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 trainelec.com 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 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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. 3 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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. 4 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 5 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Sistema de Tracción de un Tren - Esquema de Alta Típico 6 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales PANTOGRAFO Captación de energía de catenaria 7 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales PARARRAYOS Protección ante sobretensiones provenientes de catenaria o inducidas por la cadena de tracción 8 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 9 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Sistema de Tracción de un Tren - Elementos principales DISYUNTOR Apertura/cierre del circuito de potencia ante sobrecorrientes inesperadas o cortocircuitos 10 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 11 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 12 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 13 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 14 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 15 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 16 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 17 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 18 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 19 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 20 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 21 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 22 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Greentech. Sistema de Almacenamiento Energético TRANVÍA CONVENCIONAL TRANVÍA SIN CATENARIA 23 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 24 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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 25 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Ingeniería – Potencia Definición de topologías de potencia Topologías inversor etapa motor Inversor Binivel Inversor Trinivel 26 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Ingeniería – Potencia Definición de topologías de potencia Topologías convertidor etapa entrada (ECE) Puente en H Multi-nivel NPC Semiconductores serie Convertidores paralelo Semiconductores paralelo 27 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Ingeniería – Potencia Dimensionamiento y selección de componentes de potencia IGBTs SENSORIZACIÓN CONTACTORES BUSBAR RESISTENCIAS CONDENSADORES 28 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com Ingeniería – Potencia Dimensionamiento y diseño de sistemas de refrigeración AIRE FORZADO NATURAL LIQUIDO 29 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria Control trainelec.com 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] 30 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria Control trainelec.com 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.) 31 Presentación Tracción Eléctrica Ferroviaria trainelec.com 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. 32 Gracias por su atención T + 34 943 69 08 70 · F + 34 943 69 09 10 trainelec.com Presentación Corporativa trainelec.com 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 trainelec.com 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 trainelec.com 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 trainelec.com 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 trainelec.com 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 trainelec.com 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 trainelec.com 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