SISTEMAS DE TRACCION FERROVIARIA:
Contenido del Artículo Técnico:
- SISTEMA ELECTRICO DE UN TREN
- SISTEMA DE ALIMENTACIÓN A LA CATENARIA: Vcc / Vac
- SISTEMA DE CATENARIA: Operación Normal – Degradado: falla un transformador – Degradado falla una S/E – Redundancia AT
- Cálculos y Simulaciones
- Solución definitiva.
- Sistema MAGLEV – Alta Velocidad.
SISTEMA ELÉCTRICO DE UN TREN:
El sistema eléctrico de un tren es una parte fundamental de su funcionamiento, especialmente en trenes modernos que utilizan motores eléctricos para la tracción en lugar de motores diésel o de vapor. A continuación, se describen algunos de los componentes clave de un sistema eléctrico de tren:
Pantógrafos: Estos son dispositivos montados en la parte superior del tren que hacen contacto con cables aéreos (catenarias) o barras electrificadas (tercer riel) para tomar la energía eléctrica necesaria para propulsar el tren. La electricidad se transmite desde la red eléctrica a través de estos sistemas.
Transformadores y rectificadores: La electricidad tomada de la catenaria o tercer riel a menudo necesita ser transformada y rectificada para adaptarse a las necesidades del tren. Los transformadores ajustan la tensión de la corriente eléctrica, mientras que los rectificadores convierten la corriente alterna en corriente continua, que es la forma en que funcionan la mayoría de los motores eléctricos de los trenes.
Motores eléctricos: Los trenes modernos utilizan motores eléctricos para la tracción. Estos motores convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico. Pueden ser motores de corriente continua (DC) o motores de corriente alterna (AC), dependiendo del diseño del tren y del sistema eléctrico.
Sistemas de control: Los trenes cuentan con sistemas de control avanzados que gestionan la distribución de energía eléctrica a los motores y controlan la velocidad y la dirección del tren. Los sistemas de control también supervisan y gestionan la frenada y otros aspectos de seguridad.
Baterías y generadores: Algunos trenes también tienen sistemas de respaldo, como baterías o generadores diésel, que pueden proporcionar energía en caso de una interrupción en la fuente de energía principal, permitiendo al tren detenerse de manera segura.
Sistemas de frenado regenerativo: Muchos trenes modernos utilizan sistemas de frenado regenerativo que aprovechan la energía generada durante el frenado para cargar las baterías o devolverla a la red eléctrica, lo que mejora la eficiencia energética.
Iluminación y sistemas auxiliares: Además de la propulsión, el sistema eléctrico también alimenta la iluminación interior y exterior, sistemas de climatización y otros sistemas auxiliares del tren.
Seguridad eléctrica: Se implementan medidas de seguridad para garantizar la protección contra descargas eléctricas y otros peligros eléctricos para los pasajeros y el personal del tren.
Es importante señalar que existen diferentes sistemas de electrificación en el ferrocarril, como catenarias aéreas, tercer riel, acumuladores de energía a bordo y sistemas híbridos. La elección del sistema depende de factores como la infraestructura ferroviaria, la distancia entre estaciones y la disponibilidad de energía eléctrica.
En resumen, el sistema eléctrico de un tren es un componente esencial que permite su funcionamiento mediante la conversión de energía eléctrica en movimiento mecánico, proporcionando una forma eficiente y sostenible de transporte ferroviario.
Debemos diferenciar en un Sistema Eléctrico en el Sector Ferroviario dos áreas bien definidas:
- Sistema de distribución en MT ó AT que alimentan a los Servicios Auxiliares en las Estaciones tales como Climatización, Ventilación, Extracción, Fuerza, Iluminación, entre otros.
- Sistemas de Alimentación a la Tracción de los Trenes en si y que pueden depender del anterior ó estar definidos de forma independientes según la configuración del Sistema Ferroviario. En este Artículo Técnico nos centraremos en la ALIMENTACIÓN AL SISTEMA DE TRACCIÓN DE LOS TRENES. Veremos igualmente la forma de mantener la continuidad del servicio a la hora de alguna falla de algún componente del Sistema. LA CONTINUIDAD DEL SERVICIO ELÉCTRICO ES PRIORITARIO. Bajo ninguna circunstancia debe fallar el servicio de trenes.
SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN A LA TRACCIÓN:
- SISTEMA DE CORRIENTE CONTINUA:
Al principio, se utilizaba únicamente la corriente continua ya que se usaban motores de conmutación serie de corriente continua porque era más favorable en las aplicaciones ferroviarias. Sin embargo, los sistemas de alimentación a la tracción eléctrica en corriente continua tienen la desventaja de usar valores de voltajes bajos, que requieren corrientes elevadas cuando los vehículos de tracción demandan elevadas potencias y por razones de Caída de Tensión los tramos de catenarias debían tener longitudes más cortas.
Debido a que el tráfico de trenes se incrementa cada día y la potencia requerida por cada uno de ellos cada vez es mayor, la tendencia es ir subiendo los valores de tensión con objeto de reducir las pérdidas y aumentar el rendimiento. Aunque se ha intentado aumentar los niveles de tensión, el elevado coste de fabricar equipos especiales y la dificultad de despejar potencias de cortocircuito elevadas en corriente continua han motivado el paso a corriente alterna cuando se demandan grandes potencias.
Las tensiones en Corriente Continua que usan los trenes del Metro Ligero y Tranvía son de 600 y 750 V y las Subestaciones se encuentran separadas entre 2 y 6 Km y la Potencia Instalada en cada Grupo Rectificador está entre 3 y 6 MW.
En otros Sistemas Ferroviarios como el Metro, los voltajes de alimentación de la Tracción son de 1.500 a 3.000 V por lo que la separación entre subestaciones varía entre 6 y 15 Km con una Potencia Instalado en cada Grupo Rectificador de la subestación entre 3 y 8 MW.
En el caso de los rectificadores de potencias mayores o iguales a 3 MW, los transformadores del grupo disponen de un primario que se conecta directamente a la red de alta tensión y dos secundarios, conectados uno en estrella y otro en triángulo, para conseguir un desfase de las tensiones de 30° y una pulsación dodecafásica. Cada secundario del transformador de potencia alimenta a un rectificador de onda completa constituido por diodos, los cuales se montan formando dos puentes de Graetz trifásicos.
SISTEMA DE FRENADO DINÁMICO:
El frenado dinámico con recuperación, también conocido como frenado regenerativo, es una técnica avanzada utilizada en trenes y otros vehículos eléctricos para reducir la velocidad o detenerse mientras al mismo tiempo se recupera parte de la energía generada durante el proceso de frenado. Este método es especialmente eficiente en sistemas de tracción eléctrica, como trenes eléctricos y tranvías, que utilizan motores eléctricos para su propulsión.
Aquí se explica cómo funciona el frenado dinámico con recuperación en un tren:
Generación de energía durante el frenado: Cuando el tren necesita reducir su velocidad o detenerse, el motor eléctrico actúa como generador. En lugar de consumir energía para mover el tren hacia adelante, el motor convierte la energía cinética del tren en energía eléctrica. Esta energía eléctrica se genera a medida que el motor actúa como generador, lo que disminuye la velocidad del tren.
Recuperación de energía: La energía eléctrica generada durante el frenado se redirige hacia una unidad de almacenamiento de energía, como una batería o un sistema de almacenamiento de energía a bordo o en la Subestación. En lugar de disiparse como calor en resistencias eléctricas, esta energía se almacena para su posterior uso.
Uso de la energía recuperada: La energía recuperada durante el frenado se puede utilizar para diversas aplicaciones, como proporcionar energía adicional al sistema de tracción del tren, cargar baterías para uso futuro o suministrar energía a sistemas auxiliares a bordo, como iluminación o aire acondicionado.
Control del frenado regenerativo: El conductor del tren o el sistema de control automático ajustan la cantidad de frenado regenerativo necesario según las condiciones y la velocidad deseada. Esto permite un frenado controlado y suave, al tiempo que se maximiza la recuperación de energía.
Combinación con frenos mecánicos: En situaciones en las que se requiere una desaceleración más rápida o una parada de emergencia, el frenado regenerativo se combina con frenos mecánicos tradicionales para lograr una mayor fuerza de frenado.
El frenado dinámico con recuperación es beneficioso no solo porque reduce el desgaste de los frenos mecánicos y aumenta la eficiencia energética, sino también porque puede ayudar a reducir el consumo de energía y las emisiones de carbono en sistemas de transporte eléctricos. La energía recuperada durante el frenado se reutiliza en lugar de desperdiciarse, lo que hace que el sistema sea más sostenible y rentable a largo plazo.
