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Desarrollo de los Sistemas Eléctricos en los Buques

VI Ciclo de Conferencias:Evolución de la Tecnología Naval

Amable López PiñeiroDr. Ingeniero Naval – Catedrático UPM (J)

Contenido

• Pioneros de la Electricidad y de la Electrotecnia

• Grandes desarrollos iniciales (<≈1950)

• 2ª parte del Siglo XX

• El Siglo XXI

• Electricidad e Ingeniería Oceánica

Énfasis en Propulsión Eléctrica

E. Skjong et al. The Marine Vessels Electrical Power System: From its Birth to Present Day. IEEE PROCEEDINGS 2015



Pioneros de la Electricidad y de la Electrotecnia

Antecedentes de la Electricidad y Magnetismo

• Prehistoria: Rayos / Descargas Peces

• Grecia: Electrostática / Atracción Magnética

ambar -> ελεκτρον -> electrón Thales de Mileto (600 AC)

• China: Brújula de aguja magnética Shen Kuo (S. XI)

• Europa: Brújula seca Flavio Gioja (≈ 1.300)

• S. XV a XVII Mecánica (Celeste…..)

Pioneros de la Electricidad y Magnetismo (S. XVIII y XIX)

• Van Musschenbroek: botella de Leyden (1745)

• Franklin: pararrayos (1752)

• Volta: pila (1800)

• Davy: electrólisis / arco eléctrico (1808)

• Ampère: el solenoide (1822)

• Faraday: generador (1832)

• …………• Morse: telégrafo (1837)

• Bell: teléfono (1876)

• Marconi: radio (1899)

Watson: corriente eléctrica (1747)

Oersted: el electromagnetismo (1819)

Ohm: la ley de Ohm (1827)

Henry: inducción electromagnética (1830)

Faraday: inducción (1831)

Lenz: ley de Lenz (1834)

Wheatstone: puente de Wheatstone (1843)

Joule: relaciones de electricidad, calor y trabajo (1843)

Kirchhoff: leyes de Kirchhoff (1845)

Maxwell: las cuatro ecuaciones de Maxwell (1875)……….

Pioneros de la Electrotecnia (CC)• Gramme: primera dinamo (1870)

• Siemens: locomotora eléctrica (1879)

• Edison: lámpara incandescente (1879)(Heinrich Göbel, 1850)

Central eléctrica (CC NY 1882)

• Sprague (Navy..1890) Ascensor / Tranvía con catenaria

• Baterías:Planté: plomo-ácido 1859 Leclanchè / Gassnes: zinc-carbón 1867Jungner: niquel-cadmio 1899

1970 Litio 1989 Hidruro metálico 1996 Ión-Litio

Pioneros de la Electrotecnia (CA, EP, lámparas)

• Hopkinson: sistema trifásico (1882)

• 1886 Westinghouse: Westinghouse Electric & Manufacturing Company

Tesla: motor de inducción (1887)

Déri, Bláthy y Zipernowsky: transformador(1885, Budapest)

1895 Central C. Niágara NY

• Electrónica de Potencia:1990 rectificador arco de mercurio

1948 transistor 1959 tiristor

1979 MOSFET 1972/1980 IGBTIluminación



Grandes desarrollos iniciales(hasta ≈ 1950)

La “guerra” de las Corrientes

CC (Edison) (Westinghouse & Tesla) CA• CC: original (pilas) / primeras máquinas

- facilidad de regular la velocidad N = k·V- difícil tensiones por encima de 1 kV Pérdidas (ley de Ohm) aumentan con la longitud de los cables

• CA: máquinas más compactas y con menor mantenimiento- inicialmente con menor rendimiento / necesidad sistemas polifásicos- generación (hidroeléctrica) y transporte a distancia en AT / Convertidores Rotativos …… Transformadores

- problemas con la reactiva P = V·I·cosΦ (motores iniciales circuito magnético poco eficaz) / velocidad constante N = 60·f/p

Primeras Aplicaciones a Bordo (I)• 1838 Moritz von Jacobi: Bote L= 7,5m 3 kn / Rio Neva, S. Petersburgo

