Electrónica de Potencia: Presente y futuro de una industria referente

Presentación
Tracción Eléctrica Ferroviaria
Electrónica de Potencia: Presente y futuro de una
industria referente en Euskadi
TRACCION ELECTRICA FERROVIARIA
Universidad de Mondragón, 10 de Junio de 2011
Txomin Nieva
Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria
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Índice
1.- Trainelec
2.- Sistema de Tracción de un Tren
3.- Convertidor de Tracción
4.- Sistema de Acumulación Embarcado
5.- Ingeniería y rol de la Electrónica de Potencia
6.- Conclusiones
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TRAINELEC – Qué es y qué hace?
• Ingeniería de electrónica de potencia especializada en el diseño y construcción de equipos
de tracción ferroviarios.
• Proveedor de soluciones de tracción a constructores de material móvil en general.
• Parte del grupo CAF.
• Cubre todo el ciclo de vida del producto (ingeniería, montaje y mantenimiento).
• Experiencia en integración en tren.
• Flexibilidad para ajustarse a las necesidades del cliente y tren.
• Alta capacidad de ingeniería.
• Certificación UNE-EN ISO 9001:2000.
• Certificación IRIS en proceso.
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TRAINELEC – Dónde estamos?
• Sede central en Irura. 3310 m2 dividido en 2 pabellones.
• 2013, nueva infraestructura para albergar el crecimiento previsto: 2400 m2 de taller + 3345 m2 de oficinas.
• Instalaciones de ensayo en Beasain:
* Fuentes DC fijas: 750, 1500 y 3000Vdc
* Fuente DC regulable (0-4000 Vdc) de 2MW
* Fuente AC regulable (10–31 kV, 15–62 Hz)
* 5 áreas de ensayo independientes.
* Bancada sísmica polimotórica.
* Instrumentación y monitorización.
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Sistema de Tracción de un Tren
EJEMPLO DE COMPOSICION DE UN TREN
COCHE MOTOR CON CABINA: M
M+M
COCHE MOTOR SIN CABINA: N
COCHE REMOLQUE: R
M+R+M
M+N+R+M
M+N+R+N+M
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Sistema de Tracción de un Tren - Esquema de Alta Típico
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
PANTOGRAFO
Captación de energía de catenaria
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
PARARRAYOS
Protección ante sobretensiones
provenientes de catenaria o inducidas
por la cadena de tracción
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
COFRE SECCIONADORES
Maniobra seguridad para puesta a tierra
de la cadena de tracción mediante una
secuencia de llaves
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
DISYUNTOR
Apertura/cierre del circuito de
potencia ante sobrecorrientes
inesperadas o cortocircuitos
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
FILTRO DE RED
Filtro LC para limitar el vertido armónico
a catenaria y proteger al equipo de
sobretensiones provenientes de
catenaria.
Normalmente se utiliza el condensador
de bus como condensador de filtro
Construcción: Núcleo de Aire o Hierro
Refrigeración: Natural o Forzada
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
RESISTENCIAS DE FRENO
Funciones:
- Disipar la energía Cinética de frenado
- Estabilizar la tensión de bus
Montaje:
- Bajo bastidor o Techo
Refrigeración:
- Forzada Aire
- Natural
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
MOTORES
Funciones: proporcionar la propulsión
mecánica al tren.
Tipo de motores:
- Motor Asíncrono (actualmente utilizado)
- Motor Síncrono PMSM (en estudio)
Tipos de refrigeración.
- Autoventilado Abierto
- Autoventilado Cerrado
- Ventilación Forzada de Aire
- Ventilación Forzada de Agua
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Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales
CONVERTIDOR DE TRACCION
Funciones:
- Alimentación de los motores
- Lógica de control
- Protecciones contra sobretensiones o
sobrecorrientes peligrosas para el equipo
Montaje:
- Bajo bastidor o Techo
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Convertidor de Tracción – Ejemplos
Rango de tensión DC de funcionamiento: 2000 V – 3600 V.
Potencia nominal: 1200 kW.
Eficiencia: > 0,98.
Peso. 1100 kg (sin incluir reactancias).
Hasta 4 motores en paralelo.
Núcleo de potencia compacto basado en IGBTs de 6,5 kV.
Refrigeración líquida basada en agua y glycol.
Convertidor de tracción montado en:
Indicado para trenes regionales
CIVIA. 2007
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Convertidor de Tracción – Ejemplos
Rango de tensión DC de funcionamiento: 1000 V – 1800 V.
Potencia nominal: 600 kW.
Eficiencia: > 0,98.
Peso. 500 kg.
