Oferta de empleo
2016
Grupo Renfe
Operador de Ingreso de Fabricación y Mantenimiento
1
Material Móvil Ferroviario
ÍNDICE
ÍNDICE ...2 1. VEHÍCULOS FERROVIARIOS...5 1.1 INTRODUCCIÓN...5 1.2 TIPOSDEVEHÍCULOS...5 1.2.1 . VEHÍCULO REMOLCADO...5 1.2.2 VEHÍCULO MOTOR...61.3 CONFIGURACIONESDELOSVEHÍCULOSMOTORES...8
1.4 SISTEMASDETRACCIÓN...9
1.4.1. TRACCIÓN DIESEL...9
1.4.2. TRACCIÓN ELÉCTRICA...10
1.4.1 . ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR...12
1.5 COMPONENTES:ÓRGANOSYELEMENTOS...13
2. TRACCIÓN ELÉCTRICA...14
2.1. LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS...14
2.1.1. ESTRUCTURA DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS...14
2.2. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA...16
2.2.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS...17
2.3. MOTORES DE TRACCIÓN DE CORRIENTE CONTINUA...19
2.3.1. CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA...20
2.4. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA...20
2.5. MOTOR ASÍNCRONO O DE INDUCCIÓN...21
2.5.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO...22
2.5.2. ARRANQUE DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS...24
2.5.3. REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS...24
2.5.4. MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE TRACCIÓN...24
2.6. MOTOR SÍNCRONO...25
2.7. MOTOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES...27
2.8. TRANSFORMADORES...27
2.9. CONVERTIDORES...28
2.9.1. CONVERTIDORES DE TRACCIÓN...28
CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER)...29
CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES)...30
RECTIFICADOR...30
2.9.2. CONVERTIDORES DE SERVICIOS AUXILIARES...31
2.10. DISPOSITIVOSSEMICONDUCTORES...31
2.10.1.DIODOS...32
2.10.2.TIRISTORES...33
2.10.3.TIRISTOR GTO...33
2.10.4.IGBT...34
2.11. FUNCIONAMIENTODEUNEQUIPODETRACCIÓN...35
2.11.1.LOCOMOTORA S/251...35
2.11.2.LOCOMOTORA S/252...36
3.1. INTRODUCCIÓN...40
3.2. .EL PANTÓGRAFO...41
3.2. DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN...43
3.3. SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA...44
3.4. DISYUNTOR PRINCIPAL...45
4. VEHÍCULOS FERROVIARIOS DE TRACCIÓN DIÉSEL...46
4.1. SISTEMASDETRACCIÓNDIESEL....46
4.1.1. LOCOMOTORA DIÉSEL...46
4.2. AUTOMOTOR O AUTOPROPULSADODIÉSEL....48
4.2.1. ESTRUCTURA Y DISPOSICIÓN DE EQUIPOS...49
4.2.2. TRANSMISIÓN DEL ESFUERZO A LOS EJES...51
4.3. MOTORESDIÉSELENVEHÍCULOSFERROVIARIOS...52
4.3.1. COMPONENTES DE UN MOTOR DIESEL...53
BLOQUE...53 CULATA...53 CARTER...53 CIGUEÑAL...53 ARBOL DE LEVAS...53 CILINDROS / CAMISAS...53 PISTONES...54
4.4. MOTORESDIESELDECUATROTIEMPOS...54
4.5. MOTORESDIESELDEDOSTIEMPOSENLOCOMOTORAS...55
4.6. RESUMENDEFUNCIONAMIENTO...55
4.6.1. FASES DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR...56
4.7. SISTEMASDELMOTORDIÉSEL...56
4.7.1. SISTEMAS DE INYECCIÓN DIÉSEL...57
4.7.2. COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN EN MOTORES DIÉSEL...57
4.7.3. CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE...58
4.7.4. BOMBAS DE INYECCIÓN...59
4.7.5. INYECTORES...59
4.7.6. TIPOS DE INYECCIÓN...60
4.8. TRANSMISIÓNDELPARMOTORENLOSVEHÍCULOSDIÉSELFERROVIARIOS61 4.8.1. TRANSMISIÓN DIÉSEL- ELÉCTRICA...62
4.8.2. TRANSMISIÓN DIÉSEL-MECÁNICA...62
4.8.3. TRANSMISIÓN DIÉSEL-HIDAULICA...63
5. SISTEMAS DE RODADURA (BOGIES)...65
5.1. FUNCIONESPRINCIPALESDELTRENDERODADURAYTERMINOLOGÍA...65
5.2. VEHÍCULOSSINBOGIE...66
5.3. VEHÍCULOSCONBOGIE...66
5.4. COMPONENTESDELBOGIE...67
5.4.1. EJE MONTADO...68
5.4.2. CAJAS DE GRASAS...70
5.4.3. RUEDAS...73
5.4.5. AMORTIGUADORES...74
5.4.6. TOPES DE LOS ELEMENTOS DE RODADURA...76
