Análise e concepção de um sistema híbrido de armazenamento de energia para aplicação em locomotivas diesel-elétricas

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Análise e concepção de um sistema híbrido de armazenamento de energia para aplicação em locomotivas diesel-elétricas

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Title: Análise e concepção de um sistema híbrido de armazenamento de energia para aplicação em locomotivas diesel-elétricas
Author: Moraes, Caio Guilherme da Silva
Abstract: O alto nível de concorrência no setor de transporte, aliado às restrições impostas para a proteção ambiental e às limitações do recurso de combustíveis fósseis tem impulsionado o desenvolvimento de veículos híbridos/elétricos. Nesse contexto, esta dissertação tem como principal objetivo propor um sistema de armazenamento, baseado em baterias e supercapacitores, capaz de reaproveitar a energia proveniente da frenagem em locomotivas diesel-elétricas, a fim de reduzir o consumo de diesel e, consequentemente, a emissão de poluentes. Diferentemente das soluções encontradas na literatura, a proposta desse sistema é utilizar a energia armazenada apenas para alimentar as cargas auxiliares da locomotiva, enquanto a energia de tração continua sendo provida pelo gerador a diesel. Dessa forma, a capacidade de armazenamento necessária para o sistema é reduzida significativamente, o que também se reflete no seu volume e custo. Do ponto de vista técnico, o sistema é composto por três conversores CC-CC bidirecionais, sendo um responsável pela regeneração e os outros pelo processamento da energia armazenada nas baterias/supercapacitores, além de um conversor CC-CA trifásico, todos eles conectados como em uma microrrede CC. Diante da necessidade de garantir o balanço de potência entre os conversores, independentemente das condições operacionais, propõem-se a utilização de uma estratégia de controle descentralizada, a qual dispensa o uso de um link de comunicação, resultando em maior confiabilidade e menor custo para o sistema. Como forma de validar a análise teórica, implementou-se um protótipo em escala reduzida, empregando-se motores de indução e de corrente contínua para emular o sistema de tração da locomotiva. Devido às limitações de potência do motor CC e do banco de baterias disponíveis em laboratório, a potência máxima testada no sistema foi de 7,6 kW. Nessas condições, foram analisados doze cenários distintos, oriundos das variadas combinações de geração e demanda, obtendo-se resultados satisfatórios para a validação da teoria abordada.Abstract: The high level of competition in the transportation sector, combined with restrictions imposed for environmental protection and limitations of fossil fuel resources have driven the development of hybrid/electric vehicles. In this context, this Master?s Thesis aims to propose a hybrid storage system, based on batteries and supercapacitors, capable of recovering the braking energy in diesel-electric locomotives, in order to reduce diesel consumption and, consequently, the emission of polluting gases. Unlike the solutions found in literature, the purpose of this system is to use the stored energy only to power locomotive auxiliary loads, while the traction energy keeps being provided by the diesel generator. In this way, the storage capacity required for the system is significantly reduced, which is also reflected in its volume and cost. From a technical point of view, the system consists of three bidirectional DC-DC converters, one responsible for regeneration and the others for processing the energy stored in batteries/supercapacitors, as well as a three-phase DC-AC converter, all of them connected as in a DC microgrid. Faced with the need to ensure the power balance between the converters, regardless of operational conditions, it is proposed to use a decentralized control strategy, which eliminates the use of a communication link, resulting in greater reliability and lower cost for the system. As a way to validate the theoretical analysis, a small scale prototype was implemented, using induction and direct current motors to emulate the locomotive?s traction system. Due to the power limitations of the DC motor and battery bank available in the laboratory, the maximum power tested in the system was 7.6 kW. Under these conditions, twelve different scenarios were analyzed, from different combinations of generation and demand, obtaining satisfactory results in agreement with theory and simulation analysis.
Description: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2020.
URI: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/216618
Date: 2020


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