- SISTEMA DE CORRIENTE ALTERNA:
SISTEMA 1X25 KV:
Típicamente se conectan a redes de 115 kV, 230 kV o 400 kV. Una salida del secundario del transformador de tracción se conecta a la línea aérea (25 KV) de contacto y la otra al carril, estando este unido rígidamente a tierra. Esta carga bifásica no provoca desequilibrios en la tensión y corriente de la red trifásica (ver conexiones típicas en párrafos posteriores).
La catenaria está divida en tramos eléctricos. El planteamiento es que cada tramo pueda ser alimentado por uno de los dos transformadores de potencia instalados en cada subestación eléctrica estando conectado cada transformador a una fase diferente a la de los transformadores contiguos.
El retorno de corriente se realiza en gran parte por los carriles. Se calcula que del orden del 70% de la corriente retorna por el carril, mientras que el 10% lo hace por capas profundas del terreno y el 20% por capas más superficiales, provocando perturbaciones en los cables de señalización y comunicaciones cercanos a la vía. La distancia media entre subestaciones es de 30-40 km, aproximadamente. Con objeto de disminuir las perturbaciones producidas por las corrientes de retorno en el terreno, se implementa un circuito con cable de retorno.
SISTEMA 2X25 KV:
El sistema 2×25 kVca, también denominado sistema bifásico en corriente alterna, supone una sofisticación tecnológica importante respecto al 1×25 kVca, ya que soluciona algunos de sus principales inconvenientes, y se está convirtiendo en la opción más utilizada a nivel Internacional. En el Sistema de 2×25 KV, el transformador de las subestaciones tiene una toma central que se conecta al carril. La tensión entre cada toma del transformador y la toma a tierra es de 25 kV nominales, por lo que tenemos un secundario de 50 kV nominales dotado de cambiador de tomas. Para mantener la tensión en la línea, son necesarios una serie de centros de transformación distribuidos a lo largo del trazado, situados cada 10 o 15 km. Las tomas de los extremos de los transformadores se conectan a la línea aérea de contacto y al feeder negativo, y la toma media al carril.
Las subestaciones de tracción en este sistema disponen de transformadores bifásicos de relación AT/ 2×25 KV, conectados a una red eléctrica de Muy Alta tensión (220 KV ó 400 KV). El secundario de los transformadores tiene tres tomas: las dos extremas se conectan una a la catenaria y la otra al denominado “feeder negativo”, mientras que la toma central se conecta a la vía y a tierra. Esta conexión a tierra hace que en las tomas extremas aparezcan unas tensiones de +25 KV, es decir tensiones de 25 KV desfasadas 180º eléctricos.
Los vehículos de las líneas electrificadas a 2×25 KV están alimentados desde la catenaria, a +25KV, de forma que los vehículos que funcionen a esta tensión podrán trabajar Indistintamente en sistemas 1×25 KV ó 2×25 KV. En la subestación se dispone típicamente de dos transformadores que alimentan uno a cada lado de la zona neutra. En los puntos intermedios entre dos subestaciones, también existirán zonas neutras de separación de fases, para separar eléctricamente los tramos alimentados por transformadores de subestaciones diferentes (zona neutra).
De esta forma, se intenta que el desequilibrio generado a la red de alta tensión sea el mínimo posible. A este efecto, a la altura de cada subestación existe una zona neutra de separación de fases, de longitud superior a 200 m, para evitar que los vehículos puedan cortocircuitar la catenaria con los pantógrafos delantero posterior (zona neutra de subestación). Se evita situar las zonas neutras en pendientes, para que los vehículos puedan atravesarlas por inercia sin disminuir en exceso su velocidad.
Cada vehículo que circule por la línea estará alimentado en cada instante por la fase (R, S, T) del transformador que corresponda. La zona de influencia de un transformador es la delimitada entre su subestación y la zona neutra. A partir de ese punto, el vehículo pasará a estar alimentado con otra fase, la del transformador de la siguiente subestación.
En el sistema 2×25 KV son necesarios una serie de centros de autotransformación distribuidos a lo largo del trazado, normalmente cada 10-12 Km. Las tomas de los autotransformadores se conectan los extremos a la catenaria y al feeder negativo, y la toma media al carril y a tierra.
La función de estos centros de autotransformación es redistribuir las corrientes de retorno que penetran por la toma media de los autotransformadores hacia el feeder negativo, el cual se convierte así en el cable de retorno de la corriente principal.
CONEXIONES DE TRANSFORMADORES PARA CATENARIAS:
Existen otras conexiones de Transformadores que permiten desde un sistema trifásico balanceado obtener una fase a 25 KV (1 x 25 KV) u otra con doble bobinado en el secundario que al conectarlas en serie y llevar su punto central a tierra tenemos en sistema 25/50 KV (2 x 25 KV) que pueden alimentar directamente la Catenaria.