Hasta 4 motores en paralelo.
Núcleo de potencia basado en IGBTs de 3,3 kV.
Refrigeración natural basada en Heat pipe.
Convertidor de tracción montado en:
Indicado para metros y trenes regionales
BARCELONA. 2007
MALLORCA. 2010
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Convertidor de Tracción – Ejemplos
Rango de tensión DC de funcionamiento: 1000 V – 1800 V.
Potencia nominal: 1200 kW.
Eficiencia: > 0,98.
Peso. 900 kg.
Hasta 4 motores en paralelo.
Núcleo de potencia basado en IGBTs de 3,3 kV.
Refrigeración natural basada en Heat pipe.
Convertidor de tracción montado en:
Indicado para metros y trenes regionales
BILBAO. 2008
EUSKOTREN. 2010
MEDELLIN. 2010
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Convertidor de Tracción – Ejemplos
Rango de tensión DC de funcionamiento: 500 V – 900 V.
Potencia nominal: 788 kW.
Eficiencia: > 0,98.
Peso. 1200 kg.
Hasta 4 motores en paralelo.
Núcleo de potencia basado en IGBTs de 1,7 kV.
Refrigeración por aire forzado.
Convertidor de tracción montado en:
Indicado para metros y tranvías
CARACAS. 2010
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Convertidor de Tracción – Ejemplos
Rango de tensión DC de funcionamiento: 500 V – 900 V.
Potencia nominal: 300 kW.
Eficiencia: > 0,98.
Peso. 710 kg.
Hasta 4 motores en paralelo.
Núcleo de potencia basado en IGBTs de 1,7 kV.
Refrigeración por aire forzado.
Convertidor de auxiliares y cargador de batería integrado.
Convertidor de tracción montado en:
VITORIA. 2007
ZARAGOZA. 2010
SEVILLA. 2009
GRANADA. 2011
Indicado para tranvías
MÁLAGA. 2010
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Convertidor de Tracción – Ejemplos
Rango de tensión AC de funcionamiento: 19 kV – 27.5 kV.
Potencia nominal: Depende de los requerimientos del
proyecto.
Núcleo de potencia basado en IGBTs de 4,5 kV.
Refrigeración líquida basada en agua y glycol.
Convertidor de Tracción montado en:
Indicado para locomotoras
INDIA. 2011
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Greentech. Sistema de Almacenamiento Energético
Sistema de almacenamiento embarcado basado en supercondensadores y
baterías. Tecnología Híbrida.
Eficiencia Energética
* Optimización del suministro de energía
* Ahorro energético aproximado 35%
Circulación sin Catenaria
* Permite a los vehículos circular en tramos sin
catenaria
* Reducción de la contaminación visual
* Reducción de la inversión en infraestructura
> Aplicable a cualquier plataforma de vehículo articulado.
* Hasta 1400 metros en modo de operación sin
> Proceso de carga rápida, se requieren sólo 20 segundos
catenaria
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Greentech. Sistema de Almacenamiento Energético
EL SISTEMA ACR PERMITE INTEGRAR SUPERCONDENSADORES Y BATERÍAS
(2x EQUIPOS PARA UN LRV DE 32MTS)
• Convertidor DC/DC: Gestiona la carga y descarga de los supercondensadores/baterias.
Baterias
Supercondensadores
Supercondensadores
Sistema ACR modular y
configurable. Es adaptable
a cada aplicación.
Baterías
Útil: hasta 2x 3.875kWh
ENERGÍA
Total: hasta 2x 5.16kWh
Hasta 2x 15kWh
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Greentech. Sistema de Almacenamiento Energético
TRANVÍA CONVENCIONAL
TRANVÍA SIN CATENARIA
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Greentech. Sistema de Almacenamiento Energético
> Equipado con tecnología Greentech, actualmente en servicio comercial
> 78 recorridos diarios son llevados a cabo en el tramo sin catenaria
> Aproximadamente 5200 Kms. (3230 millas) se han completado en modo de operación sin catenaria
Video
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Ingeniería
¾El equipo técnico está formado por más de 80 ingenieros.
