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Soluções Eficientes para o
Transporte Ferroviário
Siemens
Sistemas de
Transporte
Siemens
Sistemas de
Transporte
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AEAMESP, Set/ 2003Transporte Ferroviário
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Utilização de IGBTAplicação 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/ 2003Equipamentos 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 IGBTAproveitar 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/ 2003Aproveitamento 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 RB1A1, 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 RielU1 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 DCRedução 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 2S
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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 U1Processos de Marcha em Tração
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AEAMESP, Set/ 2003 LV U1 M CF2 HP RS CF1 T4 D02 D2 M VS
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Processos de Marcha em TraçãoFigura 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 vmaxCorrente 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 TraçãoFigura 2: Aumento da Potência disponível do Motor
P o tê 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/ 2003Potência disponível do motor - circuito tradicional Potência disponível do motor - com Chopper IGBT
0 20 40 60 80 100 Velocidade (km/h) P o tê 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 TraçãoFigura 3: Aumento da Força de Tração Ft
F o rç 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 rç a t ra çã o F 0,0 0,2 0,4 0,6Força de tração do motor - circuito tradicional Força de tração do motor - com Chopper IGBT
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Processos de Marcha em TraçãoFigura 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 D1S
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AEAMESP, Set/ 2003 D1 RS HP CF2 LV U1 CF1 T3 DT4 T 1 V M +S
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Processos de FrenagemFigura 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/ 2003Curva 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 tê 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 tê n ci a d e fr en ag em P b /P b 0,0 0,2 0,4 0,6 Velocidade (km/h) PbPotência 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 rç 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 rç 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=1200VForça 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 IGBTFigura 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 0,6Perdas 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 IGBTFigura 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 IGBTSpeed 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 cycleS
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Vantagens Fundamentais do Novo CircuitoQuantidade 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 CircuitoOs 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/ 2003Redução das perdas do circuito na fase de tração. Aumento do rendimento da máquina.
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Vantagens Fundamentais do Novo CircuitoA 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/ 2003Segurança 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
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SES
SITRAS
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AEAMESP, Set/ 2003SISTEMA 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 traçãoSITRAS® 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%S
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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/ 2003Benefício: 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® SESTroca 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.S
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Princípio de Funcionamento SITRAS® SESTroca 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 AnimaçãoS
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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 AnimaçãoS
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Princípio de Funcionamento SITRAS® SESO 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 AnimaçãoS
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaPossibilidades de conexão
SITRAS SES na linha
SITRAS SES
SITRAS SES na subestação
SITRAS SES
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AEAMESP, Set/ 2003 H H H HS
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaDiagrama de Blocos
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AEAMESP, Set/ 2003 Sistema de tração DC Conversor Unidade de Conexão Banco de CapacitoresS
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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 R2S0 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 energiaArranjo 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 mCubículo dos Capacitores
Altura mínima da Sala 2.90 m
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaBanco de Capacitores: Supervisão de defeitos („Watchdog“)
Supervisão dos capacitores conectados em paralelo
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AEAMESP, Set/ 2003Balanço da tensão dos capacitores
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaConversor: IGBT‘s
520 mm
Conversor Padrão utilizado, também, em veículos como o “Desiro ®”
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AEAMESP, Set/ 2003 380 mm 270 mmProjeto Modular e Compacto Ventilação natural
Tecnologia Moderna
Capacidade para curto-circuitos
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaVariantes
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)S
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaOperação em Colônia (Alemanha) desde 2001
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AEAMESP, Set/ 2003S
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaOperação em Colônia desde 2001
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AEAMESP, Set/ 2003S
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energia Subestação 63Merheim
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 mS
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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 – + 0S
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AEAMESP, Set/ 2003Um 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 energiaOperação em Madrid desde 2002
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AEAMESP, Set/ 2003S
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaOperação em Madrid desde 2002
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AEAMESP, Set/ 2003S
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SITRAS® SES Sistema de armazenamento de energiaOperação 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 mS
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500 550 0 300 600 -300 -600 40 60 80 100 Energia Armazenada WSES[%] Corrente no Acumulador ISES[A] Tensão limiteAbosorção de energia da Subestação (linha DC) Absorção da energia de frenagem
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AEAMESP, Set/ 2003Devido 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 práticosMedições 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 subtensãoS
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Dados TécnicosSITRAS 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 VMáxima 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 energiaAbsorve 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/ 2003Compensação 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.sesCaracterísticas 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/ 2003Características 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 / EncomendasContainer 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