Conexión Scot-T
El transformador con conexión Scott-T está constituido por un transformador principal el cual posee un devanado intermedio en el primario y un solo devanado en el secundario. Un transformador auxiliar el cual es un transformador monofásico [1], consta de una relación de transformación especial lo cual le permite tener una entrada trifásica y una salida bifásica con un desfase de 90° y de forma contraria, es decir tener una entrada bifásica mientras que su salida será trifásica y equilibrada.
Esencialmente la conexión Scott es usada en subestaciones ferroviarias
Conexión Le Blanc
La conexión Le Blanc permite convertir un sistema con alimentación trifásica en un sistema con salida bifásica totalmente balanceada y equilibrada o de manera contraria, la forma de conexión en el primario es en delta al igual que un transformador trifásico mientras que en lado secundario posee cinco devanados convertidos en dos fases directos a la alimentación de la catenaria, se ejemplifica así mismo su diagrama fasorial.
SISTEMA DE CATENARIA - CONDICIONES OPERATIVAS:
Para diseñar el Sistema de Distribución en un Sistema Ferroviario se deben tomar en cuenta la posibilidad de que falle algún elemento del sistema y tomar las previsiones para que opere con seguridad y con un alto grado de continuidad ya que se trata de un sistema masivo de movilidad de personas y se debe garantizar su correcto funcionamiento en todo momento.
El sistema debe ser REDUNDANTE para que haya FIABILIDAD por lo que el sistema debe tener la posibilidad de alimentar, en forma simultánea los tramos de Catenaria a ambos lados de cada Transformador, de tal manera que cada tramo pueda servir de respaldo al tramo adyacente. A continuación veremos los Modos de Operación para que esto se cumpla.
- OPERACIÓN NORMAL:
En el caso de Operación NORMAL todos lo interruptores en Media Tensión de enlace de barras de los Transformadores y los de enlace de tramos de la Catenaria deben estar ABIERTOS y así cada Transformador alimenta a un tramo de Catenaria. Tal como se muestra en la figura inferior.
En este Modo de Operación los tramos a alimentar por cada transformador son los más pequeños, por lo que la Caída de Tensión en el tramo es reducida. Los trenes operan en condición normal.
- DEGRADADO: falla de un Transformador:
En el caso de falla de un TRANSFORMADOR, o de uno de los interruptores del lado AT y/o MT del mismo transformador, se abre el circuito para aislar la falla y se cierra el interruptor de Enlace de Barra del transformador gemelo, asumiendo éste la carga que suplían ambos transformadores. Lógicamente estos transformadores deben estar diseñados de tal forma de que soporten las cargas conectadas a ambos.
Esto implica mayores corrientes comparadas con el caso Normal y habrá mayor Caída de Tensión en el Sistema pero este caso ya debió haber sido considerado en la etapa de diseño y se debió haber previsto a nivel de Proyecto. Este es uno de los probables casos de contingencias.
- DEGRADADO: falla de una Subestación:
En el caso de falla de una SUBESTACIÓN completa, se deben abrir los interruptores asociados a las Barras de la Subestación, los de Barra y los de Línea de cada transformador de esa Subestación y los tramos de Catenarias quedarían anexados a los de las Subestaciones adyacentes.
En este caso se debe tener la previsión de que las subestaciones laterales deben asumir su tramo de catenaria mas el del sector adyacente; su cable se debe dimensionar para cumplir con la Caída de Tensión y la Capacidad de Corriente para las cargas que estarían dentro de ese nuevo tramo.
- REDUNDANCIA TAMBIÉN EN EL LADO DE ALTA TENSIÓN:
Si queremos dar mayor FIABILIDAD y FLEXIBILIDAD al Sistema, podemos también disponer desde el lado de Alta Tensión varias alternativas de Alimentación. En el esquema inferior la línea roja continua nos representa un Anillo en Alta Tensión donde tenemos la posibilidad de aislar cada tramo de línea y a la vez tenemos en línea roja punteada una interconexión entre subestaciones de Tracción que aumenta nuestra confiabilidad.
En fin, el diseño que hay “aguas arriba” de las Subestaciones de Tracción las podemos hacer de muchas formas diferentes que dependen de la disponibilidad del servicio en el área a desarrollar.
