Componentes de la Planta Eléctrica de un Buque con Propulsión Eléctrica

La planta eléctrica de un buque con propulsión eléctrica consta de:

• Generación de energía eléctrica
• Distribución de la energía eléctrica
• Accionamientos para motores eléctricos de velocidad variable
• Unidades de propulsión/empuje

Generación de Energía

El Motor Primario es el equipo encargado de suministrar energía mecánica al **generador eléctrico**. En la mayoría de los casos, el motor primario suele ser un **motor diésel** de 4 tiempos rápido o semirápido (de 300 a 1800 rpm) que quema **fuel-oil pesado** o diésel. En un sistema de **propulsión diésel-eléctrico**, los motores diésel son normalmente de media o alta velocidad, con menor peso y costes de operación que motores similares de baja velocidad utilizados para la propulsión mecánica directa.

Generadores Eléctricos

La mayoría de construcciones nuevas y todos los buques comerciales tienen una planta de **generación de corriente alterna (AC)** con distribución también en AC. Los generadores son **máquinas síncronas**.

Generador de Cola (PTO/PTI)

El Generador de Cola permite generar energía eléctrica robándole energía al **motor diésel principal de propulsión**, el cual quema el económico **fuel pesado** con alta eficiencia. Para ello, se dispone una **salida adicional** en la **reductora de la hélice principal de propulsión** (PTO – Power Take Off), con el que se acciona un generador, también denominado generador de cola. Los generadores de cola son construidos en algunas aplicaciones para que el flujo de energía sea **bidireccional**, lo que significa que puede estar funcionando también como motor. Este principio se suele denominar como PTI (Power Take In – introducir energía). Con esto es posible aumentar la potencia hacia la hélice tomando energía eléctrica de los generadores auxiliares e incluso, nos puede servir como **motor de propulsión eléctrico** en caso de que falle el diésel principal.

Distribución de la Energía Eléctrica

El Cuadro de Maniobra y Protección Principal se distribuye o está separado generalmente en dos, tres o cuatro **secciones**, con la finalidad de obtener los requisitos de **redundancia** en el buque. Según **normas y regulaciones** para la propulsión eléctrica, se podrán tolerar las consecuencias que se puedan producir a raíz de que una sección deje de funcionar o falle debido, por ejemplo, a un **cortocircuito**.

Transformadores

El propósito del **transformador** es aislar las diversas **particiones** del sistema de distribución de la energía eléctrica, para obtener normalmente **diversos niveles de tensión** y a veces también para obtener **desplazamientos o cambios de fase** entre dos sistemas trifásicos. Los **transformadores de cambio de fase** se pueden utilizar para alimentar los **convertidores de frecuencia**, por ejemplo para las propulsiones a velocidad variable y así reducir la **inyección de corrientes distorsionadas** en la red de energía eléctrica, cancelando las **corrientes de los armónicos no deseados** más dominantes.

Accionamientos para Motores Eléctricos y Velocidad Variable

Motores DC

Los **motores de corriente continua (DC)** deben alimentarse con una **fuente de alimentación DC**, y puesto que el sistema de generación y distribución eléctrica normalmente es un **sistema trifásico**, esto quiere decir que un motor DC debe alimentarse desde un **rectificador con tiristores**. Esto proporciona además un **control sobre la velocidad del motor**.

Motores Asíncronos

El **motor asíncrono o de inducción** es el **caballo de tiro de la industria**. Su **diseño robusto y simple** asegura en la mayoría de los casos una larga vida con un mínimo de paradas y de mantenimiento. El motor asíncrono se emplea en cualquier aplicación, o como **motor de velocidad constante** directamente conectado a la red, o como **motor de velocidad variable** alimentado desde un **convertidor de frecuencia estático**.

Motores Síncronos

La **máquina síncrona** normalmente no se emplea como motor en las aplicaciones del barco, excepto en la **propulsión de gran potencia**, típicamente >5MW directamente conectado al eje de la hélice, o mayores a 8-10MW con una **conexión de engranajes**. En rangos de potencia menores a estos, el **motor asíncrono** normalmente tiene un coste más competitivo. El diseño de un **motor síncrono** es similar al de un **generador síncrono**. Normalmente se utiliza con un **convertidor de frecuencia** para el control de la **variación de velocidad** en las aplicaciones del barco.

Motores Síncronos de Imán Permanente

Los **Motores Síncronos de Imán Permanente** se utilizan en la industria para **tracciones de unos pocos kW**, también para usos de conexión directa a la red. Estos últimos años, se ha introducido también para **aplicaciones de gran potencia**; en propulsiones de varios MW. La ventaja de este diseño es la **alta eficacia** con un **diseño compacto**, haciéndola especialmente interesante para la **propulsión ‘pod’** donde las **dimensiones** deben ser tan pequeñas como sea posible, y el **contacto directo del agua fría** eliminaría la necesidad de **ventilar con aire** el motor ‘pod’ y simplificaría el trabajo de construcción e instalación.

Unidades de Propulsión/Empuje

Propulsión con Líneas de Eje

En un sistema **diésel-eléctrico** de potencia con la **propulsión con eje portahélice**, las **hélices** se hacen girar normalmente con **motores eléctricos de velocidad variable**. Los **motores de eje horizontal** se pueden conectar directamente con el **eje de la hélice**, dando lugar a una **solución simple y mecánicamente robusta**, o mediante un **tren de engranajes**, que permite **incrementar la velocidad de rotación del motor** y da como resultado un **motor mucho más compacto**. La desventaja es el **incremento de la complejidad mecánica** y el **incremento de las pérdidas y probabilidades de fallo**.

Propulsores Azimutales

Los **Propulsores Azimutales** son **sistemas que pueden girar** respecto de un **eje perpendicular al plano de flotación**, para producir un **empuje en cualquier dirección** en dicho plano. El **empuje** es controlado mediante **velocidad constante** con **hélice de paso variable (CPP)**, **velocidad variable** con **hélice de paso fijo (FPP)**, o en casos raros con una combinación del **control de la velocidad** y del **paso de la hélice**. Los diseños de **velocidad variable** y **FPP** tienen una significativa **sencillez de construcción mecánica subacuática** que reduce las **pérdidas de empuje** en comparación con los de velocidad constante y hélice CPP.

Propulsión POD

Como en el caso del **propulsor azimutal convencional**, la **unidad de propulsión Pod** es capaz de **rotar libremente** y puede producir **empuje en cualquier dirección**. La diferencia principal es la **integración del motor eléctrico** directamente al **eje de la hélice**, dentro de una **unidad sellada** llamada **Pod (vaina)** que es **sumergida bajo el casco del buque**.