Evaluación de alternativas

Habiéndose determinado que la actuación de un freno eléctrico de forma conjunta con el sistema clásico de freno por aire comprimido permitiría detener una composición de mercancías de gran capacidad de carga con las desaceleraciones y las distancias de paradas prescritas, se propone una posible solución técnica para poder implementar este sistema conjunto en los vagones de mercancías.

Para definir la solución se precisa analizar una serie de posibles alternativas a tener en cuenta. En el presente Trabajo, se analizan diversas alternativas desde dos puntos de vista diferentes: el tipo de máquina eléctrica empleada y el tipo de sistema de recuperación de la energía eléctrica.

6.1.1 Máquina eléctrica

La primera elección a realizar es el tipo de máquina eléctrica empleada, que puede ser de corriente continua (CC) o de corriente alterna (CA), bien sean síncronas o asíncronas. Se considera, en ambos casos, máquinas trifásicas, puesto que las monofásicas no suelen tener la potencia requerida para la aplicación objetivo (84).

La utilización de una máquina eléctrica como freno eléctrico se debe a que, cuando funciona en régimen de generador, se produce un par resistente que opone resistencia al rotor y, por lo tanto, tiende a frenar la máquina.

La elección de una tecnología u otra es el resultado de evaluar los pros y contras asociados a cada caso. Así, en la Tabla 113 se recogen las ventajas y desventajas de cada tipo de máquina en lo relativo a su empleo como freno eléctrico instalado en cada vagón.

Tipo de máquina Ventajas Desventajas

Corriente continua Almacenamiento directo. Costes de mantenimiento. Trifásica síncrona Funcionamiento como generador aislado. Mayor complejidad que asíncrona. Trifásica asíncrona Mayor sencillez y menor mantenimiento. Necesidad de instalar condensadores.

Tabla 113. Comparativa entre tipos de máquinas eléctricas. Fuente: elaboración propia a partir de (84)

Por una parte, si se considera la instalación de máquinas de corriente continua en los vagones, la principal ventaja obtenida es el hecho de que, en caso de que se decida almacenar la energía mediante baterías, no es preciso realizar una conversión de corriente alterna a continua, siempre y cuando los niveles de tensión y corriente sean adecuados para la batería empleada. El elevado coste de mantenimiento (84) perjudica esta solución frente a otras, especialmente teniendo cuenta que, con el desarrollo de la electrónica de potencia, los costes asociados a los dispositivos electrónicos de conversión de potencia son cada vez más reducidos.

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Por otra parte, la principal ventaja que tiene la máquina síncrona frente a la asíncrona es su capacidad para funcionar como generador eléctrico aislado directamente, ya que, en el caso de las máquinas asíncronas, se necesita una fuente de potencia reactiva capacitiva cuando funciona en régimen de generación eléctrica (84), por lo cual se deberían emplear condensadores a bordo.

Sin embargo, las máquinas asíncronas son más simples y, por lo tanto robustas (lo cual se traduce en menor coste de mantenimiento) que las máquinas síncronas, de manera que la elección final entre un tipo de máquina u otro depende de si el freno eléctrico va a funcionar generando de forma independiente de la red o no, ya que, en este último caso, la principal desventaja de la máquina asíncrona desaparece y la decisión se decanta directamente a favor de la misma.

6.1.2 Sistema de recuperación de la energía eléctrica

Existen dos posibles planteamientos para utilizar la energía que se produce con el freno eléctrico, tal y como se expuso en el análisis de viabilidad de los resultados obtenidos: la devolución de la misma a la red o su almacenamiento y utilización a bordo del propio vehículo. La decisión de optar de un planteamiento de u otro se puede realizar en base a las directrices del Proyecto Merlín (85), existiendo una serie de factores a evaluar en cada caso. En la Tabla 114 se recogen las principales ventajas y desventajas de cada planteamiento para un red convencional de 3 kV.

Tipo de

recuperación Ventajas Desventajas

En línea /subestaciones

Aumento capacidad red. Compatibilidad entre trenes.

Red compatible. Subestaciones reversibles.

En vehículo Independencia de

condiciones de red y tráfico.

Mayor complejidad en vehículos y mayor consumo energético.

Tabla 114. Comparativa entre sistemas de recuperación de energía generada en la frenada. Fuente: elaboración propia a partir de Proyecto Merlín (85).