• 1870s: Dinamos - proyectores de arco (anti botes)

• 1880 SS Columbia:

L= 94m / carga + 382 pax

4X 6kW Dinamos 120 bombillas de Edison

anterior a central alumbrado NY 1882

• 1883 USS Trenton

L=70m 14 kn / 1887 Alumbrado

Primeras Aplicaciones a Bordo (II)• 1884 Fragatas USS Atlanta, Boston y Omaha

- Normalización 110 V CC alumbrado

- Dinamos accionadas por correas (línea de ejes) por máquina alternativa de propulsión

- Fragata ≈ 50 kW Buques pasaje 10 a 20 kW

- Lámparas de arco para navegación (proyectores)

• 1880s primeros motores eléctricos- ventilación y giro de torretas

• 1896 Crucero USS Brooklyn:- montacargas municiones, maquinillas, grúas (80 V CC)

1886 Submarino Peral

Elementos Auxiliares• Cables

- Algodón impregnados en aceite / Gutapercha

• Cuadros- Madera / Baquelita / Porcelana

• Aparamenta- Seccionadores (chispas) / Fusibles- 1924 magneto-térmico Stolz

• Regulación / control- Reóstatos (manuales) (Columbia 1 dinamo para excitación de las restantes)

• Instrumentación - CC electrodinámicos (ε≈ 1%)

- CA electromagnéticos (ε≈ 5%)

Máquinas alternativas

• Fulton 1802 bote en el Sena

• 1819 cruce Atlántico MV Savannah

Turbinas (vapor)

• 1897 Turbinia (30 kn / cavitación)

• 1910 Turbinas con reductora

Motores diésel

• 1903 Petit Pierre (barcaza canal Rin-Marne)

• 1907 Vandal & Sarmat (L= 75m / mar Caspio)

Buques: Evolución de las Máquinas Primarias

Propulsión en buques de superficie (I)• 1907 barcaza Vandal (bunkering m. Caspio Volga)

3 x 120 hp mot. diésel tricilindros 240 rpm. 3 hélices 30-300 rpm. Reg. eléctrica con reostato (≈ tranvias)

• 1908 Joseph Medill (B. contra-incendios Chicago) Propulsión Turbo-eléctrica 400 shp

• 1912 carbonero USS Jupiter (1922 USS Langley firstaircraft carrier) Propulsión híbrida:

– motor diésel – sistema turbo-eléctrico 3.500 HP– turbina vapor

Propulsión en buques de superficie (II)•1916 carguero Mjölner

– 2x 400 kW turbinas 9.200 rpm generadores CA 500 V

2x motores inducción 900 rpm reductora hélice 90 rpm

• 1919 acorazado USS New Mexico– L= 190 m Δ= 33.000 T v= 21kn

– 2x 11,5 MW generadores 3,0/4,2 kV (frecuencia-rpm variables)

– 4x 7.500hp 24-/36-polos motores inducción (11 kn)

– 6x 300kW turbo-generadores (iluminación y maquinaria eléctrica)

– velocidad del buque regulada variando frecuencia y tensión generadores y nº polos motores

Propulsión en buques de superficie (III)

• Petroleros T2 II guerra mundial- Fábricas reductoras para b. Guerra

- Facilidad de operación (maquinistas)

- Rapidez de construcción (70 días)

Turbo-generador de vapor - Motor eléctrico -Hélice (7.240 shp / 15 kn)

• 1922 Tratado de Washington / 1930 Tratado Naval de Londres – Final acorazados con propulsión turbo-eléctrica

– Propulsión eléctrica: buques de pasaje / rompehielos / submarinos

Propulsión en Submarinos (I)• 1887 Peral

- L= 22 m Δ= 77/85 T 1TL torpedos

- 2x22 kW 7,8/3,5 kn

• 1888 Gymnote (↓1907 L =17,8 m Δ= 30/33 T 41 kW 7,3/4,3 Kn 2TL Torpedos )

• 1895 ↓Plunger (vapor)