5.4.7. BALLESTAS...76
5.4.8. GUÍAS CILÍNDRICAS...77
5.4.9. ACOPLAMIENTOS CON VIGA...77
5.4.10.RESTRICCIONES USANDO ACOPLAMIENTOS RADIALES...78
5.4.11.BARRAS DE TRACCIÓN...79
5.4.12.. CONEXIÓN DE LA CAJA CON EL BOGIE...79
5.4.13.PLACA CENTRAL PLANA...79
5.4.14.BOWL ESFÉRICO CENTRAL...80
5.4.15.PIVOTE CENTRAL...81
5.4.16.UNIÓN WATTS...81
5.4.17.UNIÓN DE PÉNDULO...82
6. INTRODUCCIÓN AL FRENO FERROVIARIO ...83
6.1. UNIDADDEFABRICACIÓNYACONDICIONAMIENTODEAIRE...83
6.1.1. EL COMPRESOR...84
6.1.2. SECADOR...86
6.2. ACTUADORESYVÁLVULASENCIRCUITOSFRENO...87
6.2.1. VÁLVULA DE FRENO DIRECTO...87
6.2.2. VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA...87
6.2.3. VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE...87
6.2.4. VÁLVULA DE DOBLE EFECTO...88
6.2.5. LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y T.D.P...88
6.2.6. VÁLVULAS DE RETENCIÓN...88
6.2.7. VÁLVULA DE FLUJO...89
6.2.8. VÁLVULAS REGULADORAS...89
6.2.9. MANÓMETROS...90
6.2.10.ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA...90
6.2.11.ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS...92
6.2.12.PRESOSTATOS...92
6.2.13.TRANSDUCTORES...93
6.2.14.DISTRIBUIDOR DE FRENO...93
6.3. DIFERENTESFORMASDEFRENAR...94
6.3.1. FRENO DIRECTO...94
6.3.2. FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO...95
6.3.3. FRENO ESTACIONAMIENTO...98
6.3.4. FRENO AUXILIO...99
6.3.5. FRENO URGENCIA...99
1. VEHÍCULOS FERROVIARIOS
1.1 INTRODUCCIÓN
La evolución del transporte por ferrocarril, desde la época de la tracción a vapor, ha estado marcada por el desarrollo y perfeccionamiento de los motores de combustión y los motores eléctricos, lo que ha permitido crear nuevas locomotoras y automotores capaces de desarrollar mayores potencias y alcanzar velocidades más elevadas. Así como los vehículos remolcados también se han visto mejorados con el tiempo. Coches, vagones, material rodante auxiliar, material especial y material histórico han ido adoptando las mejoras tecnológicas para tener mejor funcionamiento, mayor seguridad y mejor rendimiento de cara a la explotación.
1.2 TIPOS DE VEHÍCULOS
Dentro del sistema ferroviario, se puede establecer una clasificación de vehículos en dos apartados generales, atendiendo a su finalidad:
• Vehículos remolcados. • Vehículos motores.
• Material auxiliar y material histórico.
1.2.1 . VEHÍCULO REMOLCADO
Un vehículo remolcado es una unidad inerte, susceptible de ser arrastrada por un vehículo motor, individualmente o formando parte de una composición de varios vehículos remolcados. Se pueden diferenciar dos grupos de vehículos remolcados:
• Coches: Son vehículos remolcados destinados al transporte de viajeros. • Vagones Son los destinados al transporte de mercancías.
1.2.2 VEHÍCULO MOTOR
Un vehículo motor es una unidad tractora capaz de circular por la línea férrea, bien sea independientemente o remolcando una composición, impulsada por el par motor que le proporciona su propio sistema de tracción.
En este apartado se pueden considerar dos grupos: • Automotores o autopropulsados.
• Locomotoras.
AUTOMOTOR O AUTOPROPULSADO
Es un vehículo motor propulsado en el que la distribución de su planta motriz permite el transporte de viajeros en el interior del habitáculo que delimita la caja o carrocería. Tiene capacidad tractora y puede llevar carga comercial.
Un automotor puede estar formado por diversas combinaciones de vehículos independientes que constituyen un conjunto indivisible de cara a la explotación. Se distingue entre coches motores y coches remolques, siendo los primeros los que se encargan de generar la tracción del conjunto.
