freno antepeoyecto final-1

FormatoPresentación de

anteproyecto

UNIVERSIDAD DE LA SALLEVicerrectoría Académica

Facultad de Ingeniería

1 TITULO Y LÍNEA DE LA INVESTIGACION

TITULO(Aprox.20 palabras)

Diseño e implementación de un controlador para motor asíncrono trifásico con freno regenerativo para el estudio del aprovechamiento de la energía en sistemas de tracción interconectados a la red eléctrica.

NATURALEZA DEL PROYECTO

PASANTÍA TRABAJO DE GRADO XPRÁCTICA

LINEA DE INVESTIGACION

Innovación y desarrollo tecnológico

X Modelación y simulación de sistemas

Análisis de riesgos e impactos

X Cambio climático y control de la contaminación

CLASIFICACIÓNDURACION EN MESES 7 meses

INCIDENCIA SOCIAL

POBLACION BENEFICIADA

2 INVESTIGADORES (Proponentes, Director(a) y Asesores interno y/o externos)Primera Persona (Estudiante) de 2

Primer apellido Aragón Segundo Apellido SoteloNombre(s) Diego AlexisLugar y Fecha de nacimiento Bogota D.C. 25 de mayo de 1990País ColombiaCódigo estudiantil 42091003Correo electrónico [email protected] de identificación Cedula Nº 1010190584Dedicación horas semanales 24Teléfono (Fijo y Celular) 312- 3681400Dirección Calle 24f # 82 - 18

Segunda Persona (Estudiante) de 2

Primer apellido CastiblancoSegundo Apellido VargasNombre(s) Jairo Andrés Lugar y Fecha de nacimiento La vega cund, 30 de diciembre de 1989País ColombiaCódigo estudiantil 42111703Correo electrónico [email protected]

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Código del formatoFI-FTO-01

Versión 001Febrero 02/2015

mailto:[email protected]


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Tipo de identificación Cedula .N° 1070956180Dedicación horas semanales 10 horasTeléfono (Fijo y Celular) 8902661-3192711806Dirección

Tercera Persona (Director(a) del Proyecto) de _____

Primer apellidoSegundo ApellidoNombre(s)Tipo de vinculación con la UniversidadPaísProfesiónDirección y/o Teléfono y celularCorreo electrónicoTipo de identificación Nº Función en el proyectoDedicación horas semanalesNumero de mesesVínculo en el proyecto

3 PALABRAS CLAVE (Total: 5 )

Inversor trifásico, control armónicos, SPWM, motor de induccion.

4 RESUMEN EJECUTIVO

El siguiente proyecto pretende buscar el diseño e implementación de un sistema de tracción eléctrica eficiente, para un motor asíncrono trifásico, el cual estará conformado por un variador de frecuencia que permitirá controlar la velocidad y el deslizamiento en el motor. Una segunda parte conformada por un freno dinámico, este nos permitirá aprovechar la energía cinética que se genera en sistemas de tracción, tales como trenes o carros eléctricos, en los momentos en que se requiera frenar, ya sea para disminuir su velocidad o para mantenerla cuando una fuente externa actúa sobre ella. Una tercera etapa del proyecto consiste en aprovechar la energía generada devolviéndola a la red eléctrica, con unos niveles de calidad de energía dados en la norma IEEE. Para cumplir con el objetivo propuesto se realizara un estudio de eficiencia energética del sistema de tracción diseñado, en cual analizaremos la energía consumida en los momentos de arranque y velocidad contante del sistema, menos la energía generada y entregada a la red eléctrica en el momento que actúa el freno dinámico.

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5 MARCO DE REFERENCIA

5.1 Marco Teórico.

Variador de Frecuencia:

Controlar la velocidad de un motor trifásico (ya sea un motor de inducción o un ‘servo’), se basa en alterar la frecuencia de la corriente trifásica que alimenta al motor.

Existen diversas tecnologías y métodos para poder controlar el voltaje, corriente y frecuencia suministrados al motor, pero el más popular es el de la modulación de la amplitud del pulso (Pulse Width Modulation (PWM)). La mayoría de los convertidores comerciales que nos vamos a encontrar utilizan este método.

¿Qué hace un variador de frecuencia?

La mayoría de los convertidores de frecuencia, buscan ‘transformar’ la corriente alterna en una corriente directa y una vez transformada en continua, esta será troceada según las necesidades del motor.[1]

Freno regenerativo:

Esta clase de dispositivos se usa si la velocidad es mayor que la sincrónica. A medida que el motor se aproxima a la marcha en vacío ideal o a la sincrónica el par del motor se acerca a cero. Durante el ulterior de la velocidad, a la influencia del momento exterior, cuando, el motor trabaja como generador en paralelo con la red a la cual este puede devolverle energía eléctrica; consumiendo en este caso la potencia reactiva para la excitación. Este tipo de frenado se emplea en los trenes eléctricos, así como en los accionamientos de máquinas elevadoras de carga (Monta carga, ascensores) [2].

