INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LÓPEZ MATEOS”

“APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA GENERADA EN EL FRENADO DEL TREN ELÉCTRICO”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

PRESENTAN: JUAN ANTONIO ÁLVAREZ RAMÍREZ

AGUSTÍN MARIO CARMONA MARTÍNEZ

ASESORES:

ING. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZÁLEZ DR. JAIME JOSÉ RODRÍGUEZ RIVAS

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TEMARIO

Capitulo 1 Introducción al trabajo terminal 1.1 Objetivo ............................................................................. 4 1.2 Justificación del trabajo ................................................... 4 1.3 Antecedentes históricos .................................................... 4 1.4 Aportaciones del trabajo .................................................. 6 1.5 Contenido del trabajo ....................................................... 6

Capitulo 2 Funcionamiento del Sistema de Transporte Colectivo Metro

2.1 Introducción ....................................................................... 7 2.2 Cuerpo del trabajo ............................................................ 8 2.3 Análisis de la influencia del sistema de pilotaje Automático SACEM en el frenado de los trenes. .................. 9 2.4 Descripción del sistema de tracción y frenado del tren eléctrico. ...................................................................... 10

Capitulo 3 Análisis del frenado. 3.1 Introducción ....................................................................... 20 3.2 Mapa de las aplicaciones de accionamientos en función de la velocidad y el par. .......................................... 20 3.3 Evaluación de la potencia de frenado. .............................. 22 3.4 Conceptos básicos de descripción de cargas. .................... 22 3.5 Como evaluar el par y la potencia de frenado.................. 23 3.6 Soluciones de frenado. ....................................................... 26 3.7 Frenado de flujo de motor. ................................................ 27 3.8 Principio de frenado regenerativo convertidor CD-CD. ................................................................. 28 3.9 Principio de frenado de convertidor de CD-CD. ............. 30 3.10 Configuración antiparalela de los puentes de tiristores. .............................................................................. 32 3.11 Configuración con puente IGBT. ..................................... 33 3.12 Regeneración IGBT. ......................................................... 33

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Capitulo 4 Análisis de la unidad de regeneración. 4.1 Introducción al análisis. .................................................... 37 4.2 Análisis del convertidor de CD-CD. ................................. 37 4.3 Dimensionamiento de una unidad de regeneración por IGBT. .................................................................................. 41 4.4 CC común. ......................................................................... 42

Capitulo 5 Trabajos futuros.

5.1 Introducción. ..................................................................... 45 5.2 Alimentación de ventiladores o iluminación ................... 45 5.3 Operación del sistema propuesto. .................................... 46

Referencias y Bibliografía ................................................................... 48 Conclusiones ....................................................................................... 49

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Capitulo 1 Introducción al Trabajo Terminal.

1.1. Objetivo. En este trabajo se analizara una alternativa para aprovechar la energía eléctrica generada en el frenado de los motores de tracción del tren eléctrico, para su utilización en un sistema almacenamiento de energía eléctrica mismo que se podrá utilizar para alimentar algún accionamiento de dicho tren y así poder aprovechar los recursos generados por el tren.

1.2. Justificación del trabajo. En el presente trabajo se tratará de re-aprovechar la energía generada por el frenado de los motores del tren eléctrico, ya que en este momento de frenado los motores del tren funcionan como generadores eléctricos y esta energía generada es desperdiciada, en el momento que es administrada hacia un campo de resistencias eléctricas. Y toda esta energía producida por los motores eléctricos, es derrochada mas no consumida. Por ello, un objetivo fundamental de este trabajo es poder re-utilizar esta energía derrochada en los campos de resistencia, para poder realizar un sistema de almacenamiento de energía eléctrica, teniendo en cuenta que esta energía se puede utilizar para algunos accionamientos dentro del propio tren, por ejemplo en la ventilación del tren, la iluminación del mismo; etc. Ya que en la actualidad, en nuestro sistema de trenes eléctricos de la Ciudad de México, cuentan con muy pocos o casi nulos trenes que tengan su sistema extracción de aire caliente en las horas pico. Por ello, se contempla, que una de las soluciones es un sistema de ventilación por medio de motores que son alimentados por la energía eléctrica generada por el frenado del tren eléctrico, el cual es depositado en acumuladores de energía eléctrica, y a su ves es suministrado hacia los motores. Al fin, tener la visión de poder crear la conciencia que en los diferentes campos de la ingeniería, se puede re-aprovechar los recursos con los que contamos y cada vez es más difícil contar.

1.3. Antecedentes históricos. Algunas de las ciudades más grandes del mundo cuentan con los mismos problemas que en la ciudad de México, aunque hay que aclarar que en los países de primer mundo no cuentan con tantos problemas y este problema se debe a que los equipos y vagones son de una edad avanzada y sobre todo la cantidad de personas que utilizan diariamente este sistema de transporte, por ejemplo; en la ciudad de Madrid.

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Hay 420 coches sin aire acondicionado, el 27% del total. El Metro de Madrid llenan todos los días los 420 vagones que aún no tienen aire acondicionado, el 27% del total, según Metro.

"Intentamos que esta cuarta parte de coches sin climatización se reparta proporcionalmente entre todas las líneas y que ningún tren entero vaya sin aire", aseguran fuentes de la compañía. La línea 1 alcanza los 32°C sin apenas gente, frente a los 23°C registrados en la línea 3 El aire acondicionado se enciende cuando las instalaciones del suburbano alcanzan 25 grados. Cuesta 90.000 euros por vagón, pero no llegará a toda la red hasta el verano de 2007.

Aunque las soluciones de este problema pueden ser con una inversión de

capital muy fuerte se espera que todos los trenes que Metro de Madrid prevé poner en circulación el verano del 2008 tengan aire acondicionado.

Esta iniciativa es fruto del trabajo desarrollado por la empresa regional

durante los tres últimos años, periodo en el que se han realizado obras de reforma en el material móvil antiguo para instalar equipos de climatización, con una inversión de más de 49 millones de euros. Además se han incorporado al servicio nuevos trenes con aire acondicionado de serie. La incorporación de esta tecnología se realizado teniendo en cuenta los condicionantes estructurales de cada línea del suburbano.

Así, ya se logró que el 75% del parque móvil de Metro de Madrid contara con aire acondicionado, una cobertura que, tal y como estaba previsto. Según los datos facilitados por el departamento autonómico, los trenes del suburbano madrileño dotados de aire acondicionado sólo representaban el 1% en 1997, mientras que cuatro años después el sistema ya se había extendido al 41% de la flota y en 2006 alcanzó el 91%. En el Distrito federal no se conoce alguna iniciativa para el mejoramiento del sistema de trasporte METRO, aunque el diputado local del PAN, Jacobo Bonilla, integrante de la Comisión de Transporte de la Asamblea Legislativa del Distrito Federal, informó que en el año 2008 lanzarán una campaña para que los capitalino vuelvan a usar el Metro como transporte no contaminante, seguro y hasta con vagones más cómodos, limpios y con excelente ventilación aunque con una tarifa diferenciada. En entrevista durante un recorrido por la línea 1 y 2 del Metro y acompañado del director de este sistema, Francisco Bohórquez, el diputado panista informó que la idea de los vagones de lujo o "VIP", aunque no es nueva, podría lograr que la gente deje su auto en casa, use el Metro y contamine menos. Para ello, tendría que arreglarse el sistema de ventilación ya que, dijo, 80% de éste no funciona y provoca que la gente se sofoque, sobre todo en las "horas pico".

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Jacobo Bonilla insistió en que esa idea se podría retomar en el 2008, tomando en cuenta las experiencias de otros países, donde este sistema ha sido criticado de elitista. Por último, el legislador local confió en que para el presupuesto de 2008 en el Distrito Federal, "el Metro se llevará la gran tajada" ya que, dijo,” los programas sociales del GDF ya caducaron, ya están reventando y se tendrá que reasignar el presupuesto a otros rubros, como el transporte público".

1.4. Aportaciones del trabajo. Generar una nueva alternativa de cómo es que se puede reutilizar energía por medio del frenado eléctrico, debido a que en algunas líneas de circulación de los trenes, la configuración con la que cuenta el frenado de este, es por un arreglo de convertidores de CD-CD (Choppers). Con el desarrollo de este trabajo se realizan las siguientes aportaciones:

Se genera una alternativa de cómo reutilizar la energía generada en el momento del frenado del tren eléctrico.

Se realizara un esquema para alimentar a algún accionamiento (ya

se ventiladores, lámparas de emergencia, etc.) con la energía que se desea reutilizar.

1.5. Contenido del trabajo. En el presente trabajo, esta conformado de 5 capítulos, la cual esta constituida por:

Capitulo 1.- La introducción, se hace referencia al trabajo terminal, cuales el objetivo y de que manera se puede aprovechar este trabajo.

Capitulo 2.- En al capitulo dos se hace referencia a como es que el metro funciona y mas aun dando importancia a como es que frena.

Capitulo 3.- En este capitulo, se hace un análisis del frenado y como es posible hacerlo a partir de las necesidades con las que cuenta este trabajo.

Capitulo 4.- En este capitulo se plante algunas soluciones de cómo se puede regenerar la energía eléctrica.

Capitulo 5.- En este capitulo se proponen trabajos futuros de la implementación de este trabajo.