> Organizado por proyectos y áreas
Áreas de conocimientos:
• Electrónica de Potencia (PW)
• Hardware de control (HW)
• Diseño Electro-mecánico (EM)
• Software de control & aplicación
(SW)
Áreas soporte:
• Validación (V&D)
• RAMS
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Ingeniería – Potencia
Definición de topologías de potencia
Topologías inversor etapa motor
Inversor Binivel
Inversor Trinivel
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Ingeniería – Potencia
Definición de topologías de potencia
Topologías convertidor etapa entrada (ECE)
Puente en H
Multi-nivel NPC
Semiconductores
serie
Convertidores
paralelo
Semiconductores
paralelo
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Ingeniería – Potencia
Dimensionamiento y selección de componentes de potencia
IGBTs
SENSORIZACIÓN
CONTACTORES
BUSBAR
RESISTENCIAS
CONDENSADORES
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Ingeniería – Potencia
Dimensionamiento y diseño de sistemas de refrigeración
AIRE FORZADO
NATURAL
LIQUIDO
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Control
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Ingeniería – Potencia
Definición de estrategias de control
ISC
DSCA
TLC
DSCW
Pot
V
Par
Flujo
V2 [010]
βa
V6 [110]
A
1
0.8
V
0.6
0.4
ψh1
0.2
0
- 0.2
2ºsext.
- 0.4
- 0.6
- 0.8
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 .5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.1
0.2
0.3
0.4
0 .5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0.1
0.2
0.3
0.4
0 .5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
3ºsext.
V3 [011]
1ºsext.
ψs
1
4ºsext.
0
0
1
0
0
βb
V4 [100]
6ºsext.
5ºsext.
βc
1.5
1
0.5
0
- 0.5
-1
- 1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 .5
Tim e (s )
0.6
0.7
0.8
0.9
1
B
V1 [001]
V5 [101]
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Control
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Conclusión - Retos
Tecnológicos
• Nuevas arquitecturas de potencia.
• Nuevos semiconductores de potencia.
• Equipos más compactos y eficientes.
• Pero sobre todo … Fiabilidad, fiabilidad, fiabilidad
Comerciales
• Internacionalización.
• Equipos competitivos.
• Capaz de competir con potencias “emergentes” (China, India, Brasil, etc.)
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Conclusión - Cómo lo vamos a conseguir
• Inversión continuada en I+D+i.
• Colaboraciones con centros de desarrollo y universidades de primer orden.
• Apoyos de las instituciones (soporte al I+D+i).
• Algo de suerte.
• Pero sobre todo ... un equipo humano “de primera”:
• Ingenieros bien preparados.
• Capacidad de trabajo en equipo.
• Motivados, ilusionados, e involucrados
• Iniciativa y que aporten ideas a la empresa.
• Dinámico y creativo.
• Con ganas de trabajar y de competir en un mercado global.
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Gracias por su atención
T + 34 943 69 08 70 · F + 34 943 69 09 10
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Presentación Corporativa
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Referencias Tranvía
750 VDC – VITORIA. 2007
750 VDC – SEVILLA. 2009
750 VDC – MÁLAGA. 2010
> Número de convertidores: 22
> Número de convertidores: 10
> Número de convertidores: 28
> Configuración tren: M-S-R-S-M
> Configuración tren: M-S-R-S-M
> Configuración tren: M-S-R-S-M
> Velocidad máxima: 70 km/h
> Velocidad máxima: 70 km/h
> Velocidad máxima: 70 km/h
> Aceleración: 1.2 m/s2 (0-35 km/h)
> Aceleración: 1.2 m/s2 (0-35 km/h)
> Aceleración: 1.2 m/s2 (0-35 km/h)
> Freno de servicio: 1.25 m/s2
> Freno de servicio: 1.25 m/s2
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Freno de emergencia: 2.5-3.5 m/s2
> Potencia nominal tren: 560 kW
> Potencia nominal tren: 560 kW
> Potencia nominal tren: 480 kW
> 2 bogies motores (4 motores por bogie)
> 2 bogies motores (4 motores por bogie)
> 2 bogies motores (4 motores por bogie)
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> Convertidor doble (2 núcleos) de 300 kW
> Convertidor doble (2 núcleos) de 300 kW
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> Convertidor doble (2 núcleos) de 300 kW
Presentación Corporativa
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Referencias Tranvía (II)
750 VDC – ZARAGOZA. 2010
750 VDC – GRANADA. 2011
> Número de convertidores: 42
> Número de convertidores: 26
> Configuración tren: M-S-R-S-M
