Aplicación de la electrónica de potencia en tracción vehicular

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(1)Aplicación de la Electrónica de Potencia en Tracción Vehicular. Maria Leonor Forero Zapata. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica. Diciembre-2006.

(2) Ingeniería Electrónica. Tabla de Contenido INTRODUCCIÓN..................................................................................................2-1 OBJETIVOS .........................................................................................................2-2 1.1. Objetivo principal ...................................................................................................................................2-2. 1.2. Objetivos específicos ...............................................................................................................................2-2. 2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA.................................................................2-4. 2.1. Introducción.............................................................................................................................................2-4. 2.2. Aprovechamiento de la Energía ...........................................................................................................2-4. 3. ESTADO DEL ARTE DE LA TRACCIÓN......................................................3-5. 3.1 Tipos de Tracción....................................................................................................................................3-5 3.1.1 Vehículos Particulares..........................................................................................................................3-5 3.1.1.1 Vehiculo Eléctrico.......................................................................................................................3-5 • Topología de Vehiculo Eléctrico ....................................................................................................3-6 3.1.1.2 Vehiculo Híbrido .........................................................................................................................3-6 • Topología Paralela ...........................................................................................................................3-7 3.1.1.3 Vehiculo de Celdas de Combustible ..........................................................................................3-8 • Topología con Celdas de Combustible...........................................................................................3-8 3.1.1.4 Arquitecturas y Elementos..........................................................................................................3-9 3.1.1.4.1 Arquitecturas para Baterías...................................................................................................3-9 • Arquitectura con dos baterías: ....................................................................................................3-9 3.1.1.4.2 Elementos Utilizados...........................................................................................................3-11 3.1.2 Vehículos de Transporte Masivo .......................................................................................................3-14 3.1.2.1 Vehículos Híbridos....................................................................................................................3-14 3.1.2.1.1 Buses Híbridos:....................................................................................................................3-14 3.1.2.1.2 Tren Híbrido: .......................................................................................................................3-15 3.1.2.2 Vehículos Eléctricos..................................................................................................................3-16 3.1.2.2.1 Con Tercer Riel: ..................................................................................................................3-16 3.1.2.2.2 Con Catenaria: .....................................................................................................................3-17 3.1.2.3 Elementos Utilizados (Definición General).............................................................................3-20. 4 4.1. CASO ESPECÍFICO: TRANVÍA ..................................................................4-22 Justificación ...........................................................................................................................................4-22. 4.2 Diagrama General.................................................................................................................................4-23 4.2.1 Diagrama General Tradicional ..........................................................................................................4-23 4.2.2 Diagrama General Con Frenado Regenerativo.................................................................................4-24. 5. IMPLEMENTACIÓN EN PSCAD .................................................................5-27.

(3) Ingeniería Electrónica. 5.1. Bloques a implementar y simular.......................................................................................................5-27. 5.2. Rectificador: ..........................................................................................................................................5-27. 5.3. PWM [12]:..............................................................................................................................................5-29. 5.4. Inversor: .................................................................................................................................................5-32. 5.5. Sistema Total Motorización: ...............................................................................................................5-34. 5.6. Sistema Total de Generación: .............................................................................................................5-35. 6. CONCLUSIONES ........................................................................................6-39. 7. REFERENCIAS ...........................................................................................7-41. 8. ANEXOS ......................................................................................................8-42. 8.1. Cálculos de elementos utilizados.........................................................................................................8-42.

(4) Ingeniería Electrónica. Introducción Los niveles de contaminación vehicular en el ambiente (tanto de emisiones como de ruido) han preocupado a las personas desde hace ya varios años. Esta preocupación ambiental, sumado a los costos y falta de disponibilidad del petróleo hacen que cada vez mas se busquen soluciones alternativas al uso de los combustibles.. Nuevos diseños para vehículos con mejor aprovechamiento de energía y combustible están comenzando a pasar de un plano puramente investigativo al plano físico y de la vida diaria de muchas personas. Varias empresas automotrices reconocidas han comenzado a diseñar e incluir en sus líneas de ensamble vehículos con diferentes diseños para mejor aprovechamiento de combustible. Empresas como Honda y Toyota han sacado ya al mercado vehículos con estas características. El mas popular en este momento es el vehiculo con diseño hibrido, debido a que es el paso que debe darse antes de llegar a una arquitectura viable completamente eléctrica en un futuro. Este tipo de tecnología ha tenido gran acogida sobretodo a nivel de transporte particular. A nivel de transporte masivo, tecnologías como trenes eléctricos e híbridos y tranvías llevan la delantera en cuanto a tecnologías y mejor aprovechamiento de energía.. El objetivo de este trabajo es analizar el comportamiento del sistema de electrónica de potencia empleado en las tecnologías de tracción vehicular. Haciendo una investigación sobre estos temas, se va a lograr obtener un estado del arte sobre las topologías y arquitecturas utilizadas actualmente en estos vehículos. Teniendo en cuenta esta investigación se llegó al caso específico del tranvía. Se va a realizar un modelo de este sistema y se va a validar por medio de simulaciones en el área de electrónica de potencia.. Página 2-1 de 48.

(5) Ingeniería Electrónica. Objetivos 1.1. Objetivo principal. Analizar el comportamiento del sistema de electrónica de potencia empleado en las tecnologías de tracción vehicular. Esto se logrará realizando un estado del arte y centrando el trabajo al final en un caso específico, el tranvía. Nos interesa que el tranvía tenga sistemas para aprovechar al máximo la energía, es por ello que se estudiará también el frenado regenerativo.. 1.2. Objetivos específicos. 1. Realizar un estado del arte de los sistemas electrónicos de potencia en tracción vehicular.. Para. ello se. buscarán referencias. bibliográficas. que. muestren. actualmente como están los temas de tracción vehicular no tradicional. 2. Realizar un análisis comparativo de los sistemas investigados. Se analizarán ventajas y desventajas de cada uno. 3. Definir un caso específico para estudio, modelarlo y validarlo. Al tener la información recolectada en la etapa del estado del arte, se podrán observar los diferentes elementos y ver cual se ajusta mejor para el caso de estudio.. Página 2-2 de 48.

(6) Ingeniería Electrónica. Alcance En este proyecto de grado se pretende en primer lugar realizar un estado del arte de la tracción vehicular, centrándonos en los elementos de electrónica de potencia. En primer lugar se hace una división entre la tracción vehicular para vehículos particulares y para vehículos de transporte masivo. De cada una de estas divisiones se investigaran las técnicas de tracción que se utilizan y cuales son los componentes más significativos (a nivel de electrónica de potencia) que se utilizan.. Una vez se tenga la información completa del estado del arte, se va a realizar una comparación entre las diferentes técnicas y topologías junto con sus ventajas y desventajas. Teniendo en cuenta este análisis comparativo se va a llegar a un caso específico de estudio. Este caso específico de estudio va a ser a nivel de transporte masivo y más específicamente, el tranvía.. Se va a realizar un modelo de ese caso específico teniendo en cuenta los elementos de electrónica de potencia pertinentes. La validación del modelo se hará por medio de simulaciones en el programa PSCAD.. Se hará un análisis del comportamiento del dispositivo de electrónica de potencia y su influencia en el sistema total.. Página 2-3 de 48.