Figura 1.2. Automotor diésel S/599.
LOCOMOTORA
Es un vehículo motor, que puede ser propulsado mediante motores eléctricos, diésel o una combinación de ambos. A diferencia del automotor, este es un vehículo independiente, que se utiliza para remolcar vagones o coches. Tiene capacidad tractora y no puede llevar carga comercial.
El conjunto de equipos que compone una locomotora eléctrica se puede desglosar en cuatro grandes grupos:
• Caja y bogies. • Equipo mecánico. • Equipo eléctrico. • Equipo neumático.
Fig.1. 3. Locomotora eléctrica.
1.2.3. MATERIAL AUXILIAR Y MATERIAL HISTÓRICO
Son vehículos, con propósitos o funcionalidades especiales, pero que asimismo requieren de un mantenimiento periódico.
Por material auxiliar se concibe todo aquel vehículo que sirve tanto para el remolcado de unidades de tren averiadas como el destinado a realizar labores de mantenimiento en vías.
1.3 CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES
Las locomotoras actuales tienen todos los ejes motores. Sin embargo, en los vehículos automotores se disponen tanto de ejes motores como de ejes portadores distribuidos según soluciones técnicas del fabricante.
En tal caso, y a efectos de tracción, podemos diferenciar dos conceptos en función de la localización de los ejes motores:
• Tracción concentrada. Todos los ejes motores se agrupan en vehículos llamados motrices. Ejemplo S100, S102, S130...
• Tracción distribuida. Son aquellos automotores en los que los ejes motores están repartidos a lo largo de toda la composición. Ejemplo S104, S465, S490...
La tracción distribuida ofrece ventajas sobre la tracción concentrada, siendo las más importantes:
• Mayor aprovechamiento del espacio sobre bastidor, incrementando el número de plazas.
• Mejor distribución de masas y aprovechamiento de la tracción.
Y como inconveniente:
• Construcción y mantenimiento más complejo.
Existen vehículos automotores que comparten bogies o rodales entre dos cajas consecutivas, son los considerados como articulados. Algunas características de esta disposición podrían ser:
• En el caso de producirse descarrilamiento, la composición permanecerá solidaria, siendo imposible el vuelco individual de una caja.
• Al disponer de menos bogies que una composición no articulada, se mejoran los efectos aerodinámicos y los costes de mantenimiento.
• Al tener menor número de ejes, obliga a utilizar materiales más ligeros para no incrementar el peso por eje.
A efectos de composición según el número de unidades acopladas, podemos hablar de:
• Composición sencilla. Formada por un único conjunto motriz (locomotora o automotor).
• Composición múltiple. Formada por dos o más unidades motrices (locomotoras o automotores). Hablamos de doble tracción (dos vehículos), triple tracción...
Figura 1.6. Composición múltiple.
En este último caso, podemos diferenciar dos situaciones respecto al control sobre la composición:
• Mando múltiple: Toda la composición se controla desde una sola cabina de conducción.
• Tracción múltiple: Cada vehículo de la composición se controla de forma independiente.
1.4 SISTEMAS DE TRACCIÓN
En la actualidad existen vehículos basados en dos sistemas generales de tracción, como son: • Tracción diésel.
• Tracción eléctrica.
1.4.1. TRACCIÓN DIESEL
Un motor de combustión diésel es el que genera la potencia. Según la forma en el que se transmita el esfuerzo a los ejes motores, distinguimos tres tipos:
• Tracción diésel-mecánica. • Tracción diésel-eléctrica. • Tracción diésel-hidráulica.
TRACCIÓN DIESEL – MECÁNICA
La potencia desarrollada por un motor diésel se transfiere a los ejes de forma mecánica, es decir, mediante sucesivos acoplamientos de piñones, generalmente ubicados en una caja de cambios, y árboles de transmisión de giro, unidos por juntas fijas o articuladas, que enlazan el cigüeñal del motor con la caja de cambios, y de ésta, por medio de la transmisión, a la reductoras de los ejes motores.
TRACCIÓN DIESEL – ELÉCTRICA
En la cual la potencia desarrollada por un motor diésel, se aplica a un generador eléctrico, y la energía eléctrica producida por este es la que, a través de un circuito de control de potencia, se dirige a los motores eléctricos, los cuales transmiten el movimiento a los ejes. De este tipo son las locomotoras, Loc. S310; S319, S333 Y S334 con motores de tracción de corriente continua y la Loc. S311, con un sistema de control de potencia basado en un conjunto rectificador-ondulador y motores de tracción de corriente alterna trifásica.
