueden ser realizados usando dos sistemas de control PLC autonomos. Todos los dispositivos de control cnticos estan preferiblemente provistos de unos suministros de potencia superabundantes de alta fiabilidad, monitorizados.
En una realizacion esta dispuesta en la sala de motores una estacion fija de monitorizacion y de interfaz y otra en una estacion de control del operador, tal como en la caseta de mando. Un dispositivo de mantenimiento portatil, tal como un ordenador portatil, puede ser proporcionado y es capaz de ser conectado al sistema en cualquier lugar tal como en el compartimento de la impulsion Z. En cuanto al control de propulsion, el sistema estara dividido en dos (2) sistemas autonomos. Cada estacion del operador puede hacer de interfaz con un servidor especializado; uno situado en la caseta de mando y otro situado en el espacio de la ingeniena, proporcionando una fiabilidad mayor mediante la separacion ffsica.
El diseno proporciona una generacion de potencia electrica, un sistema de distribucion y propulsion de modo que un simple fallo en un elemento activo no haga que la embarcacion pierda mas del 50% de sus capacidades de propulsion. Ademas, en una realizacion preferida el sistema esta dispuesto de modo que el unico punto de fallo para un elemento activo que causa una perdida del 50% de la planta es la caja de cambios de la impulsion Z. Esto representa una significativa mejora sobre los disenos convencionales electricos de la embarcacion y del sistema de impulsion, en los que los fallos del motor principal dan lugar generalmente a una perdida del 50% de la propulsion. El diseno de la planta de potencia distribuida con multiples opciones de potencia en cada lmea de impulsion significa que los fallos mas probables dejan ambos ejes disponibles al operador.
El Sistema de Gestion de la Energfa coordina el funcionamiento de los generadores, el sistema de distribucion y los consumidores de potencia. En muchos Sistemas de Gestion de la Potencia tradicionales la atencion se centro en un control de alto nivel mediante un control centralizado. La gestion de la potencia del sistema fubrido de la presente invencion generalmente lleva el control del proceso al nivel mas bajo posible. En algunas realizaciones esto significa que, siempre que sea posible, las cargas inteligentes reconocen directamente el nivel de carga de la planta mediante la frecuencia y reducen el consumo segun convenga.
Las funciones de gestion de la potencia de un sistema de control central generalmente incluyen unos lfmites de asignacion de potencia de “alto nivel” que son desarrollados a partir de multiples fuentes de informacion. Esta nueva informacion, obtenida a partir de variables del proceso, es pasada a los controladores del proceso. Los controladores del proceso funcionan dentro de los parametros entregados por el sistema de control central de la potencia. Estos parametros pueden ser actualizados dentro del ancho de banda del sistema de control central. Los controladores del proceso funcionaran dentro de los parametros entregados por el sistema de control central hasta ser actualizados. La caractenstica cntica es que los parametros no deben ser requeridos sobre una base determimstica y se puede esperar un funcionamiento predecible a partir de la maquina de proceso sin actualizaciones continuas de los parametros.
El sistema de potencia de control en CC esta tambien proporcionado como un sistema sobreabundante. Dos sistemas de potencia independientes, altamente sobreabundantes estan equipados para suministrar una potencia altamente fiable a las cargas cnticas del controlador del sistema. La interfaz de operador de este sistema solamente puede ser proporcionada para realizar el mantenimiento o para reconfigurar el sistema para una operacion en modo comun temporal como resultado de un fallo en otra parte del sistema. El sistema preferiblemente monitoriza todas las capas que son superfluas y proporciona un estado detallado de vuelta al personal de mantenimiento. El estado resumen del sistema esta disponible a traves de la interfaz por cable VMS/SWBD.

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    REIVINDICACIONES
    1. Un sistema hubrido de potencia y de propulsion que comprende: al menos dos fuentes que proporcionan una energfa para propulsion que incluye al menos un primer motor propulsor principal (10, 10') y al menos una unidad motor-generador (14, 14'), un sistema de almacenamiento de energfa (24, 24'), un sistema de distribucion electrica, y un sistema de gestion de la energfa que controla la operacion de cada una de las al menos dos fuentes, en donde el al menos un motor propulsor principal (10, 10') y la al menos una unidad motor-generador estan dispuestos para impulsar un eje motor comun y unidos a un miembro de salida propulsora comun (18, 18'), siendo el eje de salida comun y el miembro de salida propulsora comun (18, 18') impulsables ambos de forma independiente y simultanea por el al menos un motor propulsor principal (10, 10') y la al menos una unidad motor-generador (14, 14'), y el sistema de distribucion electrica comprende una barra de distribucion en CA (30, 30') unida a una barra de distribucion en CC (20) que proporciona un flujo bidireccional entre las barras de distribucion en CA y CC, y el sistema de gestion de la energfa cambia dinamicamente la operacion de cada una de al menos dos fuentes para satisfacer las demandas propulsoras.