(7) Ingeniería Electrónica. 2 2.1. Descripción del Problema. Introducción. Últimamente se ha observado una tendencia a tener mas conciencia respecto al ambiente que nos rodea. Esto, sumado a los problemas que se han generado en torno al petróleo ha llevado a que cada vez mas se consideren otras opciones. Entre estas opciones se encuentran los vehículos eléctricos, los vehículos híbridos y los que utilizan celdas de combustible.. Dentro de las topologías empleadas en la actualidad para vehículos particulares y de transporte masivo se encuentran: Vehículos Eléctricos (EV) por sus siglas en inglés, vehículos híbridos (HEV) serie, paralelo, combinada y compleja, vehículos de celdas de combustible (FCV).. 2.2. Aprovechamiento de la Energía. La diferencia de cada una de estas topologías consiste en el manejo que hacen de la energía. El vehiculo eléctrico por ejemplo, utiliza una batería química recargable. Los vehículos híbridos serie, son básicamente un vehiculo eléctrico, pero con su propio cargador de baterías interno. Los HEV paralelo utilizan dos configuraciones. Tienen un sistema de combustión interna y otro de baterías como el EV. La configuración combinada, utiliza las características del HEV serie y el paralelo, aunque se ha estudiado que esta alternativa es un poco mas costosa. Por otro lado, los HEV complejos están casi siempre en el modo serie o en el modo paralelo, pero adicionalmente tiene una transmisión implementada mediante engranajes planetarios que conecta motor de tracción, el generador y el sistema de combustión interna. La tecnología de los FCV, aunque un poco costosa, puede llegar a condiciones de eficiencia hasta del 90%. Se pretende que el caso específico al cual se llegue, tenga características que le permitan un buen aprovechamiento de la energía. Todo esto, desde el punto de vista de electrónica de potencia.. Página 2-4 de 48.

(8) Ingeniería Electrónica. 3 3.1. Estado del Arte de la Tracción. Tipos de Tracción. En general existen dos tipos de tracción tanto a nivel particular como masivo. La tracción tradicional y la tracción que se ha ido desarrollando en los últimos años. La principal preocupación ha sido la de utilizar de forma eficiente la energía que se tiene sin importar cual es la fuente. Esta ha sido la principal diferencia entre los tipos de tracción. Una vez se tenga la información de vehículos particulares y de transporte masivo, se procederá a realizar un enfoque en el tranvía.. 3.1.1. Vehículos Particulares. Los adelantos que se han realizado en tracción de vehículos han ido avanzando tanto en los medios de transporte particulares como en los masivo, y dependiendo del tipo de vehículo pueden llegar a compartir la misma topología.. 3.1.1.1. Vehiculo Eléctrico. El primero es el vehículo eléctrico (EV), el cual ha estado desde hace varios años tratando de entrar al mercado con el objetivo de ser un vehículo que no utiliza ningún tipo de combustible sino baterías. La idea general es reemplazar por completo el motor de combustión interna y en su lugar utilizar una batería química recargable en combinación con un motor eléctrico y el sistema de control correspondiente. Tiene como ventaja que además de ser puramente eléctrico (lo cual evita la contaminación del medio ambiente, al menos in situ, ya que hay que tener en cuenta la contaminación de la planta eléctrica generadora) requiere menos mantenimiento. Es visto más como un vehículo del futuro, debido a los altos costos que se manejan con los módulos de las baterías [1]. De todas formas, también se debe tener en cuenta que dependiendo de los avances tecnológicos que puedan llegar a surgir a partir de la situación con los computadores portátiles y sus baterías, es probable que los vehículos eléctricos se vean beneficiados [2].. Página 3-5 de 48.

(9) Ingeniería Electrónica. •. Topología de Vehiculo Eléctrico. La topología de un vehículo eléctrico se puede apreciar en la Fig. 1 [1]. Generalmente cuentan con un motor de tracción manejado por un inversor. Cuentan también con una batería y con un ultracapacitor. La batería provee la energía necesaria para lograr el funcionamiento del motor y por medio del frenado regenerativo se carga el ultracapacitor de la imagen para ser utilizado en momentos específicos como aceleración y arranque. El frenado regenerativo consiste en aprovechar la energía que normalmente se pierde en el frenado en forma de calor y utilizarla para cargar la batería que se lleva a bordo del vehículo.. Los vehículos puramente eléctricos, aun no han entrado propiamente al mercado como lo han hecho los híbridos en los últimos años y tampoco se han posicionado como un vehiculo viable. Es por ello que las topologías más relevantes para estudiar los casos actuales son la serie (híbridos), paralela (híbridos) y la de celdas de combustible.. Fig. 1. Topología general de un vehículo eléctrico. Tomado de [1]. 3.1.1.2. Vehiculo Híbrido. El segundo tipo de vehiculo es el vehiculo híbrido. Este tipo de vehiculo tiene una ventaja muy importante y es que disminuye los niveles de contaminación si lo comparamos con un vehiculo normal, debido a la forma como aprovecha el combustible. Es un vehículo que cuenta con una combinación del motor de combustión interna (que tienen los vehículos actuales) y una batería como la de los vehículos eléctricos [1]. Esta batería es recargada en el propio vehiculo gracias a la acción del frenado regenerativo. Los vehículos híbridos tienen dos tipos de topologías principales, serie y paralelo.. Página 3-6 de 48.

(10) Ingeniería Electrónica. La topología serie en los híbridos como muestra la Figura 2, no tiene conexión mecánica directa entre el motor de combustión interna y el chasis. Su funcionamiento depende del estado de carga (SOC) de la batería y es aquí donde el motor de combustión interna comienza a funcionar. Dependiendo del nivel de carga de la batería, el motor de combustión interna se va a prender o apagar. Si la batería llega a un nivel mínimo de carga, el motor se va a activar hasta que llegue a un nivel satisfactorio de carga. En ese momento vuelve y se apaga. Debido a que el chasis no esta mecánicamente conectado al motor de combustión interna, es necesario hacer varias transformaciones de energía que llevan a tener pérdidas y reducir el manejo apropiado de la energía [3]. Este diseño de la topología permite que sea muy utilizado para hacer pruebas con diferentes fuentes primarias de energía (Gasolina, Diesel, Celdas de combustible,) y ver como se comporta la eficiencia de las fuentes secundarias (baterías, ultracapacitores) [4].. Fig. 2. Topología serie de un vehículo híbrido. Tomado de [1]. •. Topología Paralela. A diferencia de la topología serie, la topología paralela tiene conectado a la transmisión tanto el motor de combustión interna como el motor de tracción como se puede apreciar en la Fig. 3. Tiene una ventaja importante y es que puede ser manejado de tres modos diferentes: •. Solo con el motor de combustión interna. •. Solo con el motor eléctrico. •. Con una combinación de los dos (Cuando se requiere mayor potencia). Página 3-7 de 48.

(11) Ingeniería Electrónica. La forma mas utilizada de usar estas formas de manejo es la de utilizar el motor eléctrico a bajas velocidades (donde el motor de combustión interno es menos eficiente) y utilizar el motor de combustión interna para altas velocidades. Cuenta con frenado regenerativo y con la ventaja que necesita menos estados de conversión de energía y por tanto se evitan pérdidas innecesarias [4]. Esta topología es tal vez la más utilizada actualmente para vehículos híbridos gracias a sus características de manejo de energía y a las diferentes formas en las cuales puede ser manejada.. Fig. 3. Topología paralela de un vehículo híbrido. Tomado de [1]. 3.1.1.3. Vehiculo de Celdas de Combustible. El ultimo tipo de vehiculo particular es el que utiliza celdas de combustible. La característica general de este tipo de vehiculo es la de convertir el combustible en hidrógeno y de esta manera obtener una mayor eficiencia para el combustible [1].. • Topología con Celdas de Combustible En la topología de celdas de combustible, tenemos un concepto completamente diferente al manejado con los vehículos híbridos. La conversión de combustible en hidrógeno, se logra mediante una operación en la cual el combustible tratado es llevado al ánodo de la celda, mientras que el oxígeno (del aire) es llevado al cátodo de la celda. Dependiendo de la configuración inicial que se tenga, se va a obtener un nivel DC a la salida. Para obtener los niveles necesarios, se pasa a un conversor DC/DC. Idealmente este conversor debe tener las mínimas pérdidas posibles. Esta topología tiene como ventaja que eventualmente se podría llegar a tener eficiencias muy altas. El problema es Página 3-8 de 48.