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Capitulo 2 Funcionamiento del Sistema de transporte Colectivo Metro. 2.1. Introducción.

El Sistema de Transporte Colectivo (STC) conforma sus trenes de la siguiente

manera:

Cada tren también llamado convoy, está compuesto por nueve vagones. Seis de ellos son motrices, es decir, que tienen tracción propia y entre todos arrastran al convoy; ocupan las posiciones 1, 3, 4, 6, 7 y 9. Los trenes restantes son remolques (R), es decir sin tracción propia. Esto se ilustra en la figura 2.1 [1].

FIGURA 2.1 CONSTITUCIÓN DEL CONVOY

M: Representa a los carros motrices equipados con cabina de conducción y

con tracción propia.

N: Representa a los carros motrices que con tracción propia y sin cabina de conducción.

R: Representa a los carros remolques.

PR: Representa al carro remolque central que cuenta con el equipo del sistema de pilotaje automático.

Los convoyes de 6 carros, 4 de ellos son motrices y 2 remolques, esto se ilustra en la figura 2.2. [1] De esta formación, puede aumentarse a 9 carros, dependiendo de la demanda de transporte. Aunque la configuración sigue siendo la misma.

FIGURA 2.2 CONSTITUCIÓN DE 6 VAGONES

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2.2. Cuerpo del carro.

Al cuerpo del carro, donde viajan los pasajeros, se le llama caja. La caja de los carros va montada sobre dos carretillas portadoras, llamadas boguies. En el caso de los carros motrices, cada boguies va equipado con dos motores de tracción (un total de cuatro por cada carro motriz). Los boguies de los carros remolque carecen de motor, los carros motrices toman la corriente de la barra guía, de 750 volts, mediante las escobillas, situadas entre las dos ruedas de cada boguies [2].

Bajo las cajas de los carros motores, entre los boguies, van colocados los

equipos que regulan el funcionamiento de los motores de tracción. Bajo la caja de los carros remolque están instalados:

El compresor, que produce el aire a presión para el frenado neumático y el

cierre de puertas. El motogenerador, que genera corriente alterna de 250 volts, destinada al alumbrado de los carros. El compresor y el motogenerador trabajan con la corriente de 750 volts, proporcionada por la motriz N adyacente.

El banco de baterías, que generan corriente de baja tensión (72 volts), para los circuitos de mando del tren. En el remolque que ocupa la posición Intermedia va instalado el captor del pilotaje automático.

Los trenes son de rodadura de acero, tipo ferroviario (se denominan férreos,

ya que no cuentan con llantas o neumáticos) y están integrados, cada uno, por seis carros, de los cuales 4 son motrices, 2 remolques y de igual forma que los convoyes de rodadura neumática, uno de ellos está equipado con el sistema de pilotaje automático. en la figura 2.3 se ve el cuerpo de un tren [2]

FIGURA 2.3 CUERPO DEL TREN

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2.3. Análisis de la influencia del sistema de pilotaje automático SACEM en el frenado de los trenes.

En el análisis se deben considerar todos los elementos que intervienen sobre la operación del frenado de los trenes [3]:

El mando de las ordenes de frenado

El control del frenado selecciona el tipo de frenado: Eléctrico (Regenerativo o Reostático) o Neumático.

Los equipos que realizan la actuación del tipo de frenado.

Para el mando de las órdenes de frenado se utilizan dos formas diferentes: La primera a través del Manipulador y la otra por la electrónica asociada al Pilotaje Automático. Si el comando del frenado lo realiza el conductor a través del manipulador, es entonces el conductor quién tomará la decisión de comandar el grado de frenado requerido en función de las consignas operativas y de velocidad existentes en la línea por donde circula el tren. Los grados de frenado van desde Frenado 1 hasta Frenado 6 como frenados de servicio y FU como frenado de urgencia. En el modo de conducción Pilotaje Automático es el sistema electrónico quien decide el grado de frenado que se debe aplicar según el perfil y tramo de la línea. De acuerdo con el Documento Técnico No 4 “Conducción” [3] se menciona que la manera de aplicar los grados de frenado es la siguiente: “Frenado Normal en Conducción Manual. Al circular a velocidad normal la petición del frenado a aplicar a la entrada del anden deberá ser Frenado 5 graduando dicho frenado tomando en cuenta la carga del tren, eficacia del frenado, trazo y perfil de la vía; en caso de circular en tramo de superficie y con presencia de lluvia se deberá empezar con Frenado 3 aproximadamente 150 metros antes del inicio del anden. Estando el tren en movimiento a una velocidad mayor a 12 km/h y el manipulador en la posición de tracción; para poder utilizar el frenado reostático el conductor deberá colocar necesariamente el manipulador en la posición neutro por lo menos 5 segundos antes de pasar a cualquiera de las posiciones de frenado. El paso directo de una posición de tracción a una posición de frenado provoca:

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1) Eliminación del frenado reostático

2) Actuación del frenado neumático

Estos dos puntos anteriores tienen lugar igualmente cuando la velocidad del tren es igual o menor a 12 Km/h.” De acuerdo con lo anterior, la norma establecida en el STC para la conducción (documento técnico #4) establece que el paso de la tracción al frenado deberá hacerse a través de la posición de neutro la cual deberá mantenerse al menos 5 segundos, esta norma que está vigente y que está establecida para la conducción manual deberá cumplirse igualmente durante el pilotaje automático (ATO) sin embargo no se cumple durante el pilotaje automático SACEM de línea 8, ocurriendo con frecuencia saltos bruscos de tracción al frenado lo cual provoca “operaciones rudas” innecesarias las cuales incrementan el desgaste de zapatas y de ruedas de seguridad. Para el mando de los frenados por parte del sistema de Pilotaje Automático se considera lo siguiente:

El STC tiene en operación actualmente dos sistemas de pilotaje automático: PA 135 y SACEM.

El PA 135 esta instalado en las líneas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 9; mientras que el SACEM esta en las líneas 8, A y B.

El modo de conducción Pilotaje Automático (ATO) es el modo normal de conducción durante la operación. Este modo debe ser capaz de optimizar la marcha y el paro de los trenes, de una manera estandarizada.

2.4. Descripción del sistema de tracción y frenado del tren eléctrico.

El sistema de tracción y frenado del MP 82 es de corriente directa; cada

motriz tiene cuatro motores series y el convertidor DC/DC o chopper utiliza tiristores con conmutación forzada. El chopper está diseñado para realizar dos funciones esenciales: tracción y frenado con recuperación de la energía hacia la fuente (regenerativo) o sin recuperación de la energía (reostático). En su implementación se utilizan tiristores, los cuales son controlados con circuitos de disparos integrados al sistema de control conocido como PCH. El control del inicio de la conducción del tiristor o SCR se realiza con pulsos inyectado a su compuerta o “gate” a través de transformadores de impulsos con doble secundario que garantizan que el arreglo de dos tiristores en serie (para los tiristores principales, TH1, los de bloqueo, TH2, y para los de inversión, TH1’) reciban al mismo tiempo los pulsos de disparo, garantizándose de esta forma que deban iniciar la conducción al mismo tiempo. Los tiristores para el frenado dinámico (TH3) y los tiristores de tracción y frenado, TH4T y TH4F respectivamente son simples [4].

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Debido a que la fuente de alimentación es de corriente directa, es necesario que los tiristores conmuten de forma forzada al aplicárseles un voltaje inverso mediante la utilización de capacitores de conmutación.

El control del motor serie se realiza al variar el voltaje promedio en sus

terminales. En la figura 2.4 se muestra el diagrama simplificado del chopper para la fase 1. Para disminuir el rizado de las corrientes y los voltajes en los motores, se utilizan tres fases con un desfasamiento en la operación de los tiristores de un tercio de su período de conducción.

FIGURA 2.4 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DEL CHOPPER DE BAJADA

UTILIZADO PARA TRACCIÓN.

La frecuencia de conducción de los tiristores en cada fase en el instante de arranque es de 90 Hz, incrementándose su valor a 120, 180, 240 y 360 Hz, siendo este último su valor máximo. El cambio de frecuencia se puede escuchar en los carros motrices cuando se inicia la tracción [4]

En la figura 2.3 cuando el tiristor TH11 conduce (fase 1), el voltaje de la fuente se aplica al motor y su corriente fluye a través del tiristor. Debido a que son tres fases, la corriente de las dos ramas de motores (dos motores por rama) se divide entre tres soportando cada tiristor un tercio de la corriente total de los motores. El diodo D1 sirve para que la corriente de fase no se interrumpa cuando el tiristor TH11 es bloqueado por la red de apagado forzado.

El inductor L0 y el capacitor C0 forman un filtro paso bajos que evita que las

componentes armónicas de la corriente fluyan hacia la fuente. La frecuencia de cruce del filtro debe ser mucho menor que las frecuencias de operación del chopper. Las inductancias L en serie con la armaduras de los motores son sus devanados de campo.

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FIGURA 2.5 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE LA CHOPPER DE SUBIDA

UTILIZADO PARA EL FRENADO.

En la figura 2.5 se muestra la topología del chopper de subida para el frenado. El cambio de la figura 2.4 a la figura 2.5 se realiza cuando los tiristores de tracción TH4T dejan de conducir y entran en conducción los tiristores TH4F (figura 2.8). De esta forma se reconectan los elementos de potencia y se pasa a la figura 2.5 para iniciar el frenado regenerativo.

