Siemens Sistemas de Transporte. Sistemas de. Transporte. Soluções Eficientes para o Transporte Ferroviário

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Texto

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Soluções Eficientes para o

Transporte Ferroviário

Siemens

Sistemas de

Transporte

Siemens

Sistemas de

Transporte

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AEAMESP, Set/ 2003

Transporte Ferroviário

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 Utilização de IGBT

 Aplicação na substituição de sistemas de tração de c.c.

existentes:

 Equipamentos chopper com tiristores / GTO’s

 Equipamentos com comutadores

Nova aplicação de sistemas chopper de tração

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AEAMESP, Set/ 2003

 Equipamentos com comutadores

electromecânicos

 Aplicação como medida de economia de energía  Modernização de equipamentos de tração, visando:

 Redução dos custos de manutenção  Aumento da confiabilidade

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Princípio técnico do chopper IGBT

 Aproveitar as características técnicas oferecidas pelo IGBT  Aproveitamento dos motores de tração de CC e redutores

originais

 Aproveitamento da faixa completa da tensão de serviço dos

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AEAMESP, Set/ 2003

 Aproveitamento da faixa completa da tensão de serviço dos

motores de tração

 Fazer a separação entre as condições operacionais dos

motores de tração e as condições da rede.

 Operação dos motores de tração em pleno campo, sem

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Circuito de tração I1 M1 M1 M2 M2 RB1

A1, A2 Chopper de tração e frenagem C Capacitor de entrada F1 Disjuntor extra-rápido F2 Para raios

I1, I2 Sensor de corrente K1 Contator de entrada (rede) K2 Contator de pré-carga L1 Indutância de entrada M1, M2 Grupo I - motores de tração M3, M4 Grupo II - motores de tração RB1, RB2 Resistências de frenagem R1 Resistência de pré-carga

R2 Resistência de descarga permanente. U0 Sensor de tensão da rede

U1 Sensor de tensão do circuito interm. Auxiliares F1 X 750 V C.C F2 A1 Chopper de tração e frenagem

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AEAMESP, Set/ 2003 L1 I2 M1 M2 M3 M3 M4 M4 RB2 R1 R2 C U1 Riel

U1 Sensor de tensão do circuito interm. X Pantógrafo K2 U0 K1 A2 Chopper de tração e frenagem

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P Hs S2 S1 R N LF Truque 1 750 V DC

Redução de contatos (contatores)

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AEAMESP, Set/ 2003 Conv. auxailiar R0 T 2 D 01 T 5 D 03 Z H P R S CF2 L V C F1 D 1 V D 2 M T4 T 3 D02 T 1 L V Truque 2

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 Para um circuito de 4 motores, são necessários somente 6

contatores que operam sem corrente:

 4 contatores de inversão de marcha (2 por conjunto

de motor)

 1 contator de rede

Redução de Contatos (contatores)

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AEAMESP, Set/ 2003  1 contator de pré-carga  São eliminados:

 contatores de enfraquecimento de campo  contatores de inversão de marcha

 contatores de comutação marcha/frenagem  contatores de pré-resistências de frenagem

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(750V) UL LF U2 T2 DT5 LV U1

Processos de Marcha em Tração

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AEAMESP, Set/ 2003 LV U1 M CF2 HP RS CF1 T4 D02 D2 M V

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Processos de Marcha em Tração

Figura 1: Redução da Corrente do Motor

400 500 600 I mot (A) 0,8 1,0 1,2 Valores Relativos ψ=0,35 Ik (A) Ik (A) Ik (A) Uk =1200V

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AEAMESP, Set/ 2003 0 100 200 300 0 20 40 60 80 100 Velocidade (km/h) 0,0 0,2 0,4 0,6 vmax

Corrente do motor - circuito tradicional Corrente do motor - com Chopper IGBT Tensão do motor - circuito tradicional Tensão do motor - com Chopper IGBT

UK Mot. tradicional

Uk =750V

v1

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Processos de Marcha em Tração

Figura 2: Aumento da Potência disponível do Motor

P o n ci a M o to r P M / P m áx 0,8 1,0 1,2 P clássico Valores Relativos Pmáx con IGBT

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AEAMESP, Set/ 2003

Potência disponível do motor - circuito tradicional Potência disponível do motor - com Chopper IGBT

0 20 40 60 80 100 Velocidade (km/h) P o n ci a M o to r P M / P m áx 0,0 0,2 0,4 0,6 P clássico