(12) Ingeniería Electrónica. el costo que tiene esta tecnología actualmente. Si bien en este momento no es muy viable comercialmente, vale la pena mencionarlo debido a la eficiencia que se logra con su topología [1].. Fig. 4. Topología de un vehiculo de celda de combustible. Tomado de [1]. 3.1.1.4. Arquitecturas y Elementos. Para realizar y hacer posibles las topologías anteriormente discutidas, se necesitan ciertas configuraciones y elementos que vale la pena discutir. Las características de estas arquitecturas nos van a indicar si son importantes o no para nuestro caso específico.. 3.1.1.4.1. Arquitecturas para Baterías. Debido a que la demanda de potencia en las cargas vehiculares ha aumentado considerablemente, los diseñadores de estas máquinas han considerado que debe haber una migración del sistema actual que usa una batería de 14V a un sistema donde se utilicen 42V. Dado que es muy difícil lograr que haya un cambio radical hacia el nuevo nivel de voltaje, se han desarrollado unas arquitecturas de transición que tienen como objetivo ir encaminando el diseño de vehículos al nuevo nivel de voltaje. Es por ello que se han propuesto dos arquitecturas, una con dos baterías y una con una sola batería. En ambos casos es necesario un conversor DC/DC. •. Arquitectura con dos baterías:. Esta arquitectura cuenta con dos baterías, una de 12V para las cargas de baja potencia y una de 36V para las cargas que requieran mayor potencia. Tiene como ventaja que no Página 3-9 de 48.

(13) Ingeniería Electrónica. hay necesidad de hacer muchos cambios estructuralmente para las cargas de baja potencia de 14V. Esta arquitectura se puede observar en la Fig. 5. Como desventaja ocurre que el costo de esta arquitectura comparada con la actual es mucho mayor debido a la batería extra que tocaría ajustar. También tocaría tener en cuenta que el peso sería mayor, al igual que el espacio que ocupa en el vehiculo [1].. Fig. 5. Arquitectura general utilizando dos baterías. Tomado de Según [1]. • Arquitectura con una batería: Esta arquitectura tiene como ventaja que utiliza una sola batería de 36V y con eso alimenta de manera eficiente tanto a las cargas de alta potencia como a las de baja potencia. Evita el costo extra de poner dos baterías y en cuanto a peso y empaquetamiento es también ventajosa [1]. Esta arquitectura utilizando una sola batería puede ser observada en la Fig. 6.. Fig. 6. Arquitectura general utilizando una batería. Tomado de [1] Página 3-10 de 48.

(14) Ingeniería Electrónica. 3.1.1.4.2. Elementos Utilizados. Para poder desarrollar estas topologías, es necesario contar con unos elementos claves que nos van a permitir un mejor manejo de la energía. Entre estos elementos se encuentran los conversores DC/DC, las baterías y los ultracapacitores. Es importante ver cuales son las características, ventajas y aplicaciones que tiene cada uno para poder decidir si van a hacer parte o no de la topología del caso específico a escoger. • Conversores DC/DC Hemos visto a lo largo de este artículo que tanto en las topologías como en las arquitecturas es importante el uso de estos conversores. En cuanto a topologías son necesarios para poder lograr el frenado regenerativo (deben ser bidireccionales) y para las arquitecturas de las baterías son vitales debido a las cargas de baja potencia que maneja el vehiculo. Otra forma de utilizarlos es para los sistemas de energía auxiliar como conversores buck y boost [5]. o. Conversores Buck:. Es un conversor “Step Down”, por lo cual el voltaje a la salida es menor que el voltaje a la entrada. Una de sus aplicaciones es pasar del estándar militar de 28V a 5V para los TTL. La forma en la cual funciona es que cuando se cierra Q, va a ir corriente a la bobina y se va a tratar de cargar el capacitor. Luego, se va a cerrar Q y va a dejar paso para que circule una corriente entre la bobina L, el condensador C y el diodo D. El condensador va a quedar cargado y ese es el voltaje de salida Vo [5]. Esto se puede observar en la Fig. 7.. Fig. 7. Circuito del conversor Buck y gráficas. Tomado de [6] Página 3-11 de 48.

(15) Ingeniería Electrónica. o. Conversores Boost:. Los conversores boost tienen la característica de tener un voltaje a la salida mayor que el voltaje que hay a la entrada. Una de las aplicaciones que tiene este conversor es para hacer interfaces entre voltajes de 5V y 12V. Tiene el mismo principio utilizado en el buck. En principio, cuando Q se cierre, la bobina va a quedar en paralelo con la fuente de voltaje y va a comenzar a almacenar energía. Luego, cuando Q se abre, toda la corriente va a fluir por el diodo D hacia el condensador para cargarlo. Vale la pena mencionar que en ambos casos, si hay corriente a través del diodo, no hay corriente a través del transistor Q y viceversa. Esto se puede observar en la Fig. 8.. Fig. 8. Circuito del conversor Boost y gráficas. Tomado de [6]. • Baterías Las baterías tienen una densidad de energía muy alta, pero una densidad de potencia muy baja. Tienen un defecto y es que las corrientes de carga y descarga causan pérdidas y calentamiento de la batería. Esto puede llegar a causar el deterioro de la batería en muy poco tiempo. Esto representa un problema económico, debido a que el costo de las baterías es alto y se debe procurar que tengan la mayor vida útil posible para que los vehículos puedan ser viables.. • Ultracapacitores Los ultracapacitores son utilizados como fuente de energía secundaria o en sistemas de energía auxiliar en vehículos híbridos. Son muy importantes para los requerimientos pico en eventos de corta duración como el frenado, el encendido y la aceleración. Estos eventos requieren poca energía pero una cantidad importante de potencia. Los ultracapacitores (a diferencia de las baterías) cuentan con una alta densidad de potencia y Página 3-12 de 48.

(16) Ingeniería Electrónica. una baja densidad de energía. Su capacitancia es mucho mayor que las utilizadas normalmente. Tiene como ventaja que presenta muy pocas pérdidas (lo cual es necesario para mejorar el uso eficiente de la energía) y tiene una vida útil mas larga que la de las baterías. Utilizando las baterías como fuente de potencia secundaria en un híbrido y teniendo como sistema de energía auxiliar un banco de ultracapacitores, es posible prolongar la vida útil de la batería y lograr un mejor aprovechamiento de la energía. o. Sistema de Energía Auxiliar:. Este sistema se utiliza en vehículos híbridos para reducir el estrés que sufre la batería y para aumentar el uso eficiente de la energía. La configuración de este sistema es mostrada en la Fig. 9. Este sistema utiliza una combinación de los convertidores que vimos anteriormente (Buck-Boost) para lograr que la energía circule de un lado a otro del circuito. En este caso, el switcheo del sistema se va a dar utilizando IGBT’S y no transistores. Esto se debe a que la frecuencia a la cual funcionan los IGBT’S es mas alta que la de los transistores. Esto permite que la bobina que se utilice en el sistema sea más pequeña pero trabaje a un ciclo más alto. Utilizando elementos que funcionan a frecuencias mas bajas, es necesario tener bobinas más grandes para poder dar la misma cantidad de energía que daría una bobina pequeña con un IGBT. El funcionamiento de este sistema depende del IGBT que se encienda y a partir de esta acción se va a realizar una acción de buck ó de bust. [5] Si se cierra el IGBT T1, entonces la bobina L va a quedar conectada en paralelo al banco de capacitores y se va a cargar de energía. Después de un tiempo, se va a abrir ese IGBT y el diodo D1 evita que la corriente se devuelva a al banco. La bobina queda cargada y va a comenzar a subir el voltaje en ese punto hasta que pueda descargar su energía. Por tanto, la corriente se va a ir por el diodo D2 hacia la batería para cargarla. La bobina Ls va a servir de suavizador de la señal para evitar que se dañe la batería con corrientes pico. Por otro lado, si se cierra el IGBT T2, entonces lo que va a pasar es que van a quedar conectadas Ls y L. Por tanto se va a recibir la energía proveniente del frenado regenerativo para cargar los ultracapacitores. Estas bobinas se van a cargar hasta que conmute T2 nuevamente.. Página 3-13 de 48.