TRACCIÓN DIESEL – HIDRÁULICA
La transferencia del par motor a las ruedas se efectúa a través de uno o varios convertidores de par hidráulicos. Por ejemplo, los automotores de las series S592, S594 y S596.
1.4.2. TRACCIÓN ELÉCTRICA
En estos vehículos, la energía que alimenta los motores eléctricos de tracción se obtiene de un sistema de suministro de energía eléctrica fijo a través del hilo de contacto de la catenaria. Se pueden distinguir varios grupos, atendiendo el modo de controlar la potencia de tracción, y al tipo de motores eléctricos que lleven incorporados.
Con esta clasificación, básicamente, podemos distinguir cuatro tipos: • Alimentación CC – Control reostático – Motores CC.
• Alimentación CC – Control Semiconductores Chopper CC – Motores CC. • Alimentación CC – Control Semiconductores – Motores CA Trifásica.
• Alimentación CA monofásica – Control Semiconductores – Motores CA Trifásica.
ALIMENTACIÓN CC – CONTROL REOSTÁTICO – MOTORES CC.
Es la que está compuesta por un sistema de control reostático clásico, y motores de tracción de corriente continua. (UT S440; Loc. S269.4)
ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES CHOPPER – MOTORES CC. En la que se combina un sistema de control chopper con motores de corriente continua (UT S446; Loc. S251).
ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA. La tensión Consta de un sistema ondulador y motores trifásicos. (Loc. S252; S253; UT S447, Civias).
ALIMENTACIÓN CA MONOFÁSICA – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA
Dispone de un transformador reductor para adaptar la tensión alterna monofásica de catenaria de 25 kV. Consta de un sistema rectificador-ondulador y motores CA trifásicos. (AVE S100, S102; S103, S104; S120; etc.).
1.4.3. LOCOMOTORAS DE LÍNEA
Son vehículos destinados al remolque de trenes. Las partes más importantes que forman una locomotora son:
La estructura de caja, donde en sus dos extremos se sitúan las cabinas de conducción, en las cuales situamos los elementos necesarios para el control del vehículo.
Entre ambas cabinas, se sitúa la sala de máquinas, donde se ubica la planta motriz, constituida por el motor diésel y el generador que transforma la energía mecánica en eléctrica para su utilización por los motores de tracción.
Figura 1.7.Locomotora diésel de línea S/333.3.
Bajo chasis se localizan, el depósito de combustible, depósitos de acumulación de aire y los bogies, estructuras de gran solidez, donde se integran los ejes con sus ruedas y los motores de tracción.
1.4.4. LOCOMOTORAS DE MANIOBRAS
Las locomotoras de maniobras, también conocidas como tractores de maniobras, suelen tener una sola cabina con dos pupitres para la conducción, uno para cada sentido. La planta motriz se sitúa bajo una capota con los otros elementos necesarios para completar la transformación de la energía. En estos vehículos montan motores de dos tiempos, la S/310 y cuatro tiempos la S/311.
Figura 1.8. Tractor de maniobras MABI S/311.
1.4.5. FRENO DINÁMICO
Se entiende por freno dinámico aquel que origina el propio sistema de tracción al generar un esfuerzo contrario al de arrastre; llegando a ser, en el caso de freno eléctrico, la propia inercia del movimiento de los ejes motores la que induce la retención al avance.
Diferenciamos según el tipo de tracción: Tracción Diésel:
Diésel-mecánica: Freno motor.
Diésel-eléctrica: Freno eléctrico reostático. Diésel-hidráulica: Freno hidrodinámico. Tracción Eléctrica:
Freno reostático. Freno regenerativo.
1.4.1 . ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR
La alimentación auxiliar es aquella que suministra electricidad a todos los sistemas del vehículo que necesitan dicha energía. En los vehículos con tracciones eléctricas y diésel-eléctrica, distinguimos entre alimentaciones de tracción y auxiliar, donde la primera se limita al circuito eléctrico de potencia o alta tensión.
Como componentes distinguimos: • Convertidores auxiliares. • Generadores auxiliares. • Cargadores de batería. • Baterías.
Tipos de alimentación auxiliar: • Trifásica 400 V / 50 Hz. • Monofásica 240 V / 50 Hz. • Continua 24 V, 72 V, 110 V.
1.5 COMPONENTES:
ÓRGANOS Y ELEMENTOS
1.5.1.1 SISTEMAS DIFERENCIADOS EN UN VEHÍCULO FERROVIARIO
Aunque cada uno de los componentes que integran un vehículo ferroviario se puede encuadrar en un sistema funcional concreto, en ciertas ocasiones, no está tan definida la frontera entre los diversos sistemas, pues, por ejemplo, un dispositivo del sistema neumático puede interactuar en el sistema eléctrico o viceversa.