El siguiente esquema es el circuito de potencia (simplificado) de un variador trifásico de alterna con freno regenerativo trifásico:

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Fig. 1. Variador de frecuencia con sistema de freno regenerativo trifásico. [3]

Modulación vectorial (SVM)

En la técnica SVM el puente inversor es manejado por ocho estados de conmutación. Se considera la mejor alternativa de modulación para inversores ya que maximiza el uso de la tensión DC, su contenido armónico es bajo y minimiza pérdidas por conmutación.Diversos estudios e implementaciones alrededor de esta técnica se presentan en La generación de voltaje con la técnica SVM se logra seleccionando adecuadamente y por un tiempo determinado los estados de los interruptores del puente inversor en cada período de conmutación.

Fig. 2. Hexágono de tensiones o campo de estados.[10]

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aprovechamiento de la energía en sistemas de tracción.

Desde el punto de vista energético, el comportamiento de sistemas de tracción en marcha tendido (empleando el menor tiempo posible para recorrer la distancia entre dos puntos sin desnivel entre ellos) se puede describir mediante el siguiente gráfico [3].

Fig. 3. Perfil de consumo. marcha tendida [3]

La operación tiene tres fases bien diferenciadas:

Aceleración : En esta fase la potencia eléctrica se emplea con un rendimiento variable para acelerar el motor, hasta que llega a la velocidad de crucero. La evolución de la potencia empleada es ascendente mientras se esté acelerando el motor, y una vez se ha alcanzado la velocidad de crucero, la potencia disminuye considerablemente.

Mantenimiento de velocidad : En esta fase, la potencia consumida es mucho menor, y se emplea únicamente en mantener dicha velocidad de crucero, por lo tanto es la energía necesaria para vencer todas las pérdidas mecánicas y eléctricas del movimiento.

Frenado : En dicha fase se disminuye la velocidad hasta parar por completo el motor, la potencia disminuye hasta ser nula, y si se emplea el frenado regenerativo, cambia el sentido de circulación de la energía, pasando a inyectarse en la red eléctrica.

Con las cifras arrojadas por el gráfico por los autores del mismo, se indica que el total de energía empleada para arrancar, mantener la velocidad y frenar es respectivamente de 23,7 kWh, 4 kWh y -10 kWh. Por lo que el total de energía consumida es de 27,7 kWh frente a los 10 kWh devueltos a la red en el frenado, esto supone que se puede recuperar un 36% de la energía consumida mediante el frenado regenerativo.

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5.2 Marco Legal.

Norma IEEE 519 1992.

La IEEE 519 1992 trata principalmente con armónicos introducidos por cargas no lineales, con la finalidad de que los problemas de calidad de potencia puedan ser prevenidos. Su cumplimiento está siendo solicitado cada día más debido al crecimiento en la utilización de VDF y otras cargas no lineales.

Además, esta norma define distorsión total e individual de voltaje y corriente. La filosofía adoptada fue restringir la inyección de corrientes armónicas de consumidores individuales para no causar niveles de distorsión de voltaje inaceptables (figura 4). [9]

Fig. 4. Límites de distorsión de voltaje y corriente IEEE 519-1992 [9].

Ley 697 del 2001:

La ley 697 promulgada por el Congreso de la República en octubre de 2001 declaró el Uso Racional y Eficiente de la Energía (URE) como un asunto de interés social, público y de conveniencia nacional. Con esta Ley se espera optimizar la utilización de los recursos energéticos primarios que posee el país, minimizando los impactos ambientales y mejorando la competitividad de la nación [4].

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6 ANTECEDENTES (Estado del Arte)

En el artículo “Regenerative braking system for a hybrid electric vehicle”, de S. R. Cikanek y K. E. Bailey, se analiza el sistema de frenado regenerador (RBS) para un vehículo eléctrico híbrido paralelo (PHEV), que realiza la recuperación de la energía del vehículo. Se hace una descripción del algoritmo del frenado regenerativo y de resultados de simulación de un modelo dinámico del PHEV que usa frenado regenerativo [5].

En el artículo “Modeling and simulation for hybrid electric vehicles. II. Simulation”, de Xiaoling He y Hodgson, J.W, se utiliza el modelo de un vehículo eléctrico híbrido (HEV) basado en el modelo desarrollado para un HEV paralelo construido en la Universidad de Tennessee, Knoxville (UT-HEV). Los resultados de la simulación para el UT-HEV predicen el funcionamiento del vehículo y proporcionan la mejora del control del vehículo. El modelo de la simulación proporciona la capacidad para la recuperación de energía por medio del frenado regenerativo, en función de la velocidad y la aceleración [6].

En el artículo “Regenerative Braking for an Electric Vehicle Using Ultracapacitors and a Buck-Boost Converter”, de Juan W. Dixon, Micah Ortúzar y Eduardo Wiechmann, se representa un sistema de control para un vehículo eléctrico con baterías y ultracapacitores. El propósito de este dispositivo es permitir aceleraciones y desaceleraciones del vehículo eléctrico con pérdida mínima de energía, y el uso mínimo del banco de baterías. En los momentos de desaceleración el freno UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO “FRENO REGENERATIVO EN AUTOMÓVILES PARA USO HIBRIDO” 14 | P á g i n a regenerativo convierte la energía cinética en energía eléctrica la cual es almacenada en el ultracapacitor [7].

“Aprovechamiento de la energía procedente del frenado regenerativo en ferrocarriles metropolitanos” de Álvaro López López, Ramón Rodríguez Pecharromán, Paloma Cucala García y Antonio Fernández Cardador. Se presentan varios casos del uso energético del freno regenerativo en trenes eléctricos conectados a catenarias AC y CD. En este plantean el método más sencillo para entregar la energía a la red, se encuentra en el método con catenaria en AC, puesto que la energía regenerada se entrega directo al sistema de transmisión o distribución, mientras que en la catenaria DC presenta el problema, que al entregar la energía, si no existe otro tren que la consuma en ese instante, la tensión de la línea tiene a subir de manera considerable, por lo cual usan métodos para el perfil de tensión de la línea como es, capacitores, banco de baterías en la línea o en los trenes.También obtuvieron un resultado que me parece bastante interesante y es que en sistema de trenes con frenos regenerativos, se puede ahorrar o regenerar hasta un 75% de la energía consumida, esto debido a las grandes cargas inerciales que presentan los trenes debido a su peso y altas velocidades [8].

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7 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

7.1 Formulación del problema.

Los sistemas arcaicos para el control de velocidad en los motores, como el juego de resistencias conectadas en serie, son métodos que no permiten un verdadero control de dicha velocidad, además sus pérdidas de energía en calor son altas, teniendo en cuenta que en la industria se manejan motores de una gran cantidad de HP, siendo este realmente el problema, actualmente se busca mediantes las técnicas de modulación, garantizar un control sobre dichos motores y además poder controlar otras variables, de esta manera obtener una mejor eficiencia en las maquinas.

8 OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar un sistema de control (SPWM) de velocidad, aplicado a motores de inducción.

8.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS, DELIMITACION Y JUSTIFICACION

8.1.1 Objetivos Específicos

Diseñar un inversor trifásico para controlar velocidad en un motor de induccion Diseñar el controlador de velocidad utilizando sistemas de modulación vectorial

espaciales SPWM con el fin que cumpla la Norma IEEE 519 1992. Realizar un estudio de eficiencia energética con el fin de establecer el porcentaje

de energía ahorrada vs la técnica de modulación PWM

8.1.2 Justificación y delimitación del proyecto:

El proyecto es realizado para poder verificar la eficiencia del método SPWM aplicado en motores de induccion, ya que este método posee unas ventajas sobre otros como el PWM, en cuanto al manejo de alta frecuencia y la reducción de armónicos, para el proyecto se debe construir un inversor trifásico y a este aplicar la técnica de modulación senoidal, a partir de esto realizar el estudio de eficiencia energética.

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Fig. 5. Consumo de energía del año 2011 en la unión europea.Fuete: Eurostat.

Por lo cual el fin de este proyecto es diseñar e implementar un controlador para motores asíncronos de alta eficiencia, para lo cual usaremos en el variador de frecuencia e inversor, el método de conmutación vectorial espacial (SVM) que permita estudiar obtener un 15% más de tensión de salida con bajos niveles de armónicos, esto con el fin de cumplir la norma IEEE 519.En una segunda etapa, emplearemos el sistema implementado para medir el aprovechamiento la energía cinética, que se produce en diferentes escenarios los sistemas de tracción, tales como: la aceleración, velocidad crucero, frenado, o porque el sistema se vea acelerado por una fuerza externa, como lo es un descenso sobre un plano inclinado. Vale anotar que se analizaran escenarios variando las cargas del motor, esto con el fin de conocer diferentes perdidas debido al aumento de la corriente y como estas cargas afectan la inercia al momento de frenar el sistema.

Este proyecto tiene entre sus objetivos, el entregar de la energía generada a la red eléctrica. Esto se ha propuesto con el fin de plantear uno de los casos e movilidad donde más se aprovecha los frenos regenerativos y es en los trenes eléctricos con catenaria en AC, en los cuales la energía eléctrica regenerada es devuelta a la red. Este será uno de los retos más grandes del proyecto, pues nuestro sistema regenerativo tendrá que cumplir normas técnicas de calidad de la energía.

9 METODOLOGÍA.

Fase 1: diseño del sistema de control para el variador de frecuencia y el inversor, usando método de modulación vectorial espacial (SVM).Fase 2: diseño y simulación del circuito de electrónica de potencia del variador.Fase 3: diseño y simulación del circuito de potencia, para el freno regenerativo.Fase 4: implementación del variador de frecuencia y del freno regenerativo.Fase 5: diseños de los sistemas de control en lazo cerrado para el variador y el freno

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regenerativo.Fase 6: estudio para analizar la distorsión total y la calidad de onda del sistema. Fase 7: diseño de filtros pasivos para disminuir los niveles de armónicos generados por el inversor.Fase 8: diseñar el sistema de pruebas para analizar la eficiencia del sistema de tracción en diferentes escenarios.Fase 9: probar el sistema de freno regenerativo acoplado a la red eléctrica.Fase 10: estudiar la eficiencia del sistema de tracción en diferentes escenarios.Fase 11: diseño de memorias.

Diagrama de flujo.

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10 FUENTES DE INFORMACION BIBLIOGRAFICA

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Libros.

L. M. Tolbert, F. Z. Peng “Multilevel Converters as a Utility Interface for Renewable Energy Systems” Power Engineering Society Summer Meeting, 2000. IEEE, vol. 2. pp. 1271-1274.

L. M. Tolbert, F. Z. Peng, T. Habetler “Multilevel Converters for Large Electric Drives” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, No. 1, January/February 1999, pp. 36-44.

[11]. F. Z. Peng, J. W. McKeever, D. J. Adams “A Power Line Conditioner Using Cascade Multilevel Inverters for Distribution Systems” IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 34, No. 6, November/December 1998, pp. 1293-1298.

Cibergrafía.

[1] (http://www.infoplc.net/blog4/2010/02/16/el-convertidor-de-frecuencia/).[2] http://www.ecured.cu/index.php/Frenado_en_motores_de_corriente_alterna[3] http://arayaingenieria.blogspot.com/2011/02/respuestas-sobre-variadores-de[4]http://ambientebogota.gov.co/documents/10157/237324/Eficiencia+energ%C3A9tica_+Energ%C3%ADa+renovable+por+excelencia.pdf[5]. American Motors Corporación.[6]. El vehículo eléctrico, STA (Sociedad de Técnicos de Automación), primera edición 2011, Librooks Barcelona, S. L. L. Pág. 90.[7]. El vehículo eléctrico, STA (Sociedad de Técnicos de Automación), primera edición 2011, Librooks Barcelona, S. L. L. Pág. 66.[8]. http://www.revista-anales.es/web/n_20/pdf/seccion_10.pdf[9]. http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid=570

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11. Cronograma de actividades.

15.-PRESUPUESTO ANTEPROYECTO

CÓDIGO

RUBRODESCRIPCIÓN

FINANCIACIÓN

CONTRAPARTIDA ($)

SUBTOTAL

TOTAL

PROPIOS

EXTERNOS

DINERO

ESPECIE

11.1

1.2

NOMINADirector de tesisResistaOtros

honorarios70.000 hora

honorarios60.000 día

0 3`920.000

5`040.000

3`920.000

5`040.000

SUBTOTAL NOMINA

8`960.000

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CÓDIGO

RUBRODESCRIPCIÓN

FINANCIACIÓN

CONTRAPARTIDA ($)

SUBTOTAL

I.V.A. TOTAL

PROPIOS

EXTERNOS

DINERO

ESPECIE

22.12.22.32.42.52.62.7

2.8

MATERIALES E INSUMOSTransistor IGBTEncoderPic o dspSensor CTOtros

Motor de AC 3ph

X12 ibgts400 p/rmemoriaSct-013-resistencias-capacitores-váquelas-control IGBT-protecciones

Motor 1 hp.

360000330009000020000400000

230000

00000

360.00033.00090.00020.000400.000

230000

59.8005.28014.4003.20064.000

23600

419.80038.280104.40023.200464.000

260600

SUBTOTAL MATERIALES E INSUMOS

1’310.000

33.13.23.33.43.5

EQUIPOSosciloscopioFuente dc.AmperímetroMultímetrovatímetro

hantek Agilent 663fluke 334fluke 116 X2

1’000.000600.000300.000700.000200.000

1’000.000600.000300.000700.000400.000

160.00096.00048.000112.00064.000

1’160.000696.000348.000812.000464.000

SUBTOTAL EQUIPOS

3’480.000

TOTAL PRESUPUESTO

13’750.000

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