(17) Ingeniería Electrónica. Fig. 9. Circuito de un conversor Buck-Boost. Tomado de [5]. 3.1.2. Vehículos de Transporte Masivo Los. vehículos. de transporte. masivo van. necesariamente. a cambiar las. características de la topología en comparación a la de los vehículos particulares. Vamos a encontrar que en los híbridos, las topologías que se manejan para particular y masivo son básicamente las mismas y las variaciones se van a dar es en los elementos utilizados.. 3.1.2.1. Vehículos Híbridos. Al igual que en los vehículos particulares, los vehículos híbridos para transporte masivo tienen la característica de combinar un motor de combustión interna con una batería para disminuir la contaminación y aprovechar de una mejor manera el combustible. Entre este tipo de vehículos se encuentran buses y trenes.. 3.1.2.1.1. Buses Híbridos:. En cuanto a topologías, los vehículos híbridos de transporte masivo tienen las mismas características generales que las de los vehículos particulares. Hay topología serie y paralelo, en la cual se conservan los mismos principios observados en transporte particular. En la en la Fig. 10 se puede observar un bus híbrido. En el exterior tienen la misma apariencia de un bus tradicional con motor de combustión interna.. Página 3-14 de 48.

(18) Ingeniería Electrónica. Fig. 10. Bus Híbrido. Tomado de [7]. Como se observa en la figura, estos buses tienen un motor diesel pequeño que le da energía a un generador eléctrico que carga las baterías que se encuentran en la parte superior del bus. Las baterías le dan energía a un motor eléctrico que hace mover los ejes. La energía para cargas adicionales como el aire acondicionado proviene del motor diesel también. En este caso, el motor utiliza diesel, pero también es posible lograr estas configuraciones con motores de combustión interna con combustibles tradicionales. [7] Al igual que los vehículos particulares, a estos buses se les puede agregar la característica frenado regenerativo, la cual les permite recuperar y utilizar energía que antes se habría desperdiciado en las resistencias de frenado. • Ventajas respecto a otras tecnologías: 1. Hay un mejor aprovechamiento de los recursos no-renovables que en los vehículos tradicionales. 2. Se reducen las emisiones de CO2. 3. Tiene frenado regenerativo que permite aprovechar mejor la energía que antes se perdería en forma de calor en el frenado.. 3.1.2.1.2. Tren Híbrido:. La topología del tren híbrido sería muy parecida a las que hay para los buses híbridos. La característica diferenciadora sería que el tren utilizaría riel y el bus no. Existen muchas combinaciones para hacer los híbridos de los motores. Entre ellas están la del Página 3-15 de 48.

(19) Ingeniería Electrónica. motor de combustión interna de gasolina con el motor eléctrico, otra es la del motor diesel con eléctrico y también la de gas con motor eléctrico. En pocas palabras, lo que cambia es el tipo de combustible con el cual se usa el motor de combustión. Claro está, que si utilizamos como combustible el diesel ó gas, el aprovechamiento de la energía va a ser mayor a si utilizamos gasolina y también se van a disminuir los niveles de contaminación.. 3.1.2.2. Vehículos Eléctricos. Cuando se mencionaron los vehículos eléctricos en transporte particular, vimos que el enfoque que se le daba a estos vehículos era mas desde el punto de vista de las baterías. En el caso de transporte masivo eso cambia radicalmente. Los vehículos eléctricos que estudiaremos van a ser todos alimentados por una línea externa al vehículo. En algunas topologías se utilizan baterías, pero como soporte para sistemas auxiliares.. Entre los vehículos eléctricos están los trenes, troleys y tranvías. Estos vehículos pueden ser puestos en categorías dependiendo de las características que cumplan. En este caso los vamos a dividir dependiendo de si tienen o no sistema de catenaria. Una vez se hace esta diferenciación, la topología interna va a ser básicamente la misma y a partir de esa topología base se pueden presentar variaciones dependiendo de la aplicación.. 3.1.2.2.1. Con Tercer Riel:. La función que cumple el tercer riel en algunos sistemas eléctricos es la de llevar la energía proveniente de la línea hasta el vehiculo. En este caso, no hay catenaria en el sistema, ya que esa función la está cumpliendo el tercer riel. Esta topología para la entrada de energía al sistema se utiliza especialmente en vehículos de altas velocidades como trenes. El circuito se cierra y completa el flujo de energía a través de uno de los rieles laterales. Tiene una desventaja y es que es importante que las personas no tengan contacto con ese riel, por tanto debe aislarse en plataformas para evitar accidentes.. Página 3-16 de 48.

(20) Ingeniería Electrónica. Fig. 11. Tren con Tres Rieles. Tomado de [8]. 3.1.2.2.2. Con Catenaria:. El sistema con catenaria es utilizado principalmente para transportes dentro de las ciudades. Ejemplos de este tipo sistema son los tranvías y los troleys. Con la catenaria, la energía se lleva a lo largo de una línea y el vehiculo, por medio del pantógrafo se conecta a esa línea y toma la energía. En el caso del tranvía, se utiliza una sola línea para llevar la energía y por medio de uno de los rieles se completa el circuito y se completa el flujo de energía. Pero, en el caso de los buses troley, debido a que estos tienen llantas de caucho convencionales y no utilizan rieles, es necesario que haya dos líneas, una para llevar la energía y otra para cerrar el circuito. En la Fig. 12 se puede observar como sería la conexión de las dos líneas del bus troley con la catenaria. Los avances tecnológicos en esta área también pueden verse reflejados en como el sistema de catenarias esta conectado. En la actualidad hay varios estudios que pretenden mejorar este sistema.. Página 3-17 de 48.

(21) Ingeniería Electrónica. Fig. 12. Sistema de Catenaria de 2 Líneas. Tomado de [9]. Las desventajas que las personas siempre han visto en las catenarias es la estética de los cables. La principal características que los diseñadores de estos sistemas buscan es tener una fuente confiable de potencia para efectos de tracción. Se busca que el sistema permita un servicio a altas velocidades, sea costo-efectiva y segura. Para lograr todos estos objetivos es importante el diseño del cable. Los diseños tradicionales de línea DC utilizan un voltaje que se encuentra alrededor de 600V a 750V o incluso a 800V si las cargas del sistema (Vehículos) se incrementan en la línea.. Con algunas sugerencias de diseño que se han hecho, se ha llegado a la. conclusión que se puede reducir costos utilizando un voltaje más alto (de 800V a 1000V) y de esta forma se tendría una economía a nivel del cable utilizado y a nivel de estética. El cable puede ser construido con menos diámetro y reducir el costo, al igual que la visualización del mismo. [9]. • Buses Troleys: Un bus troley tiene ciertas ventajas respecto a un bus tradicional. La principal es el motor eléctrico. Este motor hace que los niveles de contaminación por emisiones de CO2 sean cero, lo cual no es posible con los motores tradicionales de los buses. Por esta misma razón tiene también la ventaja de no consumir recursos no-renovables. Esta ventaja también es respecto a los vehículos híbridos, dado que estos, aunque reducen la cantidad de emisiones, siguen teniendo un motor de combustión. Al igual que el tranvía, puede compartir la vía con los demás vehículos sin necesidad de Página 3-18 de 48.

