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

Resumen

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