• 1900 US Holland VI:- L= 16,4 m Δ= 65/75 T 6/5,5kn

- m. gasolina 34 kW m. eléctrico 56 kW

•1902 HMS Holland 1:- L= 19,5m Δ= 105/107 T 7 kn

- mci (petróleo) 119 kW m. eléctrico 55 kW

Propulsión en Submarinos (II)

• I GM (SMU-38 1914)- L= 54,7m Δ= 685/878 T U= 16,4/9,7 kn 2+2 TL Torpedos

- 2 x681 kW diésel 2x442 kW eléctricos

• II GM (tipo XXI 1943)- L= 76,7m Δ= 1610/1833 T U= 17,9/17,2(6,1) kn 6 TL Torpedos

- 2 x1,45 MW diésel 2x1,9 MW eléctricos

• Guerra fría- S. Nucleares (Turbo-eléctricos)

• Presente y futuro- AIP / células de combustible



2ª parte del Siglo XX

Siguiendo la Normalización en Tierra• Norteamérica 60 Hz3.600 rpm 110 V alumbrado 440 V fuerza

• Europa 50 Hz3.000 rpm 220 V alumbrado 380 V fuerza

• Distribución en árbol / Plantas principal y emergencia

• Mejora seguridad y fiabilidad

El control de Velocidad

Mot.Asinc.

• Grupo Ward Leonard (maquinillas pesqueros)- rotatorio / estático

• Motores con múltiples devanados (chigres, molinetes y grúas)

- cambio nº de polos / conexiones D’Alambert

• Auge de los sistemas hidráulicos (servo timón, motores de halar)

Regulación de velocidad con motores CC• 1991 Hespérides (ES)

– Planta eléctrica; 2x 1,3 MW + 2x 0,65 MW

– HPF motor CC tándem (2 x 1,4 MW)

• 1990 Fragatas tipo 23 (UK)– CODLAG (2× 34,000 hp TG + 4 × 7,000 hp MD)

– 2× 1,5 MW ME CC

– PE integrada (filtraje mecánico MG síncrono)

Los Rompehielos• Necesidad alto par a bajas rpm

• 1932 Ymer (SW) – 1er diésel-eléctrico

• 1975 USCG Polar Star– CODLOG (6x 2,2 MW D. + 3x 19 MW TG 3H. CPP)

• 1993 Fennica (FI)– 2H PF POD (15 MW shp)

• 1999 USCGC Healy– 2H PF (2X 11,2 MW shp cicloconvertidores)

Trasatlánticos (I)• 1960 SS Camberra (turbinas de vapor)

– L= 250 m GT= 45.270 v= 29,3 kn

– 2x 32,2 MW turbo-generadores (6 kV 60 Hz)

– 2x 31,5 MW shp 27,5 kn

– 4x 1,5 MW turbo-generadores (440 V 60 Hz)

Trasatlánticos (II)• Quenn Elizabeth 2’ (QE2) 1964

– Propulsión a vapor

– L= 293,5 m 70,327 GT

• 1987 Transformación a Diésel-Eléctrico – Planta Integrada

– Regulación velocidad con ciclo-convertidores

– 9 grupos D-G 10,5 MW 10 KV

– 2 motores principales 44 MW hélices CCP

La revolución: el POD• 1990 Clase Fantasy 1998 Elatyon

– 6x 7,9 MW MD

– Cicloconvertidores

– 2x 14 MW shp HPF (m. síncronos)

– 8% mejora eficiencia

– 30% reducc. círculo maniobra

– Vibraciones / espacio / mantenimiento

– ……....