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Processos de Marcha em Tração

Figura 3: Aumento da Força de Tração Ft

F o a t ra çã o F t /F m áx 0,8 1,0 1,2 Valores Relativos FT / Fmáxcom IGBT

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AEAMESP, Set/ 2003 0 20 40 60 80 100 Velocidade (km/h) F o a t ra çã o F 0,0 0,2 0,4 0,6

Força de tração do motor - circuito tradicional Força de tração do motor - com Chopper IGBT

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Processos de Marcha em Tração

Figura 4: Característica de Marcha com Limitação de Velocidade

60 70 80 90 100 V [ km /h ] Tradicional, com Chopper IGBT

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AEAMESP, Set/ 2003 0 10 20 30 40 50 60 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 t [s] V [ km /h ]

Curva de marcha - com circuito tradicional Curva de marcha - com Chopper IGBT

Tradicional, com enfraq. de campo

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Freio Eletrodinâmico UL máx (800/900V) U2 DT2 D01 T5 D03 R0 LF D1

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AEAMESP, Set/ 2003 D1 RS HP CF2 LV U1 CF1 T3 DT4 T 1 V M +

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Processos de Frenagem

Figura 5: Aumento da Energia Regenerativa

400 500 600 C o rr en te d a re d e IL (A ) IL (A) IGBT Ik (A) v2

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AEAMESP, Set/ 2003

Curva da recuperação de energia - circuito tradicional Curva da recuperação de energia - com Chopper IGBT Corrente do motor 0 100 200 300 0 20 40 60 80 100 C o rr en te d a re d e IL (A ) Velocidade (km/h) IL (A)

IL (A) com pré-resistências v1

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Figura 6: Igualdade das potências de frenagem Pb

Processos de Frenagem P o n ci a d e fr en ag em P b /P b m áx 0,8 1,0 1,2 Valores Relativos Pb

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AEAMESP, Set/ 2003 0 20 40 60 80 100 P o n ci a d e fr en ag em P b /P b 0,0 0,2 0,4 0,6 Velocidade (km/h) Pb

Potência de frenagem do motor - circuito tradicional Potência de frenagem do motor - com Chopper IGBT

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Figura 7: Igualdade das forças de frenagem exigidas Fb

F o a d e fr en ag em F b /F b m áx 0,8 1,0 1,2 Processos de Frenagem Valores Relativos Fb/Fbmáx

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AEAMESP, Set/ 2003 0 20 40 60 80 100 F o a d e fr en ag em F b /F b m áx 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 Velocidade (km/h) Um/1200V Tensão Motor Umáx=1200V

Força de frenagem do motor - circuito tradicional Força de frenagem do motor - com Chopper IGBT Curva da tensão do motor

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Perdas no motor, com Chopper IGBT

Figura 8: Reducão das perdas do Motor PM

0,8 1,0 1,2 Valores Relativos P er d as d o M o to r Perdas do Motor PM

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AEAMESP, Set/ 2003 0 20 40 60 80 100 Velocidade (km/h) 0,0 0,2 0,4 0,6

Perdas do motor - com circuito tradicional Perdas do motor - com Chopper IGBT Perdas no campo (IGBT)

Perdas no induzido (IGBT)

P er d as d o M o to r vmáx Perdas no campo v1 v2 Perda no induzido

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Perdas no Motor, com Chopper IGBT

Figura 9: Aumento do rendimento

0,96 0,98 1,00 v3 Chopper IGBT v1 Rendimento

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AEAMESP, Set/ 2003 0,90 0,92 0,94 0,96 0 20 40 60 80 100 Velocidade (km/h)

Força de frenagem do motor - circuito tradicional Força de frenagem do motor - com Chopper IGBT

v2 vmáx

Tradicional com enfraq. de Campo

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Balanço de Energia, com Chopper IGBT

Speed chart of a vehicle full to capacity (distance min. about 890 m, 0 gradient)

vmax = 80km/h

Comparison of pow er consumption for the w hole cycle (w ith full regeneration) 80 90 100 0,8 0,9 1 Pow ering Ikmax=500A Braking Ikmax=450A SUPER= 63 324kWs classical= 70 161 kWs Relative energy consumption

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AEAMESP, Set/ 2003 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 t [s] V [ km /h ] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Ikmax=500A SUPER classical classical= 33 397 kWs SUPER= 21 612kWs consumption per cycle

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Vantagens Fundamentais do Novo Circuito

Quantidade mínima de elementos de contato (contatores) que

operam sem corrente.

