Proyecto final de Carrera. Autor: David Ugena González. Tutor: David Santos Martín. Director: Marcos Lafoz Pastor
SUMARIO 1. Introducción. 2. Tecnologías de Almacenamiento de Energía. 3. Almacenador Cinético. 4. Máquina Motriz, Máquina de Reluctancia Conmutada (SRM) 5. Convertidores de Potencia. 6. Simulación y Resultados Experimentales. 7. Conclusiones. 8. Aplicaciones actuales.
1. Introducción 1. Necesidad de reducir el volumen de las subestaciones de tracción ferroviaria. 2. Reducción de las penalizaciones por exceso de consumo. 3. Recuperación de la energía de frenado de las líneas de tren de alta velocidad. 4. Mejora en la calidad de la energía consumida.
2. Tecnologías de Almacenamiento de Energía. 1. Central de bombeo. 2. Aire comprimido 3. Baterías. 4. Campo electromagnético. 5. Células de combustible. 6. Supercondensador 7. Volante de inercia. Elección de la tecnología. 1. Alta densidad de energía. 2. Alta densidad de potencia. 3. Capacidad de investigación. 4. Posibilidad de fabricación por empresas nacionales. 5. Reducidos costes de fabricación.
3. Almacenador Cinético Elección del tipo de almacenador cinético: Lento o Rápido Almacenador Lento 200 [MJ] Almacenador Rápido 200 [MJ] Radio 0.2 [m] 0.8 [m] Radio 0.2 [m] 0.8 [m] Longitud 1.43 [m] 0.0898 [m] Longitud 1.0776 [m] 0.0674 [m] Inercia 28.1 [kg m 2 ] 450.6 [kg m 2 ] Inercia 4.1 [kg m 2 ] 64.9 [kg m 2 ] Velocidad 3762 [rad/s] 940.5 [rad/s] Velocidad 9923 [rad/s] 2481 [rad/s] Peso 1404 [kg] 1404 [kg] Peso 203.2 [kg] 203.2 [kg] Volumen 0.18 [m 3 ] 0.18 [m 3 ] Volumen 0.13 [m 3 ] 0.13 [m 3 ]
3. Almacenador Cinético Elección: Almacenador Cinético Lento. Ventajas. Materiales de baja complejidad tecnológica. (Acero) Menor riesgo de rotura. Menor mantenimiento. Fácil mecanización. Baja velocidad de giro. Inconvenientes. Alto momento de Inercia. Elevado peso. Volumen moderadamente alto. Necesidad de levitación Magnética LOS INCONVENIENTES SON ASUMIBLES POR SER UNA INSTALACIÓN ESTACIONARIA
3. Almacenador Cinético El almacenador cinético debe estar constituido por un disco de acero, unido de manera solidaria y sin elementos transformadores a la máquina motriz que lo arrastra. La máquina motriz debe ser capaz de girar a la misma velocidad que lo hace el disco de inercia. Máquina de reluctancia Conmutada (SRM)
4. Máquina de Reluctancia Conmutada (SRM). La derivada de la corriente depende, de la tensión aplicada a la fase, la velocidad del rotor y de los enlaces de flujo respecto de la corriente y de la posición angular. di dt V = dc dλ R i w dθ dλ di i t t 1 2 1 T = Aplicación de tensión Vdc a una fase de estator f c i Vdc w k = t L 1 Aplicación de tensión 0 a una fase de estator i t 2 = w k L
4. Máquina de Reluctancia Conmutada (SRM). La derivada de corriente se puede anular si ( w k) = 0 V dc f c i = w k V ( V ) V 1.1 w w [ w,590rad / s] dc w k dc = n = k f L V = 650 w [ 590rad / s,0] dc dc
4. Máquina de Reluctancia Conmutada (SRM). Variables eléctricas en las diferentes zonas de funcionamiento I I = cte 1800Hz P 250A fc wn = 6364rpm (50% Energía) P = cte 300Hz 140kW 190A w wn = 9000rpm Zona de Corriente Constante: La corriente se reduce para trabajar con baja frecuencia de conmutación en el accionamiento. Se trabaja con tensión continua constante, la mínima suficiente para poder evacuar o inyectar potencia a la red. Zona de Potencia Constante: La corriente es decreciente para reducir el par y poder mantener la potencia constante. Se trabaja con tensión continua proporcional a la velocidad para reducir la derivada de corriente.
