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BcnRail INNOVA
Proyectos estratégicos ferroviarios de I+D+i
SRM Rail
Pere Andrada & Ignasi Perat
Nº Expediente: PTR-2014-0351
SRM RAIL
ACCIONAMIENTO CON MOTOR DE RELUCTANCIA AUTOCONMUTADO (SWITCHED
RELUCTANCE MOTOR) UNA ALTERNATIVA PARA LA TRACCIÓN ELÉCTRICA FERROVIARIA
BcnRail Innova 17 de noviembre 2015
Nº Expediente: PTR-2014-0351
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SRM RAILDesde 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.
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SRM RAILEn 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, 574.8 km/h,
utilizando dos bogíes con motores con imanes permanentes.
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Bogie AGV mostrando disposición motoressíncronos y detalle del rotor con imanes.FUENTE ALSTOM
SRM RAILAunque 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
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SRM RAIL
El proyecto SRM RAIL 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.
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SRM RAIL
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En 1843, 17 años antes que la compañía
Siemens Halske presentara su locomotora
en la feria comercial de Berlín, R. Davidsonconstruyó 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.
SRM UN INICIO PRECOZ
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SRM RAILSRM EL MOTOR ELÉCTRICO MÁS SIMPLE
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SRM RAILPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE RELUCTANCIA SRM
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SRM RAILNº Expediente: PTR-2014-0351
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SRM RAILNº Expediente: PTR-2014-0351
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SRM RAILSRM CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD IDEAL PARA LA TRACCIÓN ELÉCTRICA
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MAV (N·m)
MMMMAVAVAVAV = = = = KKKK////ωωωω
MMMMAVAVAVAV = = = = KKKK////ωωωω2222
ωN
Característica de par constante
Característica de potencia constante
Característica natural
MMMMAVAVAVAV = = = = KKKK
ω (rad/s)ωV
Control de corriente Control de corriente Control de corriente Control de corriente ((((HistéresisHistéresisHistéresisHistéresis) ) ) )
IIIIREFREFREFREF
Control de ángulos Control de ángulos Control de ángulos Control de ángulos ((((VariablesVariablesVariablesVariables))))
θθθθonononon,,,,θθθθoffoffoffoffSin ControlSin ControlSin ControlSin Control
Control de tensiónControl de tensiónControl de tensiónControl de tensión((((PWMPWMPWMPWM) ) ) )
DDDD
SRM RAILFUNCIONAMIENTO EN LOS 4 CUADRANTES
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SRM RAILVENTAJAS DE LOS ACCIONAMIENTOS CON SRM
� Simplicidad constructiva (rotor sin jaula de ardilla ni imanespermanentes)
� Su característica par velocidad se adapta muy bien a lasnecesidades de la tracción eléctrica
� Tolerancia a faltas.
� Diversos estudios han demostrado que el motor dereluctancia tiene rendimientos más altos y mayor densidad depar (Nm/kg) y de potencia (W/kg) que el motor asíncronotrifásico, aunque algo inferiores al motor síncrono con imanespermanentes.
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SRM RAILINCONVENIENTES 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.
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SRM RAIL
La finalidad de este proyecto es probar la viabilidad de losaccionamientos con SRM en tracción ferroviaria. Para ello sepropone diseñar, construir y ensayar un accionamiento con SRMpara una aplicación de tranvía o metro ligero con unasespecificaciones concretas que se adapten a este tipo devehículos:
� Potencia 120-150 kW.
� Tensión 400-800 V.
� Característica par velocidad de par constante deaproximadamente 750 Nm entre 0 y 2000 rpm y potenciaconstante de alrededor de 150 kW entre 2000 y 4500 rpm.
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SRM RAIL
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.
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SRM RAIL
EL PROYECTO COMPRENDERÁ
� Definición de las especificaciones del accionamiento para undeterminado vehículo ferroviario.
� Diseño del accionamiento incluyendo:
• El diseño del SRM evaluando diferentes alternativas comopor ejemplo SRM convencional con estructura 12/8 o SRMcon circuitos magnéticos cortos con estructura 12/10.
• Un dimensionamiento optimizado tanto electromagnéticocomo térmico y considerando, además, criterios deecodiseño.
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SRM RAIL
EL PROYECTO COMPRENDERÁ
� El diseño del convertidor electrónico de potencia.
� Las estrategias de control adecuadas al funcionamiento delvehículo ferroviario elegido, incluyendo el frenado, y laminimización del rizado de par y del ruido audible.
� Simulación del accionamiento incluyendo la línea decontacto, convertidor electrónico de potencia, motor y lasdiferentes estrategias de control consideradas.
� Construcción del accionamiento y ensayo en banco depruebas y condiciones de operación.
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SRM RAIL
CONCLUSIONES
� En el proyecto SRM RAIL se propone, en base a sus ventajas, alos 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 SRM RAIL pretende hacer una evaluación criticade los accionamientos SRM para tracción eléctrica diseñando,
construyendo y ensayando un accionamiento con SRM para
una aplicación de tranvía o metro ligero.
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MUCHAS GRACIAS PORVUESTRA ATENCIÓN !!
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