El principio se puede explicar de la siguiente forma: cuando TH11 conduce,

se cortocircuita la armadura del motor y éste entrega energía a L incrementándose la energía almacenada en los campos. Cuando el TH11 es sacado de conducción (figura 2.5) la corriente por la L tiende a disminuir induciéndose de esta forma una FEM que sumada con la FEM (fuerza contra electromotriz) del motor provoca que la corriente IL cambie de signo y se le entregue la energía de frenado a la fuente. Esto provoca impulsos de potencia hacia la fuente. El diodo D1 se le denomina diodo de libre camino (free wheeling) ya que ofrece una trayectoria alternativa a la corriente del motor cuando el tiristor TH11 es bloqueado [4].

FIGURA 2.6 RED DE APAGADO FORZADO DEL TIRISTOR PRINCIPAL TH11.

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En la figura 2.6 se muestra cómo se realiza el bloqueo del tiristor principal

TH11 (para la fase 1). Cuando el chopper es energizado al cerrarse el interruptor DET, el capacitor de la red de apagado forzado se carga al voltaje de la fuente (750 V nominal) a través de la resistencia R, la corriente del capacitor es ic. Cuando el capacitor termina su carga tendrá el positivo en su placa superior. Posteriormente los tiristores TH11 y TH 1’1 reciben pulsos de disparo por sus compuertas iniciando ambos la conducción en el mismo instante (en la figura 2.5 se han representado con un solo tiristor, los tiristores TH11, TH1´2 y TH21). Al entrar en conducción TH11 comenzará a fluir a través de este la corriente de motor y al entrar en conducción TH 1´1 comenzará la inversión de la polaridad del capacitor C debido al circuito resonante que forma con el inductor λ1.

Cuando la corriente por el circuito resonante C-λ1 tienda a cambiar el

sentido, el tiristor TH1´1 se bloqueará de forma natural quedando el capacitor C con el positivo en la placa inferior y estaría listo para iniciar el bloqueo del tiristor principal. El tiempo que dura este proceso determina el ancho mínimo del pulso o lo que es lo mismo el tiempo mínimo de conducción de TH11.

Cuando el tiristor TH 21 (fase 1) es disparado, se le aplica al tiristor TH11 el

voltaje del capacitor que lo polariza inversamente sacándolo de conducción. En el instante en que TH21 es disparado, el voltaje del nodo formado por la unión de los cátodos de TH11, TH21 y D1 respecto al negativo de la fuente (tierra física) tiene un valor aproximadamente igual al doble del voltaje de la fuente debido a que se suman los voltajes de la fuente y del capacitor. El tiempo de duración del voltaje inverso tiene que ser mayor que el tq del tiristor para que éste quede bloqueado. El tiristor TH21 sale de conducción de forma natural cuando el capacitor se vuelve a cargar al voltaje de la fuente y la corriente se hace cero. Este proceso se repite cíclicamente cada período de conducción del TH11.

En la figura 2.7 se muestra el diagrama eléctrico de una de las fases del

chopper donde se puede observar los puntos de medición de los voltajes y de las corrientes. En esa figura se observan además los arreglos en serie de dos tiristores, las resistencias que se colocan en paralelo para equilibrar los voltajes entre los dos tiristores cuando se encuentran en estado de bloqueo y las redes RC o redes de Snubber utilizadas para proteger a los tiristores contra los transitorios de recuperación inversa.

También se observan los reactores saturables µ1, λ1 y v1 los cuales tiene

una alta inductancia hasta tanto no se saturen, posteriormente su inductancia cae prácticamente a cero comportándose como si tuviera el núcleo de aire. El circuito se diseñó de ésta manera por el fabricante para que se limite el

por los tiristores cuando éstos son disparados [4].

Después que la corriente alcance un determinado valor (unos 12 A), donde

ya la conducción por el tiristor quedó plenamente establecida entonces las

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inductancias de los inductores se hacen prácticamente cero. En en la figura 2.7 también se observa el diodo D5, el cual hace la función de recortador de voltaje para evitar que los picos de voltaje de magnitud mayor al voltaje de línea (eUL) pasen hacia el motor. Lo anterior es fácil de ver si se observa cómo está conectado el diodo en la figura 2.7.

De acuerdo a ésta figura, el ánodo del diodo está en uno de los terminales

del DIM y su cátodo en la línea de 750 V. A pesar de ésta conexión, los transitorios muy estrechos pueden pasar hacia el motor sin que el diodo entre en conducción como se pudo observar en las mediciones que se realizaron. Esto demuestra que el diodo no cumple a cabalidad el objetivo previsto por el fabricante, es decir cuando los transitorios son muy estrechos (se pudo determinar de acuerdo a las mediciones que los transitorios generados tienen un ancho promedio de unos 40 µs) el diodo D5 es incapaz de recortarlos pasando de esta forma hacia el motor.

En la figura 2.8 se muestra el diagrama general del sistema. La mayoría de

las partes del esquema y su función ya han sido explicadas. Obsérvese que para iniciar el frenado, se deben reconectar los elementos del circuito (como ya se mencionó, se debe pasar de la conexión mostrada en la Figura 2.4 hasta la figura 2.5), esto se realiza cuando el TH4T deja de conducir y comienza la conducción TH4F. Cuando esto ocurre los campos de los motores son reconectados quedando entonces los campos de los motores 3 y 4 en serie con las armaduras de los motores 1 y 2 y viceversa. De esta forma se logra compensar cualquier variación del par de frenado de los motores de diferentes ramas y que éstos frenen con iguales pares de frenado. Por ejemplo si los motores 1 y 2 desarrollan más par de frenado lo cual provoca un incremento de la corriente por esa rama (esto pudiera provocar un disparo de la protección diferencial QDM). Sin embargo el incremento de la corriente por la rama 1 – 2 provoca un incremento de la corriente de los campos de los motores 3 y 4 ya que están en serie, provocando por consiguiente un incremento del par desarrollado por los motores 3 y 4 lo cual tiende a compensar el incremento de par de los motores 1 y 2, de esta forma se equilibra el par desarrollado en los cuatro motores y se evita la operación del QDM. Por supuesto esta compensación ocurre con una dinámica muy lenta por lo que no es posible por un problema de seguridad prescindir del QDM. Obsérvese por último que los tiristores TH4T y TH4F no pueden conducir al mismo tiempo ya que la fuente sería prácticamente cortocircuitada, por lo tanto la conducción de uno inhabilita la conducción del otro [4].

En la figura 2.9 se observa cómo se realiza el debilitamiento del campo (“puenteo” progresivo) de los motores para lograr un incremento extra de la velocidad. En una máquina de corriente directa el valor de la fuerza contra electromotriz tiene un valor:

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........................................................................................... (2.1) Donde: K = constante que depende del diseño del motor φ = flujo magnético (weber) ω = velocidad del motor (rad/s)

El voltaje en los terminales del motor en magnitudes promedio es:

....................................................... (2.2) Donde: I3 = corriente de armadura (A) R3 = resistencia equivalente del circuito de armadura (Ω) De la ecuación (2.2) queda:

.................................................................................. (2.3)

En un motor serie el devanado de campo está en serie con la armadura, es decir la corriente de armadura es también la corriente de campo (Ia = If) por consiguiente si no hay saturación del material ferromagnético, el flujo magnético es proporcional a la corriente de armadura, es decir: Φ, α, Ia (ó If), entonces la expresión (2.3) queda:

.................................................................................. (2.4) Donde:

K’ = constante I f = corriente por el campo serie del motor (A) Cuando no existe “el puenteo” progresivo o debilitamiento de campo, en la expresión (2.4) se tiene que Ia = If sin embargo si parte de la corriente es derivada a través de un circuito (figura 2.9) entonces: If < Ia . En la expresión (2.4) se observa que al disminuir el valor de If, el valor de la velocidad tiende a incrementarse [4].