Aumento da dinâmica dos veículos na fase de arranque e nos

processos de frenagem, ou seja, aumento dos valores de

aceleração na tração e de atuação do freio eletrodinâmico, até quase 0 km/h.

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AEAMESP, Set/ 2003 quase 0 km/h.

Redução considerável das perdas do circuito, devido à

operação dos motores com 100% de excitação (eliminação do enfraquecimento dos campos e das pré-resistências de freio, etc...)

Possibilidade de recuperar quase 100% da energia de

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Vantagens Fundamentais do Novo Circuito

Os motores de tração são alimentados com tensão contínua

muito retificada, que é mantida até o valor da tensão de frenagem.

Redução da corrente dos motores a pleno campo.

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AEAMESP, Set/ 2003

Redução das perdas do circuito na fase de tração. Aumento do rendimento da máquina.

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Vantagens Fundamentais do Novo Circuito

A operação dos motores com 100% de campo e altos valores

de tensão melhora consideravelmente os processos de

comutação da máquina, o que se reflete em desgaste mínimo do coletor.

Segurança absoluta contra curto-circuitos, em todos os

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AEAMESP, Set/ 2003

Segurança absoluta contra curto-circuitos, em todos os

processos operacionais.

Regulação do circuito de potência nos processos de

aceleração e frenagem, de forma progressiva contínua.

Redução considerável das intervenções para manutenção,

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SITRAS

®

SES

SITRAS

®

SES

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AEAMESP, Set/ 2003

SISTEMA ESTÁTICO DE ARMAZENAMENTO DE

ENERGIA PARA SISTEMAS METRO-FERROVIÁRIOS

SISTEMA ESTÁTICO DE ARMAZENAMENTO DE

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Energia consumida Energia de frenagem (regeneração) Até 40% da energia 90% para tração

SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Motivação

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AEAMESP, Set/ 2003 Até 40% da energia total fica, teoricamente, disponível para ser recuperada 40% 90% para tração 10% para serviços auxiliares 100%

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Absorção da energia excedente devido a frenagem dos veículos Modo de Operação: Economia de Energia

SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Aplicações

Armazenamento desta energia

Esta energia fica disponível para veículos que irão acelerar (iniciar movimento)

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AEAMESP, Set/ 2003

Benefício: Menor consumo de energia da concessionária

Modo de Operação: Estabilização da Tensão

Benefício: Otimização da estabilização da tensão

Acumulardor carregado apresenta tensão elevada

O acumulador descarrega quando a tensão cai abaixo de um valor pré-determiando

O acumulador é carregado rapidamente através de um veículo que freia em suas proximidades ou lentamente através do sistema de tração (subestações)

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Princípio de Funcionamento SITRAS® SES

Troca de energia entre veículos

A energia de frenagem pode ser utilizada por outro veículo, somente se os precessos de frenagem e aceleração ocorrerem

Modo de Operação: Economia de Energia

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AEAMESP, Set/ 2003 Iniciar Animação ocorrerem simultaneamente.

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Princípio de Funcionamento SITRAS® SES

Troca de energia entre veículos através do Acumulador

O acumulador

abosorve a energia de frenagem que fica disponível para alimentar o sistema após algum tempo

Modo de Operação: Economia de Energia

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AEAMESP, Set/ 2003 Iniciar Animação

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Se vários veículos acelerarem ao mesmo tempo, a tensão do sistema cai, podendo ocorrer desligamentos por subtensão.

Princípio de Funcionamento SITRAS® SES

Flutuações de Tensão

Modo de Operação: Estabilização da Tensão

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AEAMESP, Set/ 2003 por subtensão. Iniciar Animação

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Princípio de Funcionamento SITRAS® SES

O acumulador de

energia é descarregado caso a tensão caia

abaixo de um valor pré-determinado

Optimizing the system voltage

Modo de Operação: Estabilização da Tensão

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AEAMESP, Set/ 2003 Iniciar Animação

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Possibilidades de conexão

SITRAS SES na linha

SITRAS SES

SITRAS SES na subestação

SITRAS SES

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AEAMESP, Set/ 2003 H H H H

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Diagrama de Blocos

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AEAMESP, Set/ 2003 Sistema de tração DC Conversor Unidade de Conexão Banco de Capacitores

