SRM Rail Pere Andrada & Ignasi Perat UPC-GAECE

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Julián Naranjo Espejo
hace 7 años
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1 BcnRail INNOVA Proyectos estratégicos ferroviarios de I+D+i SRM Rail Pere Andrada & Ignasi Perat UPC-GAECE Nº Expediente: PTR

2 ACCIONAMIENTO CON MOTOR DE RELUCTANCIA AUTOCONMUTADO (SWITCHED RELUCTANCE MOTOR) UNA ALTERNATIVA PARA LA TRACCIÓN ELÉCTRICA FERROVIARIA BcnRail Innova 17 de noviembre

3 Desde 1980 los motores asíncronos trifásicos con jaula de ardilla, utilizando estrategias de control vectorial o control directo de par se han convertido en los motores de tracción por excelencia, desbancando a los motores con colector que durante más de 100 años habían sido la única alternativa para la propulsión eléctrica ferroviaria. 3

4 En los últimos años los motores síncronos con imanes permanentes han despertado un gran interés, especialmente después que el 3 de abril de 2007, el tren Alstom AGV V-150 batiera el record mundial de velocidad sobre raíles, km/h, utilizando dos bogíes con motores con imanes permanentes. Bogie AGV mostrando disposición motores síncronos y detalle del rotor con imanes. FUENTE ALSTOM 4

5 Aunque hoy en día hay un gran sensibilidad por incrementar el rendimiento, obtener elevadas densidades de potencia y una mayor fiabilidad en los motores de tracción y a pesar del interés despertado por los motores síncronos con imanes permanentes. Todo parece indicar que el motor asíncrono trifásico continuará siendo el motor de referencia para la tracción eléctrica ferroviaria. Sin embargo existen alternativas a los motores asíncronos trifásicos y a los motores síncronos con imanes permanentes pero faltan estudios que avalen su viabilidad 5

6 El proyecto que ahora presentamos pretende cubrir en parte estas carencias proponiendo a los accionamientos con motores de reluctancia autoconmutados SRM (SWITCHED RELUCTANCE MOTORS) como una seria alternativa a los motores asíncronos trifásicos para tracción eléctrica ferroviaria. 6

7 SRM UN INICIO PRECOZ En 1843, 17 años antes que la compañía Siemens Halske presentara su locomotora en la feria comercial de Berlín, R. Davidson construyó un primitivo motor de reluctancia que impulsó una locomotora en la línea férrea entre Glasgow y Edimburgo (Escocia) en un tramo de 2 km en los alrededores de Falkirk. Esta iniciativa no prosperó por las limitaciones de los interruptores mecánicos utilizados para la conmutación y por el rápido desarrollo posterior de los motores de c.c. 7

8 SRM EL MOTOR ELÉCTRICO MÁS SIMPLE 8

9 Nº Expediente: PTR PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE RELUCTANCIA SRM 9

10 Nº Expediente: PTR

11 11

12 Nº Expediente: PTR SRM CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD IDEAL PARA LA TRACCIÓN ELÉCTRICA MAV (N m) Característica de par constante Característica de potencia constante Característica natural MAV AV = K MAV AV = K/ω Control de corriente (Histéresis Histéresis) IREF Control de tensión (PWM PWM) D Control de ángulos (Variables Variables) θon on,θoff off MAV AV = K/ω 2 Sin Control ωn ωv ω (rad/s) 12

13 FUNCIONAMIENTO EN LOS 4 CUADRANTES 13

14 VENTAJAS DE LOS ACCIONAMIENTOS CON SRM Simplicidad constructiva (rotor sin jaula de ardilla ni imanes permanentes) Su característica par velocidad se adapta muy bien a las necesidades de la tracción eléctrica Tolerancia a faltas. Diversos estudios han demostrado que el motor de reluctancia tiene rendimientos más altos y mayor densidad de par (Nm/kg) y de potencia (W/kg) que el motor asíncrono trifásico, aunque algo inferiores al motor síncrono con imanes permanentes. 14

15 INCONVENIENTES DE LOS ACCIONAMIENTOS CON SRM Elevado nivel de ruido audible. Importante rizado de par. El convertidor electrónico de potencia aunque tiene el mismo número de interruptores de estado sólido que un inversor trifásico presenta una configuración que no es estándar. 15

16 La finalidad de este proyecto es probar la viabilidad de los accionamientos con SRM en tracción ferroviaria. Para ello se propone diseñar, construir y ensayar un accionamiento con SRM para una aplicación de tranvía o metro ligero con unas especificaciones concretas que se adapten a este tipo de vehículos: Potencia kw. Tensión V. Característica par velocidad de par constante de aproximadamente 750 Nm entre 0 y 2000 rpm y potencia constantedealrededorde150kwentre2000y4500rpm. 16

17 Nº Expediente: PTR Para poder hacer una comparación lo más realista posible y reducir costes en la construcción del prototipo lo ideal sería utilizar la misma carcasa, con el mismo tipo de refrigeración, así como el mismo reductor o transmisión mecánica entre motor y ruedas motrices que el que se utilizaría en el caso de propulsar el tranvía o metro ligero mediante motores de tracción asíncronos. En cuanto al convertidor electrónico de potencia, aunque su topología es distinta, sería deseable aprovechar al máximo los elementos comunes. 17

18 EL PROYECTO COMPRENDERÁ Definición de las especificaciones del accionamiento para un determinado vehículo ferroviario. Diseño del accionamiento incluyendo: El diseño del SRM evaluando diferentes alternativas como por ejemplo SRM convencional con estructura 12/8 o SRM con circuitos magnéticos cortos con estructura 12/10. Un dimensionamiento optimizado tanto electromagnético como térmico y considerando, además, criterios de ecodiseño. 18

19 EL PROYECTO COMPRENDERÁ El diseño del convertidor electrónico de potencia. Las estrategias de control adecuadas al funcionamiento del vehículo ferroviario elegido, incluyendo el frenado, y la minimización del rizado de par y del ruido audible. Simulación del accionamiento incluyendo la línea de contacto, convertidor electrónico de potencia, motor y las diferentes estrategias de control consideradas. Construcción del accionamiento y ensayo en banco de pruebas y condiciones de operación. 19

20 Nº Expediente: PTR CONCLUSIONES EnelproyectoSRMRAILsepropone,enbaseasusventajas,a los accionamientos con SRM como una alternativa a los motores asíncronos trifásicos y a los motores síncronos con imanes permanentes para la tracción eléctrica ferroviaria. El proyecto pretende hacer una evaluación critica de los accionamientos SRM para tracción eléctrica diseñando, construyendo y ensayando un accionamiento con SRM para una aplicación de tranvía o metro ligero. 20

21 MUCHAS GRACIAS POR VUESTRA ATENCIÓN!! 21

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