(22) Ingeniería Electrónica. construcciones especiales. El ruido es un factor importante a tener en cuenta, ya que este se disminuye considerablemente a diferencia de los servicios de transporte masivo tradicionales. Otra ventaja que tienen los buses troleys es que el frenado y la aceleración son más suaves. [9] Al igual que los híbridos, a este sistema se le puede agregar un bloque de frenado regenerativo para el aprovechamiento de la energía proveniente del frenado.. Fig. 13. Bus Troley. Tomado de [9]. • Tranvías: Los tranvías son sistemas de transporte que utilizan un sistema de rieles y para la alimentación utiliza una catenaria. Este sistema de transporte tiene varias ventajas, semejantes a las que tiene el bus troley.. Entre estas se encuentra la de poder. implementar el servicio en las mismas vías por las cuales circulan otro tipo de vehículos y la de ser impulsado por un motor eléctrico, lo cual le permite tener las mismas ventajas en cuanto a reducción en la contaminación que tiene el troley. Tiene ventajas adicionales y entre ellas está que es de fácil acceso debido a que no tiene un nivel de piso alto, que puede transportar un número mayor de personas y que solo utiliza un cable para la catenaria, dado que por el riel se puede completar el circuito.. Página 3-19 de 48.

(23) Ingeniería Electrónica. Fig. 14. Tranvía. Tomado de [10]. 3.1.2.3. Elementos Utilizados (Definición General). Fig. 15. Topología General. Tomado de [11]. En la Fig. 15. se muestra un diagrama general para sistemas de transporte en riel y con catenaria. En este diagrama se pueden observar varios de los elementos que se utilizan para tracción eléctrica. En el caso de vehículos eléctricos, los elementos más importantes son los siguientes:. Pantógrafo: Elemento que permite la conexión entre la línea de alimentación y el vehiculo. En ocasiones solo debe conectar un cable como en el caso de los tranvías, pero cuando se utilizan buses troley, este pantógrafo debe hacer la conexión con dos líneas como se observa en la Fig. 14. Página 3-20 de 48.

(24) Ingeniería Electrónica. Rectificador: El rectificador permite cambiar la onda AC a la entrada de la línea por un voltaje fijo DC.. Existen varias configuraciones, pero la mas común es la de. utilizar diodos.. Inversor: Permite cambiar el voltaje que DC que hay en el circuito utilizando IGBTS y controlar cargas AC, en este caso un motor. En ocasiones puede llegar a manejar motores DC, pero tienen que ser del tipo Brushless (Sin escobillas).. Resistencias de Disipación: Son las resistencias utilizadas para disipar la energía de frenado del vehiculo. Son necesarias, incluso si es sistema tiene frenado regenerativo.. Página 3-21 de 48.

(25) Ingeniería Electrónica. 4. Caso Específico: Tranvía. Después de el desarrollo del estado del arte para los tipos de vehículos particulares y masivos, se llegó a la conclusión que el caso que sería mas significativo para este trabajo sería el del tranvía.. 4.1. Justificación Se determinó que el caso específico que se va a estudiar es el vehiculo tranvía.. Primero, fue importante decidir en que rama se quería centrar el trabajo, si por la parte del transporte particular o el transporte masivo. Por un lado, se tiene el transporte particular, el cual ha ido incrementando a medida que este tipo de vehículos se han convertido en una necesidad, mas que un lujo. Para este tipo de vehículos, el interés estaba mas centrado hacia lograr una profundización bibliográfica respecto a los nuevos sistemas híbridos. Para este trabajo, lo más importante era llegar a un caso específico que permita un mejor aprovechamiento de la energía. En el caso de los vehículos particulares, los híbridos brindan no solo un mejor manejo de los combustibles actuales, sino que también permiten que el costo de los mismos no sea tan alto. Además de esto, al momento de hacer las adaptaciones, permiten mantener muchos elementos presentes en los diseños actuales, lo cual sería favorable en términos económicos para un desarrollo.. Por otro lado, se tienen los vehículos de transporte masivo, los cuales tienen grandes ventajas en cuanto a nuevas tecnologías de aprovechamiento de la energía. De hecho los tranvías no utilizan combustible para funcionar. Los sistemas de transporte masivo eléctrico tienen una ventaja muy importante y es la reducción por completo de las emisiones de CO2. Por tanto no gastan recursos no-renovables, debido a que no tienen un motor de combustión interna. Al igual que en los vehículos particulares, los buses eléctricos que se alimentan con una batería a bordo del vehiculo, no han llamado mucho la atención a nivel de comercialización. Esto, debido en parte a los altos costos de las baterías. Pero, en cuanto a vehículos eléctricos alimentados con sistemas de catenaria, se ha visto gran interés (Troleys y Tranvías).. Página 4-22 de 48.

(26) Ingeniería Electrónica. La idea de las ciudades del futuro es tener micro centros, en los cuales las personas trabajen, vivan y encuentren las cosas que necesitan en lugares cercanos. Esto no siempre se logra y por tanto las personas deben viajar largas distancias para poder llegar a su trabajo y a sus hogares. Debido a este fenómeno hay un incremento en la necesidad de transporte para esas largas distancias. Es por esta razón que se decidió que el caso específico debe ser en el área de transporte masivo. Específicamente se escogió el tranvía.. El tranvía tiene todas las ventajas mencionadas en la sección anterior y tiene la característica de ser un vehiculo puramente eléctrico. Por tanto este caso específico no va a contaminar con emisiones de CO2. Este tranvía va a tener una ventaja más y es el frenado regenerativo, mencionado para todos los vehículos eléctricos de transporte masivo. Con las características expuestas en las secciones anteriores, se decidió que el proyecto iba a enfocarse por el lado de los vehículos con motor eléctrico y más específico con sistemas de alimentación por medio de catenaria. Se consideraron entonces dos opciones, el bus troley y el tranvía. Con los datos provenientes de la información que se tenía, se decidió que era mejor emplear como caso específico el tranvía. Esto se dio en parte porque el tranvía puede transportar un número mayor de personas, lo cual sería ideal si en trabajos futuros se desea tomar este proyecto como base.. 4.2. Diagrama General. 4.2.1. Diagrama General Tradicional. Fig. 14. Diagrama General Sin Frenado Regenerativo. Página 4-23 de 48.

(27) Ingeniería Electrónica. En el diagrama general que se muestra en la Fig. 14, se puede observar como es la disposición de los elementos como conjunto. En primer lugar, se va a analizar este sistema, el cual es un sistema tradicional sin utilizar las características de frenado regenerativo. Los elementos mostrados en el diagrama son básicamente los mencionados en el área de transporte masivo.. En este diagrama se incluyen los filtros necesarios para que la señal a la entrada del rectificador mejore y que a la salida del rectificador la señal sea una línea DC limpia. El filtro a la salida del rectificador es muy importante dado que con la señal que salga del rectificador se van a alimentar cargas DC auxiliares y el inversor. En el caso que estamos analizando, la línea de alimentación a la entrada es AC monofásica y el motor es AC.. Tiene también un sistema de frenado tradicional, en el cual hay un conversor bidireccional AC-DC que permite conectar las resistencias de frenado. Estas resistencias disipan la energía en forma de calor cuando el vehiculo frena.. También hay otros tipos de configuraciones en las cuales se utilizan líneas DC. En la actualidad, la tendencia es a pasar de líneas DC a las AC. Las AC tienen la principal ventaja de ser mejores desde el punto de vista de transmisión, ya que puede ser distribuida a altos voltajes, con cables conductores más pequeños. De hecho, para alimentación DC se deben tener cables grandes y pesados. Otra ventaja que tiene la alimentación AC es que necesita menos subestaciones que los DC, en algunos casos, la proporción es de 8 a 1. [11]. 4.2.2. Diagrama General Con Frenado Regenerativo. En general a lo largo del proyecto se ha definido el frenado regenerativo como la capacidad de utilizar la energía que se quema en las resistencias de frenado. En las Fig. 15 y Fig. 16 se puede observar que el diagrama base que se presentó en la Fig. 14 se mantiene pero con ciertos cambios. Estos cambios van. a permitir que se pueda. implementar el bloque de frenado regenerativo. Entre estos cambios están ciertas modificaciones que hay que hacerle al rectificador y un bloque adicional para el frenado. Página 4-24 de 48.

(28) Ingeniería Electrónica. Existen dos formas de realizar el frenado regenerativo. Una de ellas es regenerar la energía hacia la línea y la otra es regenerar y utilizar un elemento de almacenamiento. La ventaja de la primera es la de poder alimentar a otros vehículos que estén en la misma línea en ese momento y la otra tendría como objetivo almacenar la energía y utilizarla en momentos como aceleración y arranque.. • Regeneración hacia la línea:. Fig. 15. Diagrama con Frenado Regenerativo (Hacia la Línea).. Este primer tipo de regeneración cuenta con un bloque de rectificación pero bidireccional. Esto permitiría que cuando haya frenado regenerativo, la energía pudiera fluir en el sentido contrario al de la alimentación. En este caso, la energía puede fluir en los dos sentidos. Generalmente, para que esto sea posible, se necesita que la energía que hay en el lado de motor sea superior al de la línea. En este caso, aunque se implemente un sistema de frenado regenerativo, es importante contar con las resistencias de frenado. No siempre la línea va a poder recibir la energía regenerada y por tanto, cuando esto no sea posible, esa energía debe disiparse de alguna manera y por tanto siempre deben estar en la topología Fig. 15.. Página 4-25 de 48.

(29) Ingeniería Electrónica. •. Regeneración con Almacenamiento:. Fig. 16. Diagrama con Frenado Regenerativo con Almacenamiento.. En este tipo de regeneración, se tiene una topología que requiere también de un rectificador bidireccional. Pero, en lugar de enviar la energía regenerada hacia la línea esta es guardada en un dispositivo de almacenamiento. En este caso, se va a utilizar el ultracapacitor que se estudió en los vehículos híbridos. Esta energía almacenada va a ser útil especialmente cuando sea necesario arrancar y acelerar. Los ultracapacitores van a almacenar esa energía regenerada, pero es importante nuevamente tener en cuenta las resistencias de frenado, ya que hay un límite para la capacidad de carga de los ultracapacitores y si estos están llenos es necesario eliminar la energía del frenado en forma de calor. Para el tranvía se va a implementar en primera instancia la regeneración con elemento de almacenamiento. Por tanto, la implementación a nivel de simulación se hará con la Fig.16 como base.. Página 4-26 de 48.

(30) Ingeniería Electrónica. 5 5.1. Implementación en PSCAD. Bloques a implementar y simular. Cada Bloque se simulará primero por separado y luego se unirán en el Sistema Total • Rectificador • Fuente PWM para IGBTS • Inversor • Sistema Total Motorización • Sistema Total Generación. 5.2. Rectificador:. Fig. 17. Esquemático del Rectificador.. Como se mencionó anteriormente, la labor que tiene el rectificador es la de convertir la señal AC monofásica a la entrada en una señal DC. En este caso, para efectos de la simulación, se le puso a la entrada una señal AC con voltaje pico de 600V. Se utilizaron 4 diodos para implementar un rectificador de onda completa. Después, a la salida, se le puso un filtro utilizando un condensador de valor muy alto, (1000uF), para que la salida Página 5-27 de 48.

(31) Ingeniería Electrónica. DC fuera limpia. Este resultado se puede apreciar en la Fig. 18. Esta opción es viable (diodos), debido a los bajos costos de mantenimiento y buen funcionamiento.. Fig. 18. Simulaciones del Rectificador. Página 5-28 de 48.

(32) Ingeniería Electrónica. 5.3. PWM [12]:. Para realizar este sistema de PWM, se utilizaron los bloques matemáticos de PSCAD. Como primera instancia, para poder hacer el PWM, se necesitaban 2 señales, una senoidal y una triangular. La senoidal iba a venir de la salida de una fuente AC y a entrar a un comparador, lo cual PSCAD no permite. Por tanto se decidió utilizar los bloques matemáticos como fuente (Señal senoidal) y funciones para lograr el objetivo de manejar los IGBT’S. Como entrada tiene entonces tres fuentes seno, las cuales están controladas externamente por fase, magnitud y frecuencia. Se van utilizar comparadores y una señal triangular controlada externamente por frecuencia. Se va a hacer la explicación sobre como se obtuvo este PWM para cada fase (Fig. 19). Primero, se toma la señal seno y se envía a un bloque de valor absoluto y a dos comparadores. En el primer comparador, a la entrada A se le pone la señal seno y a la entrada B se le pone un cero a la entrada. Con el segundo comparador se hace lo mismo, solo que en la A se pone cero y en la B se une la señal seno. Con el bloque de valor absoluto, vamos a obtener como una de las salidas lo que obtendríamos de un rectificador de onda completa de esa señal seno (Señal VA Fig. 20). A la salida del primer comparador se obtiene la señal VC, que puede ser observada en la Fig. 21. A la salida del segundo comparador se obtiene la señal VD, la cual es parecida a VC, solo que para el otro semiciclo. La salida del valor absoluto (VA) y la señal del primer comparador se ponen de entrada a un multiplicador. El resultado de esa operación es la señal llamada “Salida” que es un rectificador de media onda, el cual se muestra en la Fig. 22. Esta salida se pone en un comparador a la entrada junto con la señal Carrier Triangular. La salida de este comparador es la señal SC, la cual es una de las seis salidas que se van a tener del PWM para controlar los IGBT’S. Por cada fase se obtienen dos señales de control para el inversor. La señal SC puede ser observada en la Fig. 23.. Fig. 19. Esquemático del PWM para 1 Fase. Página 5-29 de 48.

(33) Ingeniería Electrónica. Fig. 20. Señal VA.. Fig. 21. Señal VA.. Fig. 22. Señal Salida.. Página 5-30 de 48.

(34) Ingeniería Electrónica. Fig. 23. Señal SC.. Fig. 24. Esquemático del PWM para las 3 Fases.. Página 5-31 de 48.

(35) Ingeniería Electrónica. Fig. 25. Simulación del PWM Fase A Negativa.. Fig. 26. Simulación del PWM Fase A Positiva.. 5.4. Inversor:. Para la implementación del inversor, se van a utilizar seis IGBT’S con sus respectivos circuitos de snuber. En este caso, se simuló una fuente DC para hacer una simulación solo de este bloque. Al hacer la simulación del sistema total, este bloque estaría alimentado por la salida del filtro del rectificador. En este caso, la carga que se le puso al inversor fue una carga resistiva. Al hacer la simulación del sistema total, las simulaciones se harán con el motor como carga. En las figuras 28, 29 y 30 se pueden observar las salidas del inversor (Entradas al motor AC). Página 5-32 de 48.

(36) Ingeniería Electrónica. Fig. 27. Esquemático del Inversor.. Fig. 28. Simulaciones del Inversor Salida AB.. Fig. 29. Simulaciones del Inversor Salida AC. Página 5-33 de 48.

(37) Ingeniería Electrónica. Fig. 30. Simulaciones del Inversor Salida BC.. 5.5. Sistema Total Motorización:. Las características generales del sistema para mover el motor son las siguientes: Voltaje AC a la entrada:. 1.2KV AC. Voltaje en el eslabón DC:. 1.8KV DC. En este sistema se combinan los elementos vistos anteriormente. Primero esta el rectificador, el filtro DC, el inversor controlado por PWM y el motor de jaula de ardilla. El motor funciona con un variador de velocidad sensible a la frecuencia. Al variar la frecuencia en el control PWM, la velocidad del motor va a variar también. El esquemático que se implementó en PSCAD se puede observar en la Fig. 31.. Fig. 31. Circuito Total Motorización. Página 5-34 de 48.

(38) Ingeniería Electrónica. La gráfica que muestra la variación de la velocidad dependiendo de la variación de la frecuencia se puede observar en la Fig. 32.. Los diodos que están conectados en. antiparalelo con los IGBTS van a ser utilizados al momento de hacer la regeneración. Cuando la energía fluye de la línea hacia el motor, el PWM controla a los IGBTS. Pero, cuando se esta realizando regeneración de energía con el frenado, los IGBTS se deben apagar y los diodos van a funcionar como un conversor AC-DC para cargar un ultracapacitor. La linealidad de la gráfica de frecuencia y velocidad se debe a la retroalimentación que se le puso en la entrada w del motor que se muestra en la Fig. 31.. Fig. 32. Gráfica de Frecuencia y Velocidad.. 5.6. Sistema Total de Generación:. Para simular el sistema de regeneración, se utilizó un generador sincrónico. La idea es que este generador simula lo que sería el frenado regenerativo y por tanto al generar energía proveniente del frenado, esta va a pasar por el conversor AC-DC y va a cargar el ultracapacitor (Fig. 33). Esta energía va a ser almacenada y cuando sea necesario (aceleración o arranque) se puede utilizar.. Página 5-35 de 48.

(39) Ingeniería Electrónica. Fig. 33. Esquemático de generación.. La Fig. 34 muestra como se carga el ultracapacitor una vez se comienza la generación. El cargar el ultracapacitor evita pérdidas en el frenado. Para esto, es necesario que los IGBTS del inversor estén apagados. Cuando están apagados y el motor esta funcionando como generador, los diodos que se encuentran en antiparalelo con el IGBT funcionan como un conversor AC-DC, el cual envía la energía del motor al ultracapacitor. Una vez se tiene la energía almacenada en el ultracapacitor es necesario poder sacarla y que el motor la utilice.. Para descargar el condensador es necesario tener un conversor DC-DC tipo boost (estudiado anteriormente en el estado del arte). La idea de este circuito es descargar el ultracapacitor y transferir la energía nuevamente hacia el inversor para que pueda funcionar el motor con la energía regenerada. El circuito que se implementó para este efecto se muestra en la Fig. 34. Dado que en el programa PSCAD no se le pueden establecer condiciones iniciales a los condensadores, fue necesario utilizar una fuente DC ideal y ubicar un breaker para cargar el ultracapacitor y después de esto, abrirlo y descargar la energía.. Página 5-36 de 48.

(40) Ingeniería Electrónica. Fig. 34. Circuito boost simulado.. El control del IGBT para el circuito Boost se muestra en la Fig. 35.. Fig. 35. Control IGBTS.. S utilizó un generador de pulsos a una frecuencia de 35KHz. Con una configuración sin retroalimentación, se lograba aumentar el voltaje y para estabilizarlo se utilizaron los dos bloques inferiores. El voltaje RMS sobre el condensador se compara con el valor de 1.8KV, en el cual se desea estabilidad. La variación de esa estabilización no debe variar más de 0.0001V y para eso se utilizó el último bloque.. Los resultados de la simulación de la descarga del ultracapacitor y carga del capacitor del circuito Boost se puede observar en la Fig. 36. Los elementos de este circuito fueron obtenidos de las notas de aplicación National Semiconductors del Lm 3524. En la Fig. 36, se puede observar la curva del ultracapacitor. En el primer segundo, el ultracapacitor se carga gracias a la fuente que se le ha conectado. Después de eso, cuando se abre el breaker, se cierra el segundo breaker y el ultracapacitor queda conectado al resto del circuito. En ese momento, el ultracapacitor comienza a descargarse como se puede Página 5-37 de 48.

(41) Ingeniería Electrónica. observar en la Fig. 36. En la Fig. 37, se observa la carga del capacitor del circuito y como a medida que el ultracapacitor se descarga, este se carga. Esta energía se enviará al inversor para mover el motor.. Fig. 36. Descarga Ultracapacitor.. Fig. 37. Carga del Condensador (Boost).. Página 5-38 de 48.

(42) Ingeniería Electrónica. 6. Conclusiones. Para el estado del arte inicial que se realizó, se encontró que en cuanto a vehículos particulares, los híbridos llevan la delantera. En cuanto a aprovechamiento de la energía, los eléctricos siempre han sido mejores aunque no han entrado aún al mercado de forma significativa. El vehículo híbrido es el paso a dar antes de llegar a topologías exclusivamente eléctricas. Los de celdas de combustible, tienen una gran ventaja en cuento a eficiencia, pero el costo sigue siendo muy alto. Debido a que las tecnologías actuales de baterías para computadores han ido avanzando, es posible que junto a ella la de los vehículos de celdas de combustible también mejore y pueda llegar a ser más accesible. En vehículos de transporte masivo, los vehículos eléctricos son los que llevan la delantera. No solo aprovechan mejor la energía por su motor eléctrico, sino que también tienen una vida útil mejor que los de tecnologías actuales. El problema es la inversión inicial, pero a largo plazo muestran que requieren menos mantenimiento.. En cuanto a elementos utilizados, el rectificador de diodos se escogió por su sencillez y fácil mantenimiento. El filtro de 1000uF se utilizó para mejorar la señal de entrada al inversor. Los 6 IGBTS del inversor se escogieron por su rapidez de switcheo. Los diodos que están en antiparalelo en el inversor, se utilizaron como conversor AC-DC para la regeneración.. La herramienta que se utilizó para realizar las simulaciones (PSCAD) tiene unos modelos muy interesantes para motores y generadores, pero no todos se ajustaron a las necesidades de este trabajo. Especialmente el hecho de no poder simular el frenado regenerativo en un mismo esquemático, sino que fue necesario utilizar bloques de motorización y generación.. Para. el. frenado. regenerativo,. se. utilizó. un. componente. de. almacenamiento. (ultracapacitor) que permite almacenar energía y utilizarla en momentos como aceleración y arranque. Para ello, es importante que la máquina que inicialmente se comporta como Página 6-39 de 48.

(43) Ingeniería Electrónica. motor, se comporte como un generador. Las resistencias de frenado no deben faltar en el diseño, ya que puede que el condensador esté totalmente cargado y por tanto no pueda almacenar más energía, siendo necesario eliminarla en forma de calor.. Se deben tener en cuenta que dependiendo de las características que se le adjudiquen al tranvía, los elementos van a cambiar. Hay que tener en cuenta los aspectos de aceleración, velocidad final, masa, etc. Es posible lograr diferentes niveles de eficiencia en la regeneración, dependiendo de los elementos que se utilicen. En este caso, se utilizó un ultracapacitor de 25mF.. Dependiendo de si se desea o no tener sistema de frenado regenerativo, los elementos de la topología principal van a cambiar. Para este tipo de regeneración, se utiliza un conversor AC-DC para cargar el ultracapacitor y para descargarlo un circuito boost. Para otros tipos de regeneración, también hay que hacer cambios en los elementos principales. Los niveles de voltaje fueron escogidos de tal forma que en el eslabón DC no se superaran los 2KV. En el estado del arte actual, se consiguen IGBTS para estos niveles de voltaje, se pueden hacer con voltajes más altos pero se incrementa el costo debido a la tecnología que hay que utilizar.. En el caso particular de Colombia, con gran generación hidroeléctrica la ventaja del sistema eléctrico de transporte es obvia. Este trabajo se ha centrado en los aspectos técnicos del problema. De vital importancia también es el aspecto político tanto a nivel local como nacional, dirigido a crear las condiciones necesarias para la implementación de estos sistemas. Históricamente Bogotá ha experimentado con tranvías y troleys, ambos lamentablemente desaparecidos.. Para trabajos futuros, es importante que también se investiguen las líneas de alimentación así como el diseño de las subestaciones para estos vehículos eléctricos. A nivel de vehículos particulares, se puede profundizar en las configuraciones de las baterías y cómo se va a realizar la migración a voltajes superiores. Sería interesante también profundizar en el otro tipo de frenado regenerativo hacia la línea. Página 6-40 de 48.