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Unidade de Conexão Conversor Banco de Capacitores

SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Diagrama de Conexões D C 6 0 0 / 7 5 0 V S0 S1 R K L1

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AEAMESP, Set/ 2003 D C 6 0 0 / 7 5 0 V R 1 K1 C S0 V1 L2 CBank V2 R2

S0 Chave Secc. L1 Reator de Linha (Filtro) V2, R2 Unidade de descarga

S1 Disjuntor DC C Capacitor de Linha (Filtro) CBank Banco de Capacitores

R1 Resistência de pré carga V1 Conversor

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Arranjo Cubículo dos Conversores Unidade de Conex./ Cubículos de Controle aprox. 0.70 m

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AEAMESP, Set/ 2003 min. 1.20 m aprox. 0.90 m aprox. 2.70 m

Cubículo dos Capacitores

Altura mínima da Sala 2.90 m

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Banco de Capacitores: Supervisão de defeitos („Watchdog“)

Supervisão dos capacitores conectados em paralelo

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AEAMESP, Set/ 2003

Balanço da tensão dos capacitores

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Conversor: IGBT‘s

520 mm

Conversor Padrão utilizado, também, em veículos como o “Desiro ®”

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AEAMESP, Set/ 2003 380 mm 270 mm

Projeto Modular e Compacto Ventilação natural

Tecnologia Moderna

Capacidade para curto-circuitos

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Variantes

Montagem em cubículos para

integração em Subestações Montagem em Container

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AEAMESP, Set/ 2003 Dimensões: 0.9x2.7x2.5 m (PxLxA) Dimensões: 2.9x3.2x3.2 m (PxLxA)

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Operação em Colônia (Alemanha) desde 2001

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AEAMESP, Set/ 2003

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Operação em Colônia desde 2001

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AEAMESP, Set/ 2003

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia Subestação 63

Merheim

SITRAS SES

Subestação 64 Brück Mauspfad

Operação em Colônia desde 2001

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AEAMESP, Set/ 2003 Merheim Kalker Friedhof H H H H H Flehbach str. Brück Mauspfad Lustheide 500 m 2000 m 500 m 2000 m

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Corrente I1 Alimentador 1 Corrente I2 Alimentador 2 Corrente I3 Alimentador 3 Corrente I4 Alimentador 4 Corrente Acumulador absorve Corrente. Energia armazenada Veículo Acelerando Veículo Freiando Veículo Acelerando Acumulador Fornece Corrente Acumulador Absorve Corrente 0 + 0 + 0 + 0 + 0

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AEAMESP, Set/ 2003

Um veículo no alimentador 3 acelera, I3é positiva – Acumulador fornece energia para o sistema, WSESé

reduzida, corrente no acumulador ISESé negativa.

t1

Um veículo no alimentador 2 freia, I2é negativa –WSESaumenta, corrente no acumulador ISES é positiva..

t2

Um veículo no alimentador 3 freia, I1é negativa – corrente no acumulador ISESé positiva.

t3

Durante o processo de frenagem no alimentador 1, outro veículo acelera no alimentador 4. O acumulador imediatamente muda o modo de operação para descarga, apoiando o processo de aceleração –WSES

diminui, corrente no acumulador é negativa.

t4 Corrente No Acumulador ISES Energia Armazenada WSES Acumulador fornece Energia Energia armazenada aumenta. Acumulador

fornece energia Acumulador absorveenergia

0 100 200 300 t [s] 0 100% 30% t1 t2 t3 t4

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Operação em Madrid desde 2002

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AEAMESP, Set/ 2003

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Operação em Madrid desde 2002

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AEAMESP, Set/ 2003

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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia

Operação em Madrid desde 2002

Subestação Salamanca Acumulador SITRAS SES

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AEAMESP, Set/ 2003 Goya H H Manuel Becerra H Ventas 630 m 622 m ca. 100 m

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500 550 0 300 600 -300 -600 40 60 80 100 Energia Armazenada WSES[%] Corrente no Acumulador ISES[A] Tensão limite

Abosorção de energia da Subestação (linha DC) Absorção da energia de frenagem

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AEAMESP, Set/ 2003

Devido a muitos veículos acelerando ao mesmo tempo, a tensão dos sistema (USys) cai para níveis críticos

(cerca de 520 V). Quando a tensão caí abaixo do limite pré-ajustado (520 V), o acumulador entre em

operação dando “suporte” a tensão (t2-t1). Neste processo, o acumulador é descarregado - Corrente ISES é

negativa e a energia armazenada (WSES) diminui.

t1

Quando os períodos de aceleração simultânea pararem, a tensão do sistema (USys) começa a aumentar.