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FIGURA 2.7 DIAGRAMA ELÉCTRICO DE UNA DE LAS FASES DEL CHOPPER

FIGURA 2.8 DIAGRAMA GENERAL DEL SISTEMA CHOPPER – MOTORES DE

TRACCIÓN En la figura 2.10 se muestra el circuito de debilitamiento de campo del MP 82. Este circuito básicamente es otro chopper implementado con transistores. El

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arreglo de diodos en serie DE limita el voltaje entre colector y emisor en el transistor y por lo tanto lo protege contra sobre tensiones. La esencia de este circuito consiste en conectar una resistencia efectiva variable en paralelo con el devanado de campo. Si la resistencia aumenta, se deriva una menor corriente a través de ésta y por lo tanto hay una mayor corriente por lo campo y un mayor flujo; esto ocurre en bajas velocidades. Por último en la figura 2.10 se muestra el principio del frenado dinámico en el MP 82. Este tipo de frenado dinámico se realiza desconectando el chopper de la fuente (se abre el disyuntor DET, en la figura 2.8 es el interruptor de alimentación que está en serie con L0) y conectando en paralelo con la armadura una resistencia de frenado RH. En la figura 2.10 el tiristor de frenado es el TH31. El principio de funcionamiento es similar al de la figura 2.5, circuito que se establece al iniciar la conducción los tiristores TH4F; la diferencia radica en que la energía no puede ser devuelta a la fuente ya que el DET está abierto. Cuando se inicia el frenado el tiristor TH31 de la figura 7 recibe pulsos por su compuerta y entra en conducción disipándose entonces la energía en los resistores de frenado los cuales se tiene uno en cada fase (se disipa un 33.33 % de la energía de frenado en cada resistor de fase). El tiristor TH13 está recibiendo pulsos durante todo el tiempo que dure el frenado sin embargo solamente conducirá cuando el tiristor principal TH11 deja de conducir. Cuando TH11 conduce cortocircuita la rama del TH31 – RH entonces cuando TH11 deja de conducir (ver figura 2.6) TH13 conduce la corriente de motor y la energía del frenado se disipa en los resistores TH. En esta figura se observa cómo el tiristor principal TH13 controla la energía del frenado y por lo tanto controla el nivel de frenado al variar su régimen de ciclo [4]:

............................................................................................... (2.5) Donde: ton = tiempo de conducción del tiristor principal T = periodo de conducción del tiristor principal

La resistencia efectiva de frenado depende del valor de δ y su valor es:

.............................................................................. (2.6)

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FIGURA 2.9 SISTEMA DE DEBILITAMIENTO DE CAMPO (PUENTEO PROGRESIVO)

A medida que el tiristor principal conduce un menor tiempo (ton), la resistencia de frenado RH estará un mayor tiempo conectada en paralelo con la armadura del motor y por lo tanto la resistencia efectiva (Ref) o promedio en el período T será mayor. Cuando esto ocurre habrá una mayor disipación de energía y un mayor grado de frenado [4]. En el frenado dinámico se pueden presentar dos casos:

Se inicia el frenado regenerativo pero aparece una sobre tensión en la fuente debido a la regeneración de energía. Esta sobre tensión ocurre cuando el voltaje de la fuente es mayor de 850 V. En este caso debe entrar el frenado dinámico. Para voltajes superiores a 850 V la eficacia del frenado regenerativo disminuye (el tren frena menos, es decir hay un menor par de frenado) y se hace menor que la del frenado dinámico, por este motivo debe entrar el frenado dinámico para este nivel de voltaje.

Cuando se inicia el frenado pero no se habilita el frenado regenerativo (el

voltaje de la fuente es mayor a 850 V) entonces entra desde un inicio el frenado dinámico. En este caso se conecta en paralelo con el capacitor de filtro otra resistencia (REC0) de 40 para evitar posibles sobre tensiones en el capacitor de filtro C0. Esta Resistencia incrementará la capacidad del frenado dinámico al conectarse otra resistencia de frenado adicional a RH.

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FIGURA 2.10 SISTEMA DE FRENADO DINÁMICO

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Capitulo 3 Análisis del frenado.

3.1 Introducción.

Para frenar el vehículo, se debe llevar a O la palanca de potencia, y luego empezar a marcar los puntos de freno eléctrico. Esto hace que:

Bobinas y campos se conecten al revés.

El motor comience a funcionar como generador, y estando conectado en sentido contrario al de la rotación adquirida por la inercia, haga que los motores se vayan deteniendo poco a poco, a medida que la corriente generada influya sobre la rotación de las armaduras. Es un método de frenado muy seguro (cuando funciona bien). Logra llevar al vehículo a muy pocos kilómetros por hora, y es útil a la hora del frenado por emergencia, ya que nunca lleva a las ruedas a patinar. Esto se muestra en la figura 3.1, Forma de conexión [5].

FIGURA 3.1 FORMA DE CONEXIÓN.

3.2 Mapa de las aplicaciones de accionamientos en función de la velocidad y el par.

Las aplicaciones de accionamientos se pueden dividir en tres categorías

principales en función de la velocidad y el par. La aplicación de accionamientos de CA más habitual es en un cuadrante, en la que la velocidad y el par siempre tienen la misma dirección: el flujo de la potencia (velocidad multiplicada por el par) va del inversor al proceso. En estas aplicaciones, que suelen ser de bombas y ventiladores, el par de la carga tiene un comportamiento cuadrático, por lo que se las suele llamar aplicaciones a par variable. Algunas aplicaciones en un cuadrante

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como las extrusoras o las cintas transportadoras son aplicaciones a par constante (el par de la carga no tiene por qué cambiar al cambiar la velocidad) [6].

La segunda categoría son las aplicaciones en dos cuadrantes, en las que, sin que cambie la dirección de rotación, puede cambiar la dirección del par (el flujo de potencia puede ir del accionamiento al motor o viceversa). Un accionamiento en un cuadrante puede serlo en dos, por ejemplo, al decelerar un ventilador más rápido que de forma natural con las pérdidas mecánicas. En muchas industrias, un paro de emergencia puede precisar de un funcionamiento en dos cuadrantes aunque el proceso sea en un cuadrante.

La tercera categoría son las aplicaciones en cuatro cuadrantes en las que puede cambiar libremente la dirección de la velocidad y el par. Las más típicas son ascensores, cabrestantes y grúas, si bien muchos procesos de corte, plegado, tejeduría y bancos de pruebas de motores pueden necesitar que la velocidad y el par cambien repetidamente.

También cabe mencionar procesos en un cuadrante en los que el flujo de potencia va principalmente de la maquinaria al inversor, como una bobinadora o una cinta transportadora descendente.

Por lo general, desde un punto de vista de ahorro de energía, un motor de CA con un inversor es mejor que los métodos de control mecánico como el estrangulamiento. Sin embargo, se presta menos atención al hecho de que muchos procesos pueden contar con un flujo de la potencia del proceso al accionamiento, aunque no se ha estudiado cómo utilizar esta energía de frenado de la forma más económica. La categoría de los cuadrantes esta ilustrada en la figura 3.2.

FIGURA 3.2. MAPA DE LAS APLIACIONS DE ACCIONAMIENTOS EN FUNCION

DE LA VELOCIDAD Y EL PAR.

3.3 Evaluación de la potencia de frenado.

22

La evaluación de la necesidad de frenado empieza por la mecánica.

Normalmente se tiene que frenar el sistema mecánico en un tiempo concreto, o existen subciclos del proceso en los que el motor funciona en el generador a velocidad constante o ligeramente variable.

Es importante destacar que los dispositivos empleados en el frenado eléctrico se dimensionan en función de la potencia de frenado. La potencia mecánica de frenado depende del par y la velocidad de frenado, fórmula (3.1). Cuando mayor sea la velocidad, mayor será la potencia. Esta potencia se transmite a una tensión e intensidad determinadas. Cuanto mayor sea la tensión, menos intensidad se necesita para una misma potencia, fórmula (3.2). La intensidad es el componente principal que define el coste en accionamientos de CA de baja tensión.

En la fórmula (3.2) podemos observar la expresión cosΦ. Esta expresión define la intensidad del motor empleada para magnetizar el motor. La intensidad de magnetización no crea ningún par y, por tanto, se ignora. Por otra parte, esta intensidad de magnetización del motor no se toma de la fuente de alimentación de CA que alimenta al convertidor (la intensidad al inversor es menor que la intensidad al motor). Ello significa que, en la sección de alimentación, cosΦ suele ser aproximadamente 1,0. Cabe destacar en la fórmula (3.2) que se ha supuesto que no se produce ninguna pérdida cuando la potencia de CC se convierte en potencia de CA. En esta conversión se producen algunas pérdidas que se pueden ignorar en este contexto.

.......................................................... (3.1)

...................................... (3.2)

3.4 Conceptos básicos de descripción de cargas.

Las cargas se suelen clasificar en cargas a par constante o a par cuadrático. Una carga a par cuadrático significa que el par de la carga es proporcional al cuadrado de la velocidad. También significa que la potencia es la velocidad elevada al cubo. En las aplicaciones a par constante, la potencia es directamente proporcional a la velocidad.

Por constante y variables mostradas en las ecuaciones 3.3 y 3.4: C = Constante

.................................................................................................... (3.3) ............................................................................... (3.4)

Con ayuda de las ecuaciones 3.3 y 3.4 se obtiene las siguientes ecuaciones de par cuadrático:

23

(3.5) ......................................................................... (3.5)

........................................... (3.6)

3.5 Como evaluar el par y la potencia de frenado.

En caso de funcionamiento en régimen permanente (α (aceleración

angular) = cero) el par del motor tiene que hacer que el par de rozamiento corresponda proporcionalmente a la velocidad angular y al par de la carga a esa velocidad angular. El par y la potencia de frenado necesarios en función del tiempo varía mucho en estos dos tipos distintos de carga.

......................................... (3.7)

Y el sistema de accionamiento no puede generar el par de frenado (accionamiento con funcionamiento en un cuadrante). Para calcular el tiempo de frenado necesario se puede aplicar la siguiente ecuación, ecuación 3.7. Hay que fijarse en que la fórmula (3.6) destaca que el par necesario para la aceleración (o deceleración) inercial, el par de rozamiento y carga está en dirección opuesta al par del motor.

............................................ (3.8)

En la práctica es difícil definir exactamente el efecto del rozamiento. Al

asumir que el rozamiento es igual a cero, el margen de error en el tiempo calculado es inexistente.