4. Máquina de Reluctancia Conmutada (SRM). Forma de onda de Tensión y corriente Ω Ωn/ 2 + V dc + V dc Pulso de excitación - V dc - V dc Pulso de extinción Modo Generador. soft-switching Modo Motor. soft-switching Forma de onda de Tensión y corriente Ωn/ 2 Ω Ωn + V dc + V dc Pulso de excitación - V dc - V dc Pulso de extinción Modo Generador. Monopulso Modo Motor. Monopulso
4. Máquina de Reluctancia Conmutada (SRM). Prototipos 1. Omega-Motor 2. Omega 3. Omega Plus PARAMETER VALUE RPM 9600 Power 140 kw Energy -- MJ DC Voltage. 1.000 V Current/Phase 257 A Phases 3 Stator Poles 6 Rotor Poles 4 Levitation No PARAMETER VALUE RPM 9600 Power 140 kw Energy 5 MJ DC Voltage. 1.000 V Current/Phase 257 A Phases 3 Stator Poles 6 Rotor Poles 4 Levitation PM+Electrical PARAMETER VALUE RPM 6600 Power 350 kw Energy 200 MJ DC Voltage. 1.000 V Current/Phase 790 A Phases 3 Stator Poles 6 Rotor Poles 4 Levitation PM+Electrical
5. Convertidor Electrónico de Potencia. Red Fase a Fase b Fase c Convertidor de Red. Este es un convertidor en puente completo monofásico Convertidor de Maquina. Compuesto por tres convertidores en puente completo monofásico, uno por fase, para reducir las pérdidas y la frecuencia de conmutación.
5. Convertidor Electrónico de Potencia. Máquina CONVERTIDOR MÁQUINA (Para cada unidad) Valor medio en el pulso de corriente nominal Pico máximo de corriente Tensión continua Tensión continua máxima Frecuencia a 9000 rpm Frecuencia máxima (2500 rpm) 42A 250A 1100V 1200V 300Hz 1800Hz Convertidor Lado Máquina: Este es el encargado de acelerar la máquina para recargar el almacenador y frenarlo para descargarlo. Controla la corriente mediante una doble banda de histéresis.
5. Convertidor Electrónico de Potencia. Red CONVERTIDOR RED (Suponiendo un único convertidor) Corriente Nominal RMS 370ª Valor máximo de corriente 570ª Frecuencia media de trabajo 500Hz Tensión alterna 380V Inductancia de salida 1,5mH Potencia Máxima 140kVA Tensión continua 1100V Tensión continua máxima 1300V Distorsión armónica a la salida del convertidor 140 kva. 4,8% Capacidad total en la etapa de continua. 10mF Convertidor Lado Red: Este es el encargado de intercambiar energía con la red monofásica a la que se conecta y controlar el nivel de tensión continua. Controla la corriente mediante una doble banda de histéresis a frecuencia constante.
5. Convertidor Electrónico de Potencia. IGBT Seleccionado Módulo Skiip 3 500 A 1700 V Funciones adicionales del módulo Skiip (SEMIKRON) oenclavamiento y generación de tiempos muertos entre los IGBT TOP y BOTTOM. osupresión de pulsos cortos. oprotección contra transitorios de tensión y polaridad invertida en la alimentación. oprotección contra sobre temperaturas oprotección contra cortocircuitos y sobre corrientes oprotección contra sobre tensión de la etapa de Continua.
6. Resultados Experimentales 300 A/div 5ms/div 500 V/div 5ms/div 300 A/div 5ms/div Durante la carga del almacenador, el sistema absorbe energía de la red y la máquina de reluctancia acelera manteniendo la forma de onda cuadrada de corriente (monopulso) 100 A/div 5ms/div 100 A/div 5ms/div 500 V/div 5ms/div Durante la descarga del almacenador, el sistema inyecta energía de la máquina a la red desacelerándola y manteniendo la forma de onda cuadrada de corriente (monopulso)
6. Resultados Experimentales Rendimiento a presión Atmosférica. 82% Energía Cinética Almacenada 16% Energía Perdida Rozamiento 2% Energía Perdida Fe+Cu En un sistema de almacenamiento de energía el término de rendimiento toma un valor muy importante. A presión atmosférica el rendimiento es superior al 80% y se estima un rendimiento superior al 97% en atmósfera reducida.
7. Conclusiones Ventajas 1. Son sistemas robustos. 2. Tienen rendimientos altos. 3. Tienen alta densidad de energía y potencia. 4. Son adaptables a cualquier topología de red AD ó DC. Inconvenientes 1. Son máquinas rotativas de alta velocidad. 2. Requieren de un alto mantenimiento. 3. Los algoritmos de control son muy exigentes. 4. Los ajustes mecánicos son muy estrictos.
8. Aplicaciones Actuales. KERS (Kinetic Energy Restore System) La FIA obligará a todos los vehículos de F1 a incorporar un sistema de recuperación de energía de frenado. Ferrari desarrolla 250 CV adicionales durante 5 s SUPS (Secondary Unit Power Supply) La NASA ha instalado un prototipo de almacenador cinético en la estación espacial internacional.
Proyecto final de Carrera. Autor: David Ugena González. Tutor: David Santos Martín. Director: Marcos Lafoz Pastor