No podemos olvidar que los demás servicios (diferentes a la Tracción) que deben haber en las Estaciones también requieren de de la misma Confiabilidad, Redundancia, Fiabilidad, Sencillez y Facilidad de Operación que la tracción porque de nada nos sirve tener servicio eléctrico de tracción si las Estaciones no están operativas.
Los invito a emitir sus comentarios a este respecto en el FORO: SISTEMAS ELÉCTRICOS FERROVIARIOS para enriquecer estos datos con la participación de muchos Colegas.
CÁLCULOS Y SIMULACIONES:
- Circuito equivalente de un Tren:
Si queremos hacer el Cálculo del Flujo de Cargas de uno de los tramos de Catenaria podemos emplear el siguiente diagrama unifilar:
- Donde
- Vcc es la Tensión (en el caso de Continua) en la Subestación de Tracción
- Vtren es la tensión en el tren en la posición actual
- Ro es la Resistencia equivalente en la Subestación de Tracción
- R`es la suma de las resistencias por unidad de longitud del Carril y la Catenaria
- x es la distancia desde el tren a la subestación
- Ptren es la potencia demandad por el tren
Allí pudiéramos discutir los tópicos referentes a estos casos e incluir lo que pasaría si hay dos, tres o mas trenes.
- Vcc = 3.500 V
- Ro = 0.3 Ohm
- R`= 0.05 ohm/km resistencia de la Catenaria y carril
- L = 30 km longitud tramo de Catenaria
- Ptren = 1 Mw
- CRITERIOS PARA SELECCIONAR LA SOLUCIÓN DEFINITIVA:
Una vez que se tiene el Modelo para hacer las simulaciones debemos analizar:
- Numero máximo de trenes y la máxima Potencia de un tren (puede haber trenes diferentes).
- Potencia máxima simultánea (cada tren demanda potencia mientras acelera y la entrega al desacelerar).
- Frecuencia de trenes por estación / número máximo de pasajeros / hora
- Distancia mínima entre trenes.
- Resistencias de la Catenaria y Carril.
- Máxima longitud de cada tramo.
- Máxima separación entre Subestaciones.
- Ubicación forzada de las estaciones por disponibilidad de espacio.
Las alternativas de Estudio son muchas y la idea de un estudio de este tipo es la de optimizar el uso de los trenes cumpliendo con los pasajeros y sus horarios. No es fácil encontrar la solución óptima.
SISTEMA MAGLEV - Alta Velocidad
Un sistema de tren maglev es un sistema de transporte ferroviario que utiliza la tecnología de levitación magnética para propulsar y mover trenes. Estos sistemas se caracterizan por la ausencia de ruedas y la falta de contacto físico entre el tren y la vía, lo que reduce significativamente la fricción y permite velocidades más altas (+600 Km/h) y una conducción más suave en comparación con los trenes convencionales. Aquí hay algunos ejemplos de sistemas de tren maglev en todo el mundo:
Maglev de Shanghái: El sistema de tren maglev de Shanghái, en China, es uno de los sistemas maglev más conocidos y se inauguró en 2004. Conecta el aeropuerto internacional de Shanghái Pudong con la ciudad de Shanghái y alcanza velocidades de hasta 431 km/h (268 mph). Utiliza un sistema de levitación electromagnética (EMS).
Maglev de Japón: Japón ha estado desarrollando su propio sistema de tren maglev llamado “Línea Chuo Shinkansen Maglev” para conectar Tokio y Osaka. Este sistema utiliza levitación electromagnética (EMS) y ha establecido récords mundiales de velocidad en pruebas, superando los 600 km/h (373 mph).
Maglev en Alemania: En Alemania, se ha desarrollado el sistema Transrapid, que utiliza levitación electromagnética (EMS). Aunque se han realizado pruebas exitosas, aún no se ha implementado una línea comercial de larga distancia en Alemania.
Otros sistemas en desarrollo: Varios otros países y regiones, como Corea del Sur, Estados Unidos y algunos países del Golfo Pérsico, han expresado interés en desarrollar sistemas de tren maglev para el transporte de pasajeros de alta velocidad y carga.
Los sistemas de tren maglev ofrecen ventajas significativas en términos de velocidad, eficiencia energética y comodidad en comparación con los trenes convencionales. Sin embargo, la implementación de estos sistemas suele ser costosa y requiere una infraestructura específica, lo que ha limitado su adopción en todo el mundo.
Explicaremos su funcionamiento en un próximo Artículo Técnico. Ver VIDEO explicativo
Envíanos un mensaje por Email
Le responderemos en breve tiempo a su solicitud de Servicios o información requerida