En la figura 3.3 se grafica el tiempo de retardo acumulativo, potencia y par

de frenada en función de la velocidad

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FIGUARA3.3 TIEMPO DE RETARDO ACUMULATIVO, POTENCIA Y PAR DE

FRENADA EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD.

En la aplicación, en las que el par de la cargas es constante al empezar el frenado. Cuando desaparece el par de la carga (por ej., al romperse una cinta transportadora) aunque no cambie la energía cinética de la mecánica, el par de la carga que deceleraría la mecánica no está activo. En tal caso, si el motor no está frenando, la velocidad sólo disminuirá como resultado del rozamiento mecánico.

Supongamos ahora que tenemos la misma inercia y el mismo par de la carga a 1000 rpm, pero que el par de la carga cambia de forma cuadrática. Si el par del motor se fuerza a cero, el par de la carga disminuye en proporción cuadrática a la velocidad. Si el tiempo de frenado acumulativo se presenta en función de la velocidad, vemos que el tiempo de frenado natural a la velocidad más baja (de 200 rpm a 100 rpm) aumenta de forma considerable en comparación con el cambio de velocidad de 1000 rpm a 900 rpm. En la figura 3.4 y 3.5 se muestran el comportamiento de curva de frenado natural para un par y potencia de frenado en función de la velocidad de un ventilador de 90Kw. Y la curva de tiempo de frenado acumulativo de un ventilador de 90 Kw, respectivamente.

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FIGURA 3.4 CURVA DE FRENADO NATURAL PARA UN PAR Y POTENCIA DE

FRENADO EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN VENTILADOR DE 90KW.

Se puede trazar fácilmente una curva de frenado natural partiendo de la potencia y la velocidad en el punto nominal aplicando las fórmulas (3.4) y (3.5).

FIGURA 3.5 TIEMPO DE FRENADO ACUMULATIVO DE UN VENTILADOR DE 90 KW.

Ahora pensemos en un caso en el que se exige que el sistema mecánico

frene en un tiempo determinado a partir de una velocidad concreta. El ventilador de 90 kW tiene una inercia de 60 kgm2. El punto de

funcionamiento nominal del ventilador es 1000 rpm. El ventilador se tiene que parar en 20 segundos. El efecto de frenado natural provocado por las características de la carga es el máximo al principio del frenado. La energía

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máxima de la inercia se puede calcular con la fórmula (3.8). La potencia media de frenado se puede calcular dividiendo esta energía de frenado por el tiempo. Este valor es, por supuesto, muy conservador debido a que no se tienen en cuenta las características de carga del ventilador, mostrada con la expresión 3.8 y 3.9:

............................... (3.9)

......... (3.10)

Cuando se dimensiona el chopper de frenado para este valor de 16,4 Kw y

la capacidad de frenado del motor a una velocidad mayor es muy superior a 16,4 Kw, el accionamiento debe incorporar una función de supervisión para obtener la máxima potencia de regeneración, función disponible en algunos accionamientos.

Si se desea optimizar el dimensionado del chopper de frenado para un tiempo de frenado concreto se puede empezar observando la figura (3.5). La velocidad pasa rápidamente de 1000 a 500 rpm sin frenado adicional. El efecto de frenado natural es el máximo al principio del frenado, lo que indica claramente que no hace falta empezar a frenar el motor con esta potencia de 16 kW. Tal como puede verse en la figura (3.5), la velocidad pasa de 1000 rpm a 500 rpm sin frenado adicional en menos de 10 segundos. En este punto temporal el par de la carga sólo es el 25% del nominal y la energía cinética que conserva el ventilador también es sólo el 25% de la energía a 1000 rpm. Si se repite a 500 rpm el cálculo realizado a 1000 rpm, puede verse que la potencia de frenado para una deceleración de 500 rpm a 0 rpm es aproximadamente igual a 8 kW. Tal como se ha dicho en cálculos anteriores, este valor también es conservador porque no se tiene en cuenta la curva de frenado natural provocada por las características de la carga.

En resumen, se consigue sin problemas un tiempo de deceleración de 20 segundos de 1000 rpm a 0 rpm con un chopper y una resistencia de frenado dimensionados para 8,2 kw. Fijando el límite de la potencia regenerativa del accionamiento a 8,2 Kw se fija el nivel de la potencia de frenado a un nivel adecuado.

3.6 Soluciones de frenado.

Los accionamientos de CA modernos constan de un rectificador de entrada que convierte la tensión de CA en tensión de CC que se almacena en condensadores de CC. El inversor convierte a su vez la tensión de CC en tensión de CA alimentando al motor de CA a la frecuencia deseada. La potencia de proceso necesaria fluye a través del rectificador, de las barras de CC y el inversor hacia el motor. La cantidad de energía almacenada en los condensadores de CC es muy pequeña en comparación con la potencia necesaria, es decir, el

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rectificador tiene que dar constantemente la potencia que necesita el motor más las pérdidas del sistema de accionamiento

3.7 Frenado de flujo de motor.

El frenado de flujo es un método que se basa en las pérdidas del motor. Cuando se necesita frenado en el sistema de accionamiento, aumenta el flujo del motor y, asimismo, el componente de intensidad de magnetización empleado en el motor. Se puede controlar fácilmente el flujo mediante el principio de control directo del par. Con el control directo del par (DTC) se controla directamente el inversor para obtener el par y el flujo del motor deseados. Durante el frenado de flujo el motor está bajo control DTC, lo que asegura que se pueda frenar según la rampa de velocidad especificada. Este concepto es muy distinto al freno por inyección de CC que suele utilizarse en accionamientos. En el método por inyección de CC se inyecta intensidad de CC al motor para que se pierda el control del flujo del motor durante el frenado. El método de frenado de flujo con DTC permite que el motor pase rápidamente de frenar a actuar como motor cuando se necesite. En el frenado de flujo el aumento de la intensidad significa un aumento de las pérdidas en el motor. La potencia de frenado también aumenta aunque no aumente la potencia de frenado aplicada al convertidor de frecuencia. El aumento de la intensidad genera un aumento de las pérdidas en las resistencias del motor. Cuando mayor sea la resistencia, mayor será la disipación de la energía de frenado en el motor. Normalmente, en motores de baja potencia (menos de 5 kW) la resistencia del motor es relativamente grande en relación con la intensidad nominal del motor. Cuanto mayor sea la potencia o la tensión del motor, menor será la resistencia del motor en relación con la intensidad del motor. Dicho de otro modo, el frenado de flujo alcanza su máxima eficacia en un motor de baja potencia. Esto se grafica en la imagen 3.6 la cual muestra un porcentaje de par de frenado del motor del par nominal en función de la frecuencia de salida.

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3.6 PORCENTAJE DE PAR DE FRENADO DEL MOTOR DEL PAR NOMINAL EN

FUNCIÓN DE LA FRECUENCIA DE SALIDA

Principales ventajas del frenado de flujo:

Con el método de control DTC no se necesitan componentes ni costes adicionales.

El motor se controla durante el frenado, a diferencia del freno por inyección de CC que se suele usar en convertidores.

Principales desventajas del frenado de flujo:

Mayor tensión térmica en el motor si se repite el frenado durante períodos breves.

La potencia de frenado está limitada por las características del motor, como por ejemplo la resistencia.

El frenado de flujo es útil principalmente en motores de baja potencia.

3.8 Principio de frenado regenerativo convertidor CD-CD.

Los propulsores por convertidor CD-CD (o simplemente por pulsador) se usan mucho en aplicaciones en todo el mundo. Se conecta un convertidor CD-CD entre una fuente de voltaje fijo de CD y un motor de CD para variar el voltaje de armadura. Además del control por voltaje de armadura, un convertidor CD-CD puede proporcionar frenado regenerativo de los motores y puede regresar energía a la fuente. Ésta propiedad de ahorro de energía es atractiva en especial para los sistemas de transporte con paradas frecuentes, por ejemplo, transporte masivo rápido (MRT, de mass rapid transit). Los propulsores de convertidor CD-CD también se usan en los vehículos eléctricos de baterías (BEV, de Battery eléctric

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vehicle). Un motor de CD puede operarse en uno de los cuatro cuadrantes controlando los voltajes (o las corrientes) en la armadura o en el campo. Con frecuencia se requiere invertir las terminales de armadura o de campo para que el motor opere en el cuadrante deseado.

Si la alimentación no es receptiva durante el frenado regenerativo, el voltaje de línea aumentaría y ese frenado no se hará. En éste caso, es necesaria una forma alternativa de frenado, como por ejemplo el frenado reostático. Un modo posible de control de un propulsor por convertidor CD-CD es:

Control por freno regenerativo

En el principio de control del frenado regenerativo, el motor funciona como un generador y la energía cinética del motor y de la carga se regresa a la alimentación. La aplicación de los convertidores CD-CD en el frenado regenerativo se puede explicar con la figura 1a. Requiere arreglar el interruptor del modo de potencia al modo de frenado regenerativo. Supongamos que la armadura de un motor con excitación separada está girando por la inercia del motor (y de la carga); y en el caso de un sistema de transporte, la energía cinética del vehículo o del tren haría girar el eje de la armadura. Entonces, si se activa el transistor, la corriente de armadura aumenta debido a la puesta en corto de las terminales del motor. Si se desconecta en el convertidor CD-CD, el diodo Dm se activará y la energía almacenada en las inductancias del circuito de la armadura sería transferida a la fuente, siempre y cuando la fuente sea receptiva. El voltaje promedio a través del convertidor CD-CD es mostrado en la ecuación 3.10.

........................................................................ (3.11)

Si Ia es la corriente promedio de armadura, la potencia regenerada se puede determinar con la expresión 3.11:

....................................................................... (3.12)

El voltaje generado por el motor, cuando funciona como generador, es mostrado en la ecuación 3.12:

.......................... (3.13)

El frenado regenerativo es efectivo sólo si la velocidad del motor está entre dos límites, es decir, ωmin < ω < ωmax En cualquier velocidad menor que ωmin se necesita un arreglo alternativo para frenar.

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Aunque los motores serie de CD se usan en forma tradicional para aplicaciones de tracción debido a su alto par de arranque, un generador excitado en serie es inestable cuando trabaja con una fuente de voltaje fijo. Así, para funcionar como suministro de tracción se requiere un control separado de excitación, y ese arreglo del motor serie, en el caso normal, es sensible a las fluctuaciones del voltaje de suministro, y se requiere una respuesta dinámica rápida para proporcionar un control adecuado de frenado. La aplicación de un convertidor CD-CD permite el frenado regenerativo de motores serie de CD, debido a su rápida respuesta dinámica. Un motor de CD con excitación separada es estable en el frenado regenerativo. La armadura y el campo se pueden controlar en forma independiente para proporcionar el par requerido durante el arranque. Los motores serie alimentados por convertidor CD-CD y los motores CD con excitación separada son adecuados para aplicaciones de tracción.

3.9 Principio de frenado de convertidor de CD-CD.

La otra posibilidad de limitar la tensión de bus de CC consiste en dirigir la

energía de frenado hacia una resistencia a través de un convertidor de CD-CD de frenado. El convertidor de frenado es un conmutador eléctrico que conecta la tensión de bus de CC a una resistencia en la que la energía de frenado se transforma en calor. Los choppers de frenado se activan automáticamente cuando la tensión de bus de CC actual supera un nivel determinado según la tensión nominal del inversor. Como se muestra en la figura 3.7.

FIGURA 3.7 EJEMPLO DE DIAGRAMA DE CIRCUITOS DE CHOPPER DE

FRENADO. UDC SIGNIFICA LAS TERMINALES DE LAS BARRAS DE CC Y R LAS

TERMINALES DE LAS RESISTENCIAS

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Principales ventajas de la solución con el convertidor de CD-CD y la resistencia de frenado:

Construcción eléctrica sencilla y tecnología bien conocida. Inversión básica baja en el chopper y la resistencia. El chopper funciona aunque se pierda la alimentación de CA. Puede

resultar necesario el frenado ante un fallo momentáneo de la red principal, como por ejemplo en ascensores u otras aplicaciones de alta seguridad.

Principales desventajas del chopper y la resistencia de frenado:

Se pierde la energía de frenado si no se puede utilizar el aire calentado. El chopper y las resistencias necesitan más espacio. Puede necesitarse una mayor inversión en el sistema de recuperación de la

refrigeración y calefacción. Los choppers de frenado se suelen dimensionar para un ciclo concreto, por

ejemplo, 100% potencia 1/10 minutos, para tiempos de frenado más largos se necesita un dimensionado más exacto del chopper de frenado.

Mayor riesgo de incendios debido al calentamiento de las resistencias y a la posible presencia de polvo y componentes químicos en el ambiente.

La mayor tensión de bus de CC durante el frenado causa un mayor esfuerzo eléctrico al aislamiento del motor.

Cuándo se debe aplicar un chopper de frenado:

El ciclo de frenado se necesita sólo de vez en cuando. La cantidad de energía de frenado en relación con la energía de actuación

como motor es extremadamente pequeña. El frenado se necesita durante un fallo momentáneo de la red principal.

Cuándo hay que plantearse otras soluciones distintas a un chopper y una resistencia de frenado:

Frenado continuo o repetido a intervalos regulares. La cantidad total de energía de frenado es elevada en relación con la

energía de actuación como motor necesaria. La potencia de frenado instantáneo es alta, por ejemplo, varios

centenares de kW durante varios minutos. El aire ambiente incorpora cantidades importantes de polvo u otros

componentes potencialmente combustibles, explosivos o metálicos.

32

3.10 Configuración antiparalela de los puentes de tiristores. En un convertidor de frecuencia, los puentes rectificadores de diodos se

pueden sustituir por los dos rectificadores controlados por tiristores en antifaces. Esta configuración permite cambiar el puente rectificador según el flujo de potencia que se necesite en el proceso.

Los principales componentes de la unidad de alimentación por tiristores son dos puentes de tiristores de 6 pulsos. El puente directo convierte la alimentación trifásica de CA en CC. Suministra alimentación a los convertidores (inversores) mediante el circuito intermedio. El puente inverso convierte la CC en CA cuando se necesita desviar el poder de frenado del motor sobrante a la red de alimentación. Esta configuración se muestra en la figura 3.8.

FIGURA 3.8 DIAGRAMA LINEAL DE UNA UNIDAD DE ALIMENTACIÓN POR

TIRISTORES ANTIPARALELA.

Sólo funciona uno de los puentes mientras el otro está bloqueado. El ángulo de disparo del tiristor se controla constantemente para mantener la tensión del circuito intermedio al nivel deseado. La selección del puente directo/ inverso y el control de la tensión del circuito intermedio se basan en la determinación de la intensidad de alimentación, la tensión de alimentación y la tensión del circuito intermedio. La reactancia de CC filtra las crestas de intensidad del circuito intermedio.

Principales ventajas del puente de tiristores antiparalelo:

Solución bien conocida. Inversión menor a la necesaria con una solución IGBT. La tensión de CC se puede regular a un valor inferior que la red, lo que en

algunas aplicaciones especiales puede ser ventajoso. Principales desventajas del puente de tiristores antiparalelo:

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La tensión de bus de CC siempre es inferior a la tensión de alimentación de CA para mantener un margen de conmutación. De este modo, la tensión alimentada al motor es más baja que la CA de entrada. Sin embargo, esto se puede solucionar utilizando un autotransformador elevador en la alimentación..

La distorsión armónica total es más alta que en las unidades IGBT regenerativas.

La distorsión de la intensidad fluye a través de otras impedancias de la red y puede provocar una distorsión de la tensión no deseada en otros dispositivos alimentados desde el punto donde existe la distorsión de tensión.

No se dispone de capacidad de frenado durante los fallos momentáneos de la red principal.

3.11 Configuración con puente IGBT.

La regeneración IGBT se basa en los mismos principios que la transmisión de energía en una red de distribución de energía. En una red de distribución de energía se conectan entre sí varios generadores y puntos de carga. Se puede suponer que en el punto de conexión la red de distribución de energía es un generador síncrono de gran tamaño con una frecuencia fija. El puente IGBT de entrada del accionamiento (más tarde la unidad convertidora) se puede considerar otro sistema de tensión de CA conectado a través de una reactancia al generador. El principio de la transmisión de energía entre dos sistemas de CA con una tensión U y conectados entre sí se puede calcular con la fórmula (3.4).

................................................................ (3.14)

La fórmula 3.13 que para transmitir la energía entre estos dos sistemas tiene

que existir una diferencia de fase en el ángulo entre las tensiones de los dos sistemas de CA. Para controlar el flujo de la energía entre los dos sistemas se tiene que controlar el ángulo.

3.12 Regeneración IGBT.

En las unidades de regeneración IGBT existen tres objetivos de regulación

generales. El primero consiste en mantener estable la tensión de bus de CC con independencia del valor absoluto y la dirección del flujo de la potencia. Así se asegura que los inversores que alimentan motores de CA puedan funcionar óptimamente independientemente del punto de funcionamiento gracias a una tensión de bus de CC estable.

La tensión de bus de CC es estable cuando el flujo de potencia hacia las barras de CC es igual al de salida de éstas. Esta regulación del flujo de potencia se consigue regulando el ángulo de potencia entre los dos sistemas de CA.

34

FIGURA 3.9 CAMBIO RÁPIDO DE FUNCIONAMIENTO REGENERATIVO A

MOTOR. LA TENSIÓN DE BUS DE CC ES MUY ESTABLE DURANTE ESTA

TRANSICIÓN.

El segundo objetivo de regulación consiste en minimizar la intensidad de

alimentación necesaria (funcionar a cosΦ= 1,0), lo que se consigue regulando la tensión de salida de la unidad convertidora. En algunas aplicaciones se desea que la unidad convertidora IGBT también funcione a modo de carga inductiva o capacitiva.

El tercer objetivo de regulación es minimizar el contenido de armónicos de la intensidad de alimentación. Los principales criterios de diseño en este caso son el valor de la reactancia y que el método de regulación sea adecuado.

El control directo del par (DTC) (mostrado en la figura 3.10) es una forma de regular un motor de CA alimentado por un inversor. El principio del control activa y desactiva los conmutadores IGBT directamente a partir de la diferencia entre el par actual del motor de CA y el par de referencia del usuario. El mismo principio se aplica a una unidad convertidora que regula el flujo de potencia desde la red de alimentación al accionamiento y viceversa. La potencia se multiplica por el par por la frecuencia angular, que es constante en la red: controlar el par significa controlar el flujo de potencia. Mostrada en la ecuación 3.14.

.................................................................... (3.15)

35

FIGURA 3.10 DIAGRAMA DE CONTROL FUNDAMENTAL DE LA UNIDAD

REGENERATIVA IGBT CON DTC.

El método de control DTC con la tecnología IGBT contribuye a que se generen pocos armónicos. Por ello, la unidad de alimentación IGBT puede sustituir a las configuraciones de alimentación de 12 pulsos o 18 pulsos en un cuadrante que se suelen utilizar para reducir los armónicos en la sección de alimentación. Una unidad de alimentación IGBT también es una solución, por tanto, en aquellos casos en los que el mayor problema son los armónicos y no cómo canalizar la energía de frenado.

Principales ventajas de una unidad de regeneración IGBT:

Pocos armónicos en la alimentación tanto en actuación como motor como en regeneración.

Dinámica alta durante los cambios rápidos de flujo en la sección de carga. Posibilidad de aumentar la tensión de CC más que la alimentación de CA

de entrada, lo que puede usarse para compensar una red débil o aumentar la capacidad de par máximo del motor en la frecuencia de inicio de debilitamiento del campo.

Compensación total de las caídas de tensión del sistema gracias a la posibilidad de sobre par de la tensión.

Posibilidad de regular el factor de potencia. Funcionamiento con cortes de la red con sincronización automática a la

rejilla. La tensión de bus de CC tiene aproximadamente el mismo valor durante la

monitorización que durante el frenado. Sin esfuerzos de tensión adicionales ni aislamiento del bobinado del motor durante el frenado.

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Principales desventajas de una unidad de regeneración IGBT:

Mayor coste de compra. No se dispone de la capacidad de frenado durante fallos momentáneos de

la red principal. Armónicos de la tensión de alta frecuencia debido a la elevada frecuencia

de conmutación. Estos componentes de la tensión de varios kilohertzios pueden excitar a los pequeños condensadores que se utilicen en otros dispositivos eléctricos. Con un diseño y disposición adecuados de los transformadores de alimentación de los distintos dispositivos se evitan estos fenómenos.

Cuándo se debe utilizar una unidad de regeneración IGBT:

El frenado es continuo o se repite con regularidad. El poder de frenado es muy alto. Cuando se ahorra espacio es comparación con la solución a base de

resistencias de frenado. Cuando los límites de los armónicos de red son cruciales.

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Capitulo 4 Análisis de la unidad de regeneración.

4.1 Introducción al análisis. Al desacelerar o frenar, el motor actúa como generador, recuperando parte de la energía cinética del vehículo, a través de la ruedas, y convirtiéndola en energía eléctrica posible de almacenar en las baterías. Gracias al tipo de convertidor de DC-DC diseñado y al tipo de dispositivos electrónicos utilizados, es posible y se pretende, implementar un frenado regenerativo no controlado que permita recuperar energía durante el proceso de desaceleración y frenado [7].

4.2 Análisis del convertidor de CD-CD.

Los convertidores CD-CD son configuraciones de electrónica de potencia que permiten a partir de una fuente de CD constante, controlar el voltaje CD a la salida del convertidor. Estos convertidores tienen múltiples aplicaciones: fuentes de poder en computadoras, sistemas distribuidos de potencia, sistemas de potencia en vehículos eléctricos, etc. Las configuraciones básicas son tres: Buck (reductora), Boost (elevadora) y Buck-Boost (elevadora reductora).

Estas configuraciones permiten elevar, reducir o elevar/reducir el voltaje de

alimentación (vs) en la salida (vo). Cada configuración a su vez contiene cuatro elementos básicos: bobina (L), capacitor (C), diodo y un interruptor controlado (Q); así las propiedades de cada topología dependen de la ubicación de estos cuatro elementos, ver Figura 4.1 Convertidor Buck (Reductor) ,4.2 Convertidor Boost (Elevador). Y 4.3 Convertidor Buck/Boost (Reductor/Elevador). Se asume en general que la carga para los convertidores es de tipo resistiva (R).

FIGURA 4.1 CONVERTIDOR BUCK (REDUCTOR).

38

FIGURA 4.2. CONVERTIDOR BOOST (ELEVADOR).

FIGURA 43. CONVERTIDOR BUCK/BOOST (REDUCTOR/ELEVADOR).

La variable a controlar para regular el voltaje de salida es el patrón de

conmutación del interruptor controlado. Siendo la estrategia base conmutar el interruptor a una frecuencia fija variado solamente el tiempo de activación del mismo: estrategia PWM (MODULACION DEL ANCHO DE PULSO). Esta estrategia se puede implementar a través de comparar una señal diente de sierra (vrampa) de frecuencia fija (f) y voltaje pico Vmax, con un voltaje de referencia (vref) para lograr el voltaje de activación (vPWM), Véase en la figura 4. Notar que se debe de cumplir siempre que 0 ≤ Vref ≤ Vmax. Por lo tanto, si ton representa el tiempo en que el interruptor esta activado y T=1/f el periodo de conmutación, se define el ciclo de trabajo U como la ecuación 4.1:

................................................................ (4.1)

Ahora, los convertidores CD-CD son usualmente diseñados para trabajar

bajo ciertas condiciones de operación. De esta manera, se define el voltaje deseado de salida (Vo), el voltaje de nominal de alimentación (Vs) y el valor de la carga. Así, bajo este panorama se puede calcular cual debe ser el ciclo de trabajo promedio del convertidor. Sin embargo, en la realidad el convertidor esta sujeto a diversos agentes externos:

39

Perturbaciones en el voltaje de alimentación, Variaciones en la carga, Resistencias parásitas y caídas de voltaje en los elementos reactivos del

circuito.

Debido a estos factores, se debe añadir un lazo de control y así poder regular el voltaje de salida en el valor deseado.

FIGURA 4.4 ESQUEMA DE CONMUTACIÓN PWM.

Por lo tanto, el problema de control se plantea asumiendo que las variables

de interés poseen un valor constante y una parte fluctuante, mostradas en las expresiones 4.2, 4.3 y 4.4:

.......................................................................... (4.2) ........................................................................ (4.3)

.......................................................................... (4.4)

En consecuencia, se busca reducir las variaciones en el voltaje de salida ante el efecto de las posible perturbaciones del voltaje de alimentación y resistencia de carga, añadiendo un factor de corrección en el ciclo de trabajo û(t). Esto se logra utilizando un lazo de retroalimentación proporcional-integral (PI), como se muestra en la Figura 4.5.

40

FIGURA 4.5. LAZO DE CONTROL DE VOLTAJE PARA CONVERTIDORES CD-CD.

El actuador del sistema de control (modulador PWM) tiene la estructura que se muestra en la Figura 4.4 Su salida es entonces el voltaje de polarización de compuerta (Vg) para el interruptor activo Q. Nótese que la señal de error (e) que procesa el controlador PI también representa la variación del voltaje de salida Vo sobre su valor promedio deseado, lo que enfatiza el objetivo de control que es minimizar esta variable. En la figura 4.5 se muestra una posible unidad de almacenamiento de energía, con un sistema de control. Tomando en cuenta que es alimentado por un V0 el cual tiene que pasar por el modulo de PWM, este se va hacia el convertidor de CD-CD, el cual tiene conectado un banco de baterías, el fin de este arreglo es obtener la energía eléctrica en el momento que el motor frena y se comporta como generador, para posteriormente utilizarla para activar algún accionamiento ya sea de carga (ventiladores dentro de los vagones por ejemplo) o simplemente el accionamiento de lámparas de servicio o emergencia [7].

41

4.3 Dimensionamiento de una unidad de regeneración por IGBT.

Para dimensionar la unidad IGBT se parte de la potencia necesaria. Supongamos que la potencia en el eje necesaria durante la actuación como motor es de 130 kW y que la potencia de frenado, de 100 kW. Para dimensionar la unidad de alimentación IGBT se selecciona el valor máximo de potencia de actuación como motor o de frenado, que en este caso es de 130 kW. La tensión del motor es de 400 V. El valor mínimo para la red de alimentación es de 370 V [8].

En este caso se puede usar el sobre-par de tensión: se aumenta la tensión de bus de CC hasta una tensión de CA de 400 V. Sin embargo, la intensidad de alimentación necesaria se calcula partiendo del nivel 370. Suponiendo que existen pérdidas del 5% del sistema en el motor y el accionamiento, la potencia total necesaria de la rejilla es de 136,5 kW. La intensidad de alimentación se puede calcular con la fórmula 4.5:

.............................................. (4.5)

La unidad de regeneración IGBT se selecciona partiendo únicamente de la intensidad calculada. En el caso de una unidad de regeneración por IGBT, se debe analizar que en primera instancia, el motor funcionara normalmente, en este caso, la corriente fluirá del motor hacia el transistor IGBT, de ahí es cuando funcionara normalmente, mostrado en la figura 4.6.

FIGURA 4.6 MUESTRA LA FORMA EN QUE FLUIRÁ LA CORRIENTE

En el momento que frena el motor, funciona como generador y es cuando la dirección de la corriente cambia en ese momento pasara por el transistor IGBT y

42

de ahí pasara a un banco de baterías el esquema simplificado se muestra en la figura 4.7.

FIGURA 4.7 ESQUEMA DEL COMPORTAMIENTO DE LA CORRIENTE CUANDO EL

MOTOR FUNCIONA COMO GENERADOR.

4.4 CC común.

Cuando en un proceso hay varios accionamientos y un motor necesita capacidad de frenado mientras los demás funcionan como motor, la solución con barras de CC comunes es muy eficaz para reaprovechar la energía mecánica.

Un sistema de accionamiento con barras de CC comunes consta de un

rectificador de alimentación aparte que convierte CA en CC, e inversores que alimentan a motores de CA conectados a las barras de CC comunes (las barras de CC es el canal que desplaza la energía de frenado de un motor en beneficio de los demás motores). En la figura (4.6) se indica la configuración básica de las barras de CC comunes [8].

43

FIGURA 4.6 CONFIGURACIÓN BÁSICA DE LAS BARRAS DE CC COMUNES

Principales ventajas de las barras de CC comunes:

Flujo de potencia fácil de equilibrar entre accionamientos. Bajas pérdidas del sistema al convertir la energía de frenado gracias a las

barras de CC comunes. Aunque la potencia de frenado instantáneo sea mayor que la potencia de

actuación como motor, no se tienen que dimensionar el chopper y la resistencia de frenado para obtener una plena potencia de frenado.

Si se necesita la potencia de frenado durante períodos prolongados se pueden usar varios rectificadores.

Principales desventajas de la solución con barras de CC comunes con un rectificador en un cuadrante:

La potencia instantánea de actuación como motor tiene que ser mayor que o igual a la potencia de frenado.

Se necesitan el chopper y la resistencia de frenado si la potencia de frenado instantáneo es mayor que la potencia de actuación como motor.

Si hay pocos motores, el coste adicional de un inversor dedicado que desconecte el dispositivo de las barras de CC aumenta el coste de la inversión.

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Principales desventajas de la solución con barras de CC comunes con un rectificador en un cuadrante:

La potencia instantánea de actuación como motor tiene que ser mayor que o igual a la potencia de frenado.

Se necesitan el chopper y la resistencia de frenado si la potencia de frenado instantáneo es mayor que la potencia de actuación como motor.

Si hay pocos motores, el coste adicional de un inversor dedicado que desconecte el dispositivo de las barras de CC aumenta el coste de la inversión.

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Capitulo 5 Trabajos futuros.

5.1 Introducción. El presente capítulo muestra dos posibles soluciones para utilizar la energía que viene del frenado del tren eléctrico. Debemos mencionar que la energía regenerada proveniente del frenado del tren es regresada a la alimentación principal (vías) y en caso de no admitir más, se descarga directamente a un banco de resistencias y en lugar de ser utilizada para un mejor fin, se desperdicia. El trabajo parte de esta observación y nosotros decidimos tomar ésta energía y en lugar de llevarse directamente al banco de resistencias y disiparse en calor, proponemos implementar un arreglo que admita la energía obtenida a partir del frenado regenerativo y sea llevada a un banco de baterías para poder almacenarla y así en caso de alguna emergencia la ventilación y la iluminación no sean interrumpidas por acción de las baterías.

5.2 Alimentación de ventiladores o iluminación Cuando ocurra una interrupción en las líneas de alimentación directas para el tren, deberá hacerse una conmutación de las líneas principales, al banco de baterías y se pueda tener una alimentación ininterrumpida de ventiladores o de lámparas de emergencia.

FIGURA 5.1. ALIMENTACIÓN DE VENTILACIÓN [9]

ALIMENTACION

ENERGÍADEL FRENADO REGENERTIVO

ALIMENTACION

ENERGÍADEL FRENADO REGENERTIVO

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FIGURA 5.2 ALIMENTACIÓN PARA ILUMINACIÓN DE EMERGENCIA [9]

5.3 Operación del sistema propuesto. Su operación es la siguiente:

Cuando ocurre una interrupción en la línea que suministra la alimentación a la carga, el interruptor de transferencia cambia de estado y pasa a la alimentación dada por las baterías; cuando la alimentación principal es restablecida cambia nuevamente de estado. Cabe destacar que las baterías siempre se encuentran alimentadas por un voltaje mínimo pero constante dado por el cargador de baterías que se explica en la siguiente sección.

Los elementos que conforman al circuito son:

El filtro y supresor de transitorios tiene como finalidad rechazar tensiones de alta frecuencia y recortar los picos de alta tensión, cuando el voltaje en las terminales de éstos aumenta, la resistencia del elemento de protección disminuye, dejando pasar más corriente. Se conforma principalmente de diodos [9]. El filtro debe esta conectado lo más cercano a la fuente de realimentación para detectar algún pico y éste no llegue a los demás elementos.

El cargador de baterías garantiza una tensión de flotación segura para el

banco de baterías, así como la recarga de la batería después de ser utilizada. El cargador de baterías consiste en un devanado adicional del transformador de salida además de un puente de diodos para convertir la CA en CD y un Mosfet el cual conecta y desconecta la “Carga” a las baterías y esto comandado por la tarjeta de Control. El mosfet generalmente tiene disipador de calor [9].

ALIMENTACION

ENERGÍADEL FRENADO REGENERTIVO

ALIMENTACION

ENERGÍADEL FRENADO REGENERTIVO

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El convertidor de CD a CA (inversor) se encarga de convertir la tensión entregada por la batería en CA para alimentar la carga. Se constituye de una etapa de oscilación que es la que genera pulsos para que los ciclos que obtengamos al final de éste sean iguales a los suministrados por la compañía que suministra la alimentación, otra etapa de amplificación para amplificar los pulsos y otra más de elevación dada por un transformador elevador, principalmente [9].

El interruptor de transferencia normalmente es un relevador que hace el cambio muy rápido hacia la carga para alimentarla en caso de falla en la alimentación directa de la línea [9]. Se utiliza un relevador porque la respuesta que necesitamos al hacer la conmutación no es crítica como podría ocurrir en el caso de una computadora.

Esto sucede cuando el interruptor de transferencia cambia de estado en la figura 5.1

Para el circuito mostrado arriba utilizamos la disposición de los UPS off-line denominado así por que el inversor no esta alimentado directamente por la línea que suministra la alimentación a la carga. Así como también se ha observado el modo de conmutación que operan en las plantas de emergencia [10].

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Referencias del proyecto [1] Información adquirida en www.metro.df.gob.mx/operacion/conformactren.html. [2] Información adquirida en www.metro.df.gob.mx/operacion/conformactren. [3] Información adquirida manuales de operación del metro grupo de trabajo de análisis del frenado de la línea 8. [4] Información adquirida en el Informe final del proyecto. Presentado al STC. Febrero 2006. Problemática del sistema de tracción y frenado de los trenes de la línea ocho del metro de la ciudad de México. [5] Información adquirida en Principios y aplicaciones de ingeniería eléctrica tecera edición, editorial McGraw Hill. [6] Información adquirida, guía técnica N°8 de fren ado eléctrico. Realizado por ABB http://www.abb.com/motors&drives. [7] Información adquirida en un trabajo realizado, Experimentos en Teoría de Control: Convertidores CD-CD. Realizado por Daniel U. Campos-Delgado Facultad de Ciencias (UASLP). [8] Información adquirida de un proyecto ICARUS, España. [9] Configuración UPS Off-line del tutorial UPS, No break, SAI http://www.unicrom.com/UPS-fuente-alimentacion.asp [10] Información adquirida de ABC de las Instalaciones Eléctricas Industriales de Enriquez Harper.

Bibliografía

Giorgio Rizzoni, Principios y aplicaciones de ingeniería eléctrica. Tercera edición McGraw Hill, 2000. H. Rashid, Muhammad. “Electrónica de Potencia, circuitos, dispositivos y aplicaciones”, 2ª ed., Prentice Hall., 1995. K. Ogata, “Ingeniería de Control Moderna”, 4a Edición, Prentice Hall, 2002. Enriquez Harper, “El ABC de las Instalaciones Eléctricas Industriales”, Grupo Noriega editores. www.metro.df.gob.mx/operacion/conformactren.html http://www.abb.com/motors&drives.

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Conclusiones.

En el presente trabajo se realizo de forma analítica, la forma de solucionar una situación que se presenta cotidianamente en las instalaciones del Metro de la Ciudad de México. Se ha dejado claro que es la de regenerar los recurso, en el frenado de los motores, que cada ves son mas difíciles de consumir los recursos de la vida cotidiana en una ciudad tan grande como es esta. Se planteo dos posibles soluciones para aprovechar la energía que se va a almacenar, tomando en cuenta que no se va a consumir mucho y que este trabajo sirva posteriormente para que las próximas generaciones de ingenieros, puedan tomarlo como base de algún proyecto o alguna investigación. Esperamos que con este trabajo podamos despertar la inquietud de las próximas generaciones, creando una conciencia de realizar estudios, investigaciones sobre el reaprovechamiento de los recursos generados por algún proceso que sea de su inquietud, ya que a futuro se contempla que cada ves será mas difícil contar con recursos propios de la tierra para transfórmalos en un bien o servicios que demande la sociedad.