  2. 2. Un sistema hforido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde la unidad motor-generador (14, 14') esta unida al sistema de distribucion electrica para proporcionar un flujo de energfa bidireccional entre la unidad motor-generador (14, 14') y el sistema de distribucion electrica bajo el control del sistema de gestion de la energfa.
  3. 3. Un sistema hubrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde el motor propulsor principal (10, 10') es independientemente capaz de proporcionar energfa para la propulsion impulsando el eje motor comun y el miembro de salida propulsora (18, 18') e impulsando la unidad motor-generador (14, 14') como un generador, suministrando una energfa de salida al sistema de distribucion electrica.
  4. 4. Un sistema hforido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde el sistema de distribucion electrica esta unido al sistema de almacenamiento de energfa (24, 24') para proporcionar un flujo de energfa bidireccional entre el sistema de distribucion electrica y el sistema de almacenamiento de energfa (24, 24').
  5. 5. Un sistema hfbrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde la barra de distribucion en CC (20) y el sistema de gestion de le energfa mantiene una tension en CC sustancialmente constante en la barra de distribucion en CC (20) durante la operacion de la propulsion.
  6. 6. Un sistema hforido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 5, en donde el sistema de gestion de la
    energfa suministra una energfa en exceso de la requerida para mantener una tension en CC constante en el sistema
    de almacenamiento de energfa (24, 24').
  7. 7. Un sistema hubrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, que adicionalmente comprende una
    impulsion de frecuencia variable (22, 22') que une el sistema de distribucion de energfa y la unidad motor-generador (14, 14') y que especifica la velocidad y el par motor de la unidad motor-generador (14, 14').
  8. 8. Un sistema hforido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde el sistema de gestion de la
    energfa controla la operacion del motor propulsor principal (10, 10') para limitar la salida del par motor del motor propulsor principal (10, 10') a un nivel seleccionado.
  9. 9. Un sistema hforido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde el sistema de gestion de la energfa opera dinamicamente las al menos dos fuentes de impulsion y controla dinamicamente el flujo de energfa para satisfacer las demandas propulsoras y para mantener una tension sustancialmente constante en el sistema de distribucion electrica.
  10. 10. Un sistema hubrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde la al menos una unidad motor- generador (14, 14') es operable en un modo motor usando energfa procedente de al menos uno del sistema de distribucion de energfa, del sistema de almacenamiento de energfa (24, 24'), y de otra fuente de impulsion operable independientemente para satisfacer las demandas propulsoras.
  11. 11. Un sistema hfbrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde el motor de impulsion principal es operable para impulsar simultaneamente la lmea de impulsion comun y proporcionar energfa para operar el motor-generador (14, 14') en un modo motor o un modo generador.
  12. 12. Un sistema hfbrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, que adicionalmente comprende al menos un generador auxiliar (34, 34') que proporciona energfa al sistema de distribucion electrica.
  13. 13. Un sistema hubrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde se usa una fuente de potencia adicional, tal como una potencia de tierra, una fuente a bordo o con base en tierra de potencia fotovoltaica, o una fuente o fuentes de generacion por viento o mareas para proporcionar una energfa auxiliar al sistema hubrido.
  14. 14. Un sistema tnbrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, en donde la ene^a regenerativa producida durante la operacion de los equipos auxiliares alimentada desde el sistema de distribucion de energfa es devuelta al sistema de distribucion de energfa para distribucion para satisfacer las demandas de energfa en otra parte del sistema.
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  15. 15. Un sistema tnbrido de potencia y de propulsion de la reivindicacion 1, que comprende dos motores principales (10, 10'), dos motores-generadores (14, 14') y dos lmeas de transmision comunes, cada motor principal (10, 10') esta dispuesto en una lmea de transmision comun con un motor generador (14, 14'), en donde cada lmea de transmision comun es impulsable independientemente por el respectivo motor principal (10, 10') y el motor-
    10 generador (14, 14') y simultaneamente por el respectivo motor principal (10, 10') y el motor-generador (14, 14').
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