1.5.1.2 VEHÍCULOS MOTORES
El conjunto de equipos que componen un vehículo motor se pueden englobar en los siguientes grupos:
• Estructuras de caja y bogies. • Sistemas mecánicos. • Sistemas neumáticos. • Sistemas electrónicos. • Sistemas eléctricos. • Sistemas hidráulicos. 1.5.1.3 VEHÍCULOS REMOLCADOS
En los remolcados, distinguimos entre los dos subgrupos: Coches:
• Estructuras de caja y bogies. • Sistemas mecánicos. • Sistemas neumáticos. • Sistemas electrónicos. • Sistemas eléctricos. Vagones:
• Estructuras de caja y bogies. • Sistemas mecánicos. • Sistemas neumáticos. • Sistemas eléctricos.
2. TRACCIÓN ELÉCTRICA
2.1. LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Entendemos por máquinas eléctricas a los convertidores que transforman, con elevado rendimiento los siguientes tipos de energía:
• Motores. Energía eléctrica en energía mecánica giratoria. • Generadores. Energía mecánica giratoria en energía eléctrica.
• Transformadores. Energía eléctrica en energía eléctrica, modificando los niveles de tensión e intensidad o manteniendo estos niveles pero procurando un aislamiento galvánico entre su entrada y salida.
Existen otros tipos de máquinas eléctricas, pero estas no son de interés en el campo de la tracción y por lo tanto no son tratadas en este manual.
Los motores y generadores les denominamos máquinas eléctricas rotativas, mientras que los transformadores son máquinas estáticas.
Las máquinas eléctricas rotativas tienen la característica de un funcionamiento reversible, es decir, pueden funcionar como motor o generador.
El funcionamiento de las máquinas eléctricas está basado en los principios básicos de la electricidad: Ley de Faraday, Ley de Lenz, etc.
Existen traes clases principales de máquinas rotatorias que se utilizan en tracción eléctrica: máquinas de corriente continua, máquinas asíncronas o de inducción y máquinas síncronas. Sus características principales son:
• Máquinas de corriente continua. Funcionan con corriente continua (o pulsatoria) y el elemento que las caracteriza es el dispositivo de conmutación mecánica conocido como colector.
• Máquinas asíncronas (de inducción). Es la máquina más comúnmente utilizada en la industria y desde los últimos años del siglo pasado, la máquina estándar utilizada en tracción. Se alimenta con corriente alterna y en las versiones más comunes con corriente alterna trifásica. Es una máquina sencilla, robusta y fiable, lo que la hace apta para un enorme campo de aplicaciones industriales.
• Máquinas síncronas. Es probablemente la máquina de configuración más
diversificada. Su uso tradicional ha sido generalmente como generador. En tracción eléctrica tiene aplicaciones muy limitadas (por ejemplo AVE S/100)
2.1.1. ESTRUCTURA DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS
Todas las máquinas eléctricas están formadas por dos o más circuitos eléctricos acoplados magnéticamente. Con objeto de reforzar este acoplamiento magnético, se utilizan como soporte del flujo magnético, materiales ferromagnéticos que además, proporcionan soporte estructural a la máquina.
Las máquinas eléctricas rotativas en general, están formadas por los siguientes elementos básicos:
• Estator. Está constituido por chaspas magnéticas aisladas entre sí, alojadas bajo una carcasa que actúa de protección, proporcionando rigidez y soporte de apoyo. Sobre el estator se aloja, en ranuras o polos magnéticos devanados eléctricos que, según el tipo de máquina, hacen la función de excitación (inductores o devanado de campo) o
inducido.
• Rotor. Constituido igualmente por un paquete de material ferromagnético en forma de chapas aisladas eléctricamente entre sí, montado sobre el eje de giro. En el rotor se alojan en ranuras o sobre polos, los devanados eléctricos de inducido o de excitación (inductores), de acuerdo con el tipo de máquinas eléctricas.
• El eje del rotor gira sobre rodamientos o cojinetes, que a su vez se montan sobre bancadas o sobre las propias tapas o carcasas extremas del rotor.
• Entrehierro. Es el espacio de aire que existe entre estator y rotor. Debe tener la holgura suficiente para permitir el libre giro del rotor
• Otros elementos comunes a todas las máquinas son la caja de terminales, placa de características. Además hay que considerar en cada caso, el sistema de ventilación de la máquina, en su caso el sistema de conmutación, etc.
Figura 2.1. Estructura de una máquina eléctrica rotativa.
El estudio de las máquinas eléctricas puede realizarse en cualquiera de los muchos textos generalistas y especializados que existen sobