tren superconductor

7/25/2019 Tren Superconductor

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INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADLFO LPEZ MATEOS

INGENIERA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIN

METODOLOGA DE LA INVESTIGACIN

6AM6

INTEGRANTES:

LICONA SALINAS MARIELA

SNCHEZ MARTNEZ RODRIGO MISAEL

SNCHEZ MARTNEZ EDGAR IVN

PROFESOR: EDGAR VALENCIA RAMREZ

FECHA DE ENTREGA:

VIERNES 10 DE JULIO DEL 201

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O%(4++++++++++++++++++++++++++++++-,9

M'$( &%*'#$(++++++++++++++++++++++++++,,+,,-,

Efecto Meissner......p.9

Aplicacin del efecto Meissner al efecto de levitacin magntica.p.9

Electroimn.p.10

Generacin de un campo magntico con electroimanes....p.11

Tren de levitacin magntica...p.1

E4&)"#( &;$!#$(+++++++++++++++++++++++++,,+,,-,1.

!rincipio de gu"a lateral.p.1#

Mecanismo de frenado..p.1$

M("%/"( < !=/#4#4 &%=$( "% /%8#&$#*! >!;$+++++++,,,-,17

Modelo mecnico...p.19

Modelo elctrico..p.19

%ontrol de levitacin magntica...p.0

%ontrol !&'..p.0

E4&)"#( "% %'$"(+++++++++++++++++++++++++-,22

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1,@ I!&'(")$$#*!

(a levitacin magntica es un tema )ue *a ganado importancia en los +ltimos

a,os- gracias a las m+ltiples aplicaciones )ue se le pueden dar- como por eemplo-

el tren de levitacin magntica- o MAG(E/- es un tren suspendido en el aire.

(a ausencia de contacto f"sico entre el carril el tren *ace )ue la +nica friccin sea

la del aire- por lo )ue se pueden conseguir mu altas velocidades con un consumo

de energ"a raona2le.

En este proecto se propone desarrollar un control para este tipo de sistema

2asndose en investigaciones 2asadas en la literatura.

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2,@ P/!&%#%!&( "%/ -'(/%

El transporte es uno de los pro2lemas recurrentes de la vida moderna. 3i 2ien se

*an desarrollado nuevas formas de moverse- todav"a es frecuente )ue sean

lentas- caras o simplemente no *aa espacio para tanta gente.

(os aviones- la manera ms rpida de viaar- sufren retrasos por el clima- los autos

crean em2otellamientos enormes los 2arcos no siempre sirven como opcin si el

lugar es mu leano. !ero los trenes siguen siendo una de las meores formas de

viaar rpidamente- es por ello )ue en este proecto se propone un prototipo )ue

aprovec*a una innovadora tecnolog"a de levitacin )ue *ace ms eficiente- rpido

ecolgico este medio de transporte.

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(a levitacin es un fenmeno )ue siempre *a cautivado la imaginacin del ser

*umano. 4o en d"a- se conocen unos cuantos mecanismos f"sicos )ue permiten

5sostener6 un o2eto flotando sin contacto mecnico alguno con el suelo.

Aun)ue )ueda muc*o camino por recorrer- las propiedades de atraccin7repulsin

entre imanes superconductores *an *ec*o posi2les grandes avances en este

campo. Estos sistemas son mu esta2les el consumo de energ"a se reduce de

modo drstico. En el rango de las aplicaciones a gran escala- disponemos a de

conocimiento tecnolog"a para levitar grandes masas.

3on varios los pa"ses )ue *an tra2aado en el desarrollo de los sistemas de

levitacin magntica en los ferrocarriles- aun)ue actualmente slo Alemania

8apn tienen proectos concretos )ue podr"an ser implantados para uso comercial

en un futuro inmediato.

aones para la eleccin de este mecanismo:

'e2ido a la falta de roamientos- la velocidad m;ima terica )ue puede

alcanar es mu superior.

3eguridad: sus caracter"sticas constructivas *acen prcticamente imposi2le

el descarrilamiento.

Elimina desgastes por friccin en los materiales de construccin- esto

facilita el mantenimiento en el ve*"culo en la v"a

!resenta niveles 2aos de contaminacin.

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3,@ D%/##&$#*!

El desarrollo de este proecto se 2asa en la idea de generar un prototipo )ue

puede ser desarrollado posteriormente a gran escala. (os conceptos utiliados en

el desarrollo as" como las prue2as realiadas se 2asan en datos registrados analiados e;tra"dos de la literatura la teor"a. !or lo tanto de2e entenderse )ue

este proecto es puramente terico con posi2ilidades de e;pansin a una

aplicacin prctica. En la seccin de ane;os de este tra2ao se encuentran

algunas normas aplica2les para la aplicacin prctica del prototipo.

,@ O%&( "% %4&)"#(

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El desarrollo de este prototipo est enfocado a la optimiacin del sistema de

transporte terrestre a sea para fines comerciales o industriales mediante el

aprovec*amiento del fenmeno f"sico de levitacin magntica utiliando las

propiedades de superconductividad de algunos materiales como el 2ario o el ;ido

de co2re 2ao ciertas condiciones.

El o2eto de estudio determinante para el desarrollo de este prototipo es el efecto

Meissner.

6,@ O%(4

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'ise,ar un prototipo de un ve*"culo funcional cuo principio de funcionamiento se

2ase en el efecto meissner.(a aplicacin de lo anterior nos permitir crear a gran

escala un modelo de un medio de transporte ms velo de2ido a )ue no se

presentan fueras f"sicas de frenado )ue interfieran con el movimiento como la

friccin.

Adems se pretende )ue el prototipo sea patrocinado financiado por alguna

empresa con la finalidad de darle continuidad a la aplicacin prctica del proecto

se logre ms alcance en cuanto a su funcionalidad aplicaciones.

7,@ M'$( &%*'#$(

Efecto meissner

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%uando un material *ace la transicin del estado normal al desuperconduccin-

e;clue de forma activa los campos magnticosen su interior- lo cual se conoce

como el efecto Meissner.

Esta limitacin a cero del campo magntico dentro de un superconductor es

distinta del diamagnetismo perfecto- )ue surge de su resistencia elctrica cero. (a

resistencia cero implica )ue si se trata de magnetiar un superconductor- se

generarn 2ucles de corriente para cancelar e;actamente el campo magntico

impuesto


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elctrica 7 esto re)uiere necesariamente )ue el campo magntico en el interior seacero.

Este efecto puede utiliarse para producir 5levitacin magntica6:

%uando se acerca un imn a un superconductor- el superconductor se convierte

en un imn de polaridad contraria de modo )ue 5sueta6 al otro imn so2re l.!ero- al contrario )ue un imn normal


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Figura 1.- Componentes bsicos de un eectroimn

3u ventaa so2re los imanes naturales est principalmente en proporcionar un

campo magntico ms intenso de duracin indefinida. Adems- al poder

controlarse la se,al de corriente elctrica aplicada- es posi2le adaptar el campo

producido de acuerdo a las necesidades del caso.

Generacin de un campo magntico con electroimanes

3e sa2e )ue una corriente elctrica es capa de crear un campo magntico- si la

corriente circula por un conductor recto- las l"neas de fuera )ue forman son

circunferencias concntricas al conductor- cuos planos son perpendiculares al

campo magntico producido- de esta manera no tiene polaridad- es decir )ue no

*a una regin donde pueda considerarse )ue salen las l"neas de fuera


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Figura 2.- !ectroimn a "ac#o

Tren de levitacin magntica

Antes de nada conviene *acerse a la idea de )u es un tren de levitacin

magntica o en su forma a2reviada MAG(E/. ?n MAG(E/ es un ve*"culo )ue

utilia las ondas magnticas para suspenderse por encima del suelo e impulsarse

a lo largo de un carril7gu"a. (os MAG(E/ en el futuro- se podr"an convertir en una

alternativas al transporte actual a )ue se llegado a a una velocidad de C00 mp*H


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o incluso en medio de los actuales carriles. En los +ltimos a,os se *a visto )ue la

gente re*+sa a2andonar el uso del automvil para viaes de menos de 100 millasH


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El funcionamiento del tren de levitacin magntica se rige en el principio de

levitacin magntica.

3e descri2e f"sicamente como el e)uili2rio de fuera magntica mecnica.

>Pma

> P mg Q Jv R >


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Este principio se ilustra en la siguiente figura:

Figura 4.- 'rincipio de gu#a atera

(os trenes MAG(E/- gracias a su sistema de propulsin- son capaces de circularpor desniveles de *asta 10 grados- en contraste con los trenes convencionales)ue slo pueden circular por pendientes con desniveles de *asta # grados.

Figura 5.- ascenso de pendientes

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Mecanismo de >renado

El frenado del tren MAG(E/ se consigue- como la propulsin- gracias al motorlineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifsica en la v"a


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,@ M("%/"( < !=/#4#4 &%=$( "% /%8#&$#*! >!;$

Sa )ue los sistemas de levitacin magntica de atraccin )ue se analian en este

cap"tulo son capaces de suspender o2etos


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(a esta2ilidad de la suspensin vertical de la esfera del levitador magntico del

la2oratorio puede ser deducida mediante la suposicin de una dependencia

funcional de la inductancia terminal usando mtodos de energ"a para calcular la

fuera de levitacin. ?n modelo elctrico para evaluar el maneo del punto de

impedancia de la 2o2ina es como se muestra en la figura .

Figura 7.- 'arte e(ctrica de e"itador magn(tico

?n campo magntico )ue incide so2re un cuerpo o metal- induce corrientes de

remolino en la superficie del mismo )ue disminuen e;ponencialmente )ue

depende de igual modo de la distancia del o2eto levitado *acia la 2o2ina un

trmino de escala de longitud.

(a variacin de inductancia depende tam2in de la variacin de la esfera como se

puede ver en la figura F.

Figura 8.- )a inductancia de a bobina como una %unci&n de separaci&n

S la ecuacin )ue modela este comportamiento es:

(a fuera de origen magntico )ue act+a so2re la esfera est dada por:

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(a inductancia es una funcin de la posicin ; de la 2o2ina por encima de la

esfera decae con caracter"sticas de escala de longitud a. (a escala de longitud

depende del tama,o de la esfera las dimensiones de la 2o2ina.

Modelo mecnico

?sando el principio fundamental de la dinmica


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espacio de estados. Aun)ue por cuestiones de dise,o construccin del levitador-

la ecuacin se puede e;presar como:

El trmino c Jise tomarn como constantes de corriente remanentes de2ido a la

*istresis )ue se genera por el calentamiento en la 2o2ina con el voltae de cd con

la )ue tra2aa el sistema- aun)ue tam2in pueden ser consideradas como

trminos de compensacin de corriente:

%ontrol de levitacin magntica

Muc*as tcnicas lineales no lineales se *an propuesto para el control de estos

sistemas- es 2ien conocido )ue para un rango de movimiento pe)ue,o- el

sistema no lineal se comporta similarmente a su apro;imacin lineal. 3in em2argo-

el desempe,o de un control lineal se deteriora rpidamente cuando el sistema se

desv"a de su punto de operacin original. Es por ello )ue en este cap"tulo se

considera el dise,o de un controlador no lineal mediante la tcnica de linealiacine;acta por retroalimentacin. Tam2in se dise,a un controlador !&'- donde este

control es apro;imado a un modelo lineal continuo para controlar la posicin de la

esfera en algunos de tantos puntos de e)uili2rio )ue se tiene en el rango de

operacin. >inalmente se presentan los resultados de simulacin para el control no

lineal el controlador !&'. En ellas es posi2le o2servar el desempe,o del control

no lineal ms eficiente )ue el controlador !&' de2ido a la cancelacin de no

linealidades- aun as"- el controlador !&' tam2in tiene un funcionamiento 2astante

acepta2le.

%ontrol !&'

(a com2inacin de los efectos de accin proporcional integral derivativa se

denomina com+nmente accin de control !&'. Esta com2inacin tiene las ventaas

de cada una de las tres acciones de control individuales mencionadas

anteriormente. (a ecuacin matemtica con esta accin de control est dada por:

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'onde e


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!ara 8apn- los costos de estos trenes de pr;ima generacin son e;or2itantes.8apn planea gastar ms de 100-000 millones de dlares en la propuesta

anunciada recientemente para construir un tren MAG(E/ )ue recorra los F$ Jmentre ToJio agoa.

El F$L de esta ruta


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ANEO A*+,$ /!C*C$ ! $!+ +'!,C* !) $!,C+ ! /,*$'+,/!! !*!, !)!C/,C

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11,@ C(!$/)4#(!%4

%ada ve es nota2le el avance de la ciencia la tecnolog"a progresivamente en

varios camp os de inters. El rea de levitacin magntica es un rea reciente

contiene caracter"sticas propias )ue lo *acen ms interesante est mu aplicadoa trenes de alta velocidad.

3e compro2 )ue los sistemas no lineales- como es el caso de la (evitacin

Magntica- pueden ser controlados manipulados adecuadamente- utiliando

convenientemente las *erramientas ad)uiridas con los conocimientos de

Modelado de sistemas Teor"a del %ontrol.

(a linealiacin del sistema el modelado matemtico fueron realiados en 2ase a

un sistema e)uivalente- por lo )ue se rectifica )ue el proecto es puramente

terico. En la aplicacin prctica ser necesario incorporar las pertur2aciones

pertinentes del sistema *acer las compensaciones re)ueridas de acuerdo alsistema a aplicar.

El desarrollo de este proecto nos permiti aplicar los conocimientos ad)uiridos en

la carrera de &ngenier"a en %ontrol Automatiacin para el anlisis- planificacin-

modelado representacin del prototipo.

12,@ R%5%'%!$#4

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Modelado de (evitacin Magntica

Alma aucena Arn !uente

Tesis de licenciatura en ingenier"a en comunicaciones electrnica?niversidad Autnoma de Vacatecas

# de agosto del 00

%ontrol de un sistema de (evitacin Magntica

&ng. !anuncio %ru >rancisco

Tesis de Maestr"a en %ontrol Automtico

%entro de &nvestigacin de Estudios Avanados

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