El Siglo XXIPlantas Integradas – Buque “Todo Eléctrico”

Consolidación de la Electrónica de Potencia• Convertidores:

– Rectificadores controlados

– Ciclo-convertidores

– Sincro-convertidores (LCI)

– PWM

• Distribuciones:– Árbol / Anillo / ZONAL

– Filtros de armónicos: mecánicos / resonantes

/ electrónicos / 12-24 pulsos

– Tensiones: 400 V 50 Hz / 480 V 60 Hz

/ 690 V / 6,6 KV / 11 KV

Accionamientos Eléctricos con PWM• Base propulsión eléctrica actual

• Diodos e IGBTs

• Regulación V y F

• Rectificador simple entrada

• Ondulador doble frente activo

• PF > 0,9

• H.F. Salida (1 a 10 kHz)

• Filtros más sencillos

• Usual sin transformadores

• Sí transf. Δ/ΔΥ para reducir armónicos (12 / 24 pulsos)

Extensión de la Propulsión Eléctrica• Operación a distintas velocidades y/o consumidores eléctricos significativos

OJO: si P≈cte. CAPEX> / η<• Consolidada en:

- Rompehielos- Cruceros- Dragas- Buques investigación- Petroleros Shuttle- Quimiqueros- LNGs- Buques de guerra- Plataformas offshore- Operaciones oceánicas

• Explorando posibilidades en:- Ferrys y ROROs- Portacontenedores- Yates- Pesqueros- ………

Buques de cruceros

• Planta Integrada

• Regulación con PWMs

• Uso de PODs con PMMs

Ejemplos significativos (I)

• Petroleros Shuttle

• Quimiqueros

• LNGs

Ejemplos significativos (II)

• Buques Investigación

• Dragas

• Buques Supply

Propulsión Híbrida

Buques de guerra de superficie• All Electrical Ship (AES) Plantas combinadas (híbridas)

• Aumento del consumo

• Normalización Grupos generadores

• Distribución Zonal

Ejemplos buques de guerra• LHD Juan Carlos I

– Planta Integrada (AES)

– 2 SSP pods 11 MW

– TG 19,75 MW + 2 DG 7,86 MW

• Fragatas 110- Clásica CODLOG (>peso AES)

Tendencias de evolución• Seguridad y Sostenibilidad (ambiental, económica y social)

• Motores primarios GNL ……

• Uso Pilas de Combustible

• Distribución en CC

• Almacenamiento Energía

• Cold Ironing

• Posicionamiento Dinámico

• Accionamientos eléctricos inteligentes (>> nº consumidores)

• Buques Autónomos

• Tele-mantenimiento “on line”

• Convertidores CC-CC / Onduladores multi-nivel

• …….

Buques sin motores primarios• 2015 MF Ampere L= 81 m P= 450kW

– Puro eléctrico– Capacidad batería >>– T recarga muy rápido (almacenamiento en puerto)– Ferrys trayecto muy corto

• 2017 Aurora & Tycho Brahe L= 238 m Δ= 8.414 T J= 4,16 MWh

Distribución (y almacenamiento) en CC

• Concepto

• Ventajas:- < Peso, Vol. Y CAPEX

- > rendimiento

- reducción Pnom planta eléctrica y nº grupos en operación

- Interés: Remolcadores, Supplys, Op. Oceánicas

• 2013 PSV Dina Star



Electricidad e Ingeniería Oceánica

Cables Submarinos• 1852 C. Telegráfico UK-FR

• 1866 Terranova-Irlanda

• 1850 Cable potencia (DE)……..

• 1954 HVDC (SW)

• Futuro

Plataformas Offshore (oil & gas)• Fijas: Planta eléctrica convencional (P>>)

• Flotantes DP Planta eléctrica integrada- Múltiples generadores y propulsores (azimutales)

- Distribución alta redundancia y secciones

- Alimentación a Risers

• Conexión a tierra / Generación eólica asociada

Energías Renovables Marinas• Extraídas en el mar

– Eólica Offshore

– Fotovoltaica…..

• Extraídas del mar– Olas

– Corrientes

– Térmica, salina

• Unidades Generadoras

• Plataformas (Hubs) de exportación

• Embarcaciones y Artefactos para instalación, mantenimiento y reciclaje

Robótica Marina• Superficie

– Buques autónomos

– USVs

• UUVs– ROVs

– Trenchers

– AUVs

– Gliders

• Aéreos– UAVs Drones….

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Gracias por su atención¿Preguntas?

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