O acumulador é carregado lentamente (ISES) através da subestação; A energia armazenada aumenta

gradativamente (WSES).

t2

Uma vez mais, um veículo inicia processo de frenagem. O acumulador é carregado através de uma alta corrente (ISES).

t4

Um veículo freia, a tensão do sistema (USys) sobe temporariamente. O acumulador é carregado através de

uma alta corrente (ISES). Após absorção da energia de frenagem, o acumulador é novamente carregado

com baixa corrente (ISES) através da subestação.

t3 t1 t3 11:52 t4 11:53 0 20 WSES[%] 11:51 t 2

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SITRAS® SES: Resultados práticos

Medições no Metrô de Madrid em 2002 (Ventas)

SITRAS SES fora de operação ⇒ ⇒⇒ ⇒ A tensão do sistema cai para 470 V ⇒ ⇒⇒ ⇒ Ocorrencia de

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AEAMESP, Set/ 2003 SITRAS SES em operação ⇒ ⇒⇒ ⇒ A tensão do sistema cai para 490 V (mínimo) ⇒ ⇒⇒ ⇒ Não há desligamentos por subtensão. ⇒ ⇒⇒ ⇒ Ocorrencia de desligamentos por subtensão

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Dados Técnicos

SITRAS SES Sistema de armazenamento de energia

Tensão de entrada (tolerância de acord. com EN 50163) DC 600 / 750 V

Número de Capacitores aprox. 1300

Capacitância Total 64 F

Conteúdo Energético 2.3 kWh

Máxima economia de energia por hora 65 kWh/h

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AEAMESP, Set/ 2003 Alimentação auxiliar 3 AC 400 V opcional DC 750 V

Máxima economia de energia por hora 65 kWh/h

Pico (capacidade de absorção / alimentação) 1 MW

Eficiência do banco de capacitores 0.95

Temperatura ambiente –20...+40 °C

Máxima altitude (sem alteração das características) 1000 m

Peso do container aprox. 5.5 t

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Vantagens da utilização do acumulador de energia

Absorve a energia de frenagem dos trens, armazena e fornece para os trens que estão partindo

Aspectos econômicos

Redução dos picos de potência solicitados à concessionária Redução dos custos de investimentos - expansões

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AEAMESP, Set/ 2003

Compensação à oscilações de tensão Com relação ao sistema

Menor solicitação das subestações Suporte da tensão nos finais de linha Aspectos de segurança

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Avaliação da possibilidade de instalaçãowww.siemens.com.br/transporte/quest.sitras.ses

Características dos trens

Características do traçado

Peso, comprimento

Máx. aceleração e desaceleração

Correntes de tração e regeneração (curva Ixv) Esforços de tração e frenagem (cur va)

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AEAMESP, Set/ 2003

Características do sistema de suprimento de energia

Curvas, rampas

Velocidades máximas por trecho Distância entre estações de parada

Potência, quantidade e posição das subestações

Headway

Dados elétricos das subestações (resistências, impedâncias, tensão em vazio ...)

Características do sistema

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Versão em Container Versão em Subestação

Fornecimentos / Encomendas

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AEAMESP, Set/ 2003 Fornecimentos / Encomendas

Container em Colônia desde Março 2001,2003

Em conversação

Lausanne Container em Madrid desde Abril 2002

Subestação em Bochum em Maio 2003 Container em Dresden em Junho 2002 Container em Portland em Julho 2002 Subestação em Munich em Setembro 2002 Container em Karlsruhe em Dezembro 2002

London, Manchester Barcelona, Madrid

Berlin, Düsseldorf, Essen, Stuttgart Turin, Verona

Amsterdam New York

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Agradecemos a atenção

Marco Missawa / Renato Peres Vio Siemens Sistemas de Transporte Av. Mutinga, 3800 05110-901 - Sao Paulo – SP

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AEAMESP, Set/ 2003 05110-901 - Sao Paulo – SP Email: missawa@siemens.com renato.vio@siemens.com Internet: www.siemens.com.br/transporte

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Referências

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