(44) Ingeniería Electrónica. 7. REFERENCIAS. [1] A. Emadi, S. Williamson, and A. Khaligh, “Power Electronics Intensive Solutions for Advanced Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicular Power Systems,” IEEE Trans. Power Electronics.,Vol. 21, No.3, pp. 567-577, May 2006,. [2] D. Darlin, B. J. Feder “Need for Batery Power Runs Into Basic Hurdles of Science ”, New York Times, Agosto 16 de 2006. Disponible: http://www.nytimes.com/2006/08/16/technology/16battery.html?ex=1313380800&en=7ed3 b0fb7d3a93cb&ei=5088&partner=rssnyt&emc=rss [3] Karin Jonasson, “Control of Hybrid Electric Vehicles with Diesel Engines”, Hybrid Systems, Lund University, Doctoral Dissertation in Industrial Electrical Engineering, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation, Chapter 2, pp7-17 [4] Juan W. Dixon, Micah Ortúzar and Jorge Moreno, “DSP Based Ultracapacitor System for Hybrid-Electric Vehicles”, Department of Electrical Engineering, Catholic University of Chile, pp. 2 [5]Juan W. Dixon, Micah Ortúzar and Eduardo Wiechmann, “Regenerative Breaking for an Electric Vehicle Using Ultracapacitors and a Buck-Boost Converter”, Department of Electrical Engineering, Catholic University of Chile, pp [6]National Semiconductor, Application Notes 556, “Introduction to Power Supplies”, September 2002. [7] Disponible en: www.trimet.org/about/environment/hybridbus.htm [8] Disponible en: www.southernelectric.org.uk/ [9] Disponible en: www.tbus.org.uk/home.htm [10] Disponible en: www.tramvia.org [11] Disponible en: www.railway-technical.com/tract-02.html [12] SCR Application Handbook, Bixby, Borst, Carver, Connolly, Parrich, Rosa, Cooper, Durnya, Gault, Gift, 1977, Cap 8, Pg. 283-312.. Referencias Lectura: [13] Key developments for supercacitive energy storage: Power Electronic converters, systems and controls, Rufer, Barrade. [14] Energy Storage Devices in Railway Systems, Chymera, Renfrew, Barnes. [15] Hybrid vehicle in railway applications: supercapacitive energy storage for diesel electric locomotives, Barrade, Destraz, Rufer. [16] Design and Implementation of a Hybrid Energy Supply System for Railway Vehicles R. Li, A. Pottharst, N. Fröhleke, J. Böcker [17] Ultracapacitorsand Batteries for Energy Storage in Heavy-Duty Hybrid-Electric Vehicles -THE 22nd INTERNATIONAL BATTERY SEMINAR & EXHIBIT. Página 7-41 de 48.

(45) Ingeniería Electrónica. 8 8.1. Anexos. Cálculos de elementos utilizados. Para realizar estos cálculos se tuvieron en cuenta las siguientes condiciones iniciales: Características Tranvía. Valor. Peso Tranvía. 6200Kg. Peso Promedio Pasajeros. 60Kg. Pero Total. 1580Kg. Velocidad del Tranvía. 40Km/h. Carga Inicial Ultracapacitor. 0V. Voltaje Catenaria. 1.2KV AC. Voltaje en el Eslabón DC. 1.8KV DC. Eficiencia. 60%. Aceleración de Frenado. -0.11g. Aceleración de Arranque. 0.15g. Fuerza necesaria para mover el tranvía:. F = ma F = (1612.24 Kg )(0.15 * 9.8m / s 2 ) F = 2370 N Trabajo necesario para mover el tranvía 1 metro:. Fd 2370 N * 1m W = 0.6 W = 3950 J W =. Página 8-42 de 48.

(46) Ingeniería Electrónica. Cálculo del Ultracapacitor:. 1 2 cv 2 2E c= 2 v c = 2.44mF E=. Para que el ultracapacitor tenga la energía suficiente para mover el vehiculo hasta una velocidad de 25Km/h, se necesita un c = 18.45mF . Para no estar al borde de los cálculos, se asumirá un ultracapacitor de 25mF.. Utilizando las siguientes ecuaciones y las condiciones iniciales, se obtuvo la tabla de energías para comparar el aprovechamiento de la energía con y sin frenado regenerativo. Estos cálculos fueron realizados en el programa Excel: Ecuaciones Utilizadas:. v = at 1 2 mv 2 1 Ecap = cV 2 2 Ec =. Tabla de Energías:. Tiempo (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. V Tranv (m/s) 11.11 8.954 7.876 6.798 5.72 4.642 3.564 2.486 1.408 0.33. Página 8-43 de 48. EcTranv(J) 99501.08 64629.96 50004.73 37253.07 26374.96 17370.41 10239.41 4981.98 1598.10 87.79. Ecap posible (J) 0.00 34871.12 49496.35 62248.01 73126.12 82130.67 89261.67 94519.10 97902.98 99413.29. Vcaposible (V) 0.00 1670.24 1989.90 2231.56 2418.70 2563.29 2672.25 2749.82 2798.61 2820.12. Vcap (V) 0.00 1670.24 1800.00 1800.00 1800.00 1800.00 1800.00 1800.00 1800.00 1800.00. Ecap Real (J) 0.00 34871.12 40500.00 40500.00 40500.00 40500.00 40500.00 40500.00 40500.00 40500.00. E Perdida R (J) 0.00 0.00 8996.35 21748.01 32626.12 41630.67 48761.67 54019.10 57402.98 58913.29.

(47) Ingeniería Electrónica. Gráfica del frenado del Tranvía:. Frenado del Tranvia 12. Velocidad (m/s). 10. 8. 6. 4. 2. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. Tiempo (s). Gráfica de Balance de Energías para el Tranvía:. Balance Energético Ultracapacitor-Resistencias Durante Frenado Regenerativo 70000.00 60000.00. Energía (J). 50000.00 40000.00 30000.00 20000.00 10000.00 0.00 0. 2. 4. 6 Tiempo (s). Página 8-44 de 48. 8. 10. 12.

(48) Ingeniería Electrónica. Los cálculos de frenado también se realizaron con una aceleración de 0.2g, para lo cual se obtuvo lo siguiente:. 1 2 mv 2 1 Ec = (1612.24 Kg )(11.11m / s ) 2 2 Ec = 99501J Ec =. Con un frenado tradicional, esta es la energía que se va a perder al frenar el tranvía a 40km/h con las condiciones mencionadas. Si se utiliza el frenado regenerativo con el ultracapacitor de 25mF, los cálculos son los siguientes:. 1 2 cv 2 Euc = 0.5 * (0.025 F ) * (1800) 2 Euc =. Euc = 40500 J Por tanto, si se carga el ultracapacitor, se salva el 41% de la energía. Si no se utiliza, la totalidad de la energía se habría perdido. Para velocidades menores, es posible recuperar un mayor porcentaje.. Página 8-45 de 48.

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