> Configuración tren: M-S-R-S-M
> Velocidad máxima: 70 km/h
> Velocidad máxima: 70 km/h
> Aceleración: 1.2 m/s2 (0-35 km/h)
> Aceleración: 1.2 m/s2 (0-35 km/h)
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Potencia nominal tren: 560 kW
> Potencia nominal tren: 560 kW
> 2 bogies motores (4 motores por bogie)
> 2 bogies motores (4 motores por bogie)
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> Convertidor doble (2 núcleos) de 300 kW
> Convertidor doble (2 núcleos) de 300 kW
Presentación Corporativa
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Referencias Metro
1500 VDC – BILBAO. 2008
1500 VDC – BARCELONA. 2007
750 VDC – CARACAS. 2010
> Número de convertidores: 36
> Número de convertidores: 4
> Número de convertidores: 288
> Configuración tren: M-N-N-M / M-N-R-N-M
> Configuración tren: M-N-R-N-M
> Configuración tren: M-N-N-R-N-N-M
> Velocidad máxima: 80 km/h
> Velocidad máxima: 80 km/h
> Velocidad máxima: 80 km/h
> Aceleración: 1.15 m/s2 (0-40 km/h)
> Aceleración: 1.0 m/s2 (0-40 km/h)
> Aceleración: 1.3 m/s2 (0-40 km/h)
> Freno de servicio: 1.2 m/s2 (0-50 km/h)
> Freno de servicio: 1.2 m/s2 (0-50 km/h)
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Freno de emergencia: 1.3 m/s2
> Freno de emergencia: 1.3 m/s2
> Potencia nominal tren: 4800 kW
> Potencia nominal tren: 2880 kW
> Potencia nominal tren: 2000 kW
> 12 bogies motores (2 motores por bogie)
> 8 bogies motores (2 motores por bogie)
> 8 bogies motores (2 motores por bogie)
> 4 convertidores de tracción, 16 motores
por tren
> 4 convertidores de tracción, 16 motores
por tren
> 6 convertidores de tracción, 24 motores
por tren
> Convertidor doble (2 núcleos) de 1200 kW
> Convertidor simple (1 núcleo) de 600 kW
> Convertidor doble (2 núcleos) de 1100 kW
Presentación Corporativa
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Referencias Metro (II)
1500 VDC – MEDELLÍN. 2010
> Número de convertidores: 26
> Configuración tren: M-R-M
> Velocidad máxima: 80 km/h
> Aceleración: 1.0 m/s2
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Potencia nominal tren: 1600 kW
> 4 bogies motores (2 motores por bogie)
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> Convertidor doble (2 núcleos) de 1200 kW
Presentación Corporativa
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Referencias Tren Regional
3000 VDC – CIVIA. 2007
1500 VDC – MALLORCA. 2010
1500 VDC – EUSKOTREN XXI. 2010
> Número de convertidores: 2
> Número de convertidores: 47
> Número de convertidores: 60
> Configuración tren: M-M
> Configuración tren: M-N-M / M-N-N-M
> Configuración tren: M-R-M / M-R-R-M
> Velocidad máxima: 120-140 km/h
> Velocidad máxima: 100 km/h
> Velocidad máxima: 100 km/h
> Aceleración: 1.1 m/s2
> Aceleración: 1.1 m/s2
> Aceleración: 1.1 m/s2
> Freno de servicio: 1.1 m/s2
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Freno de emergencia: 1.3 m/s2
> Potencia nominal tren: 1500 kW (2000 kW)
> Potencia nominal tren: 1440 kW
> Potencia nominal tren: 2400 kW
> 6 bogies motores (8 bogies motores),
2 motores por bogie
> 4 bogies motor (2 motores por bogie)
> 2 bogies motores (2 motores por bogie)
> 2 convertidores de tracción, 4 motores
por tren
> Convertidor simple (1 núcleo) de 1200 kW
> 3 convertidores de tracción, 12 motores
(4 convertidores de tracción, 16 motores)
por tren
> Convertidor simple (1 núcleo) de 600 kW
> 2 convertidores de tracción, 8 motores
por tren
> Convertidor doble (2 núcleos) de 1200 kW
Presentación Corporativa
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Referencias Tren Regional (II)
750 VDC / 3000 VDC – CÁDIZ. 2011
> Número de convertidores: 14
> Configuración tren: M-MR-M
> Velocidad máxima: 100 km/h (tren),
70 km/h (tranvía)
> Aceleración: 1.06 m/s2 (0-40 km/h)
> Freno de servicio: 1.2 m/s2
> Potencia nominal tren: 1140 kW
> 3 bogies motores (2 motores por bogie)
> 2 convertidores de tracción, 6 motores
por tren
> Convertidor simple (1 núcleo) de 400 kW
Presentación Corporativa
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Referencias Locomotora
25 kVAC – INDIA. 2011
> Configuración tren: Bo-Bo / Co-Co
> Velocidad máxima: 160 km/h / 140 km/h
> Potencia nominal tren: 4600 kW / 5100 kW
> Número de ejes motorizados: 4 / 6
> 2 convertidores de tracción, 4 motores / 2
convertidores de tracción, 6 motores por tren
> Convertidor modular