Teniendo en cuenta sus ventajas, la recuperación de la energía eléctrica devolviendo la misma a la red de tracción es una situación especialmente interesante para el gestor ferroviario, sobre todo si fuese posible la devolución a la red eléctrica externa a la infraestructura ferroviaria, ya que ello podría suponer una reducción en los costes eléctricos o incluso la posible comercialización de la energía eléctrica producida para otros usos. Para aprovechar esta última ventaja competitiva, sería preciso que las subestaciones eléctricas estuviesen diseñadas para el funcionamiento reversible al ser de corriente continua en España (85). En todo caso, implementar la capacidad de recuperar la energía en la línea y/o en las subestaciones supone una sobrecomplejidad a tener en cuenta, sobre todo en el caso de líneas con una cierta antigüedad.

Por su parte, también puede resultar interesante tener la capacidad de recuperar la energía de frenada en cualquier tipo de circunstancia, independientemente de las condiciones del tráfico y de la red, algo que solamente se consigue con la recuperación y el almacenamiento a bordo, a costa de la mayor complejidad, peso y, por lo tanto, consumo energético.

182 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) La elección de un enfoque u otro dependerá, por lo tanto, de aquello que se quiere priorizar: una mayor eficiencia energética y la capacidad de recuperar la energía eléctrica de la red ferroviaria para otras aplicaciones o, por el contrario, dotar a los trenes de una mayor autonomía y versatilidad de circulación.

6.1.3 Elección final

Evaluando todos los factores, se describen y justifican a continuación las soluciones por las cuales se opta, tanto para el tipo de máquina eléctrica empleada como para el sistema de recuperación de energía.

Por una parte, comenzando por el sistema de recuperación de energía, se opta por almacenar y utilizar la energía eléctrica procedente del frenado a bordo del propio vagón en lugar de diseñar el sistema para devolver energía a la red, apostándose por maximizar la autonomía y la independencia de las condiciones de la red en la circulación de trenes de mercancías.

Obviando el hecho de que las Especificaciones Técnicas de Homologación solamente permiten emplear frenos adicionales en el frenado de emergencia si están aislados de la catenaria, la complejidad del sistema se incrementaría notablemente al haber decenas de máquinas, una por cada vagón. conectadas a la red. Se considera que la solución de optar por la devolución de la energía recuperada durante la frenada regenerativa puede ser más adecuada en trenes más cortos con un número mucho menor de máquinas eléctricas a gestionar, como, de hecho, sucede ya con los trenes de viajeros.

En base a lo anterior, se considera mucho más adecuado el almacenamiento de la energía eléctrica a bordo del propio tren, de manera que se pueda garantizar la recuperación y el posterior aprovechamiento de toda la energía recuperada, independientemente de las características de la locomotora y de la red de tracción.

Por otra parte, en lo relativo al tipo de máquina eléctrica que se instalará en cada vagón, tras evaluarse las diferentes alternativas planteadas, se opta finalmente por la utilización de motores asíncronos frente a motores síncronos o motores de corriente continua. Esta elección se justifica en base a dos puntos fundamentalmente.

En primer lugar, no se estima necesario emplear un motor de corriente continua para la aplicación seleccionada, ya que gracias al estado actual de la electrónica de potencia, las ventajas de los motores CC frente a los motores CA mencionadas anteriormente quedan disipadas, mientras que el coste de mantenimiento sigue siendo elevado.

En segundo lugar, el hecho de que las máquinas asíncronas sean más simples que las síncronas es un factor decisivo. Es cierto que para la instalación en los vagones y el funcionamiento como generador/freno de las máquinas asíncronas sería necesario emplear condensadores que suministren la potencia reactiva capacitiva necesaria, pero hay matices a considerar.

A priori, se desconoce qué configuración es globalmente más compleja: una máquina síncrona o una máquina asíncrona con condensadores. Sería necesario, por lo tanto, un análisis en más detalle que excede los objetivos del presente Trabajo Fin de Máster. Ante esto, y teniendo en cuenta la mayor simplicidad de la máquina asíncrona, se opta por esta última.

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Ante todo lo expuesto, se propone un sistema descentralizado de recuperación y almacenamiento de la energía obtenida en la frenada en los propios vagones, utilizando para ello baterías y máquinas asíncronas. Cada vagón dispondría de una unidad de control que actuaría sobre el sistema eléctrico a partir de las órdenes recibidas desde la locomotora y de los diferentes sensores que se consideren, que intercambian información tanto con el propio vagón como con la locomotora, según el esquema conceptual mostrado en la Figura 190.

Figura 190. Esquema conceptual de la solución propuesta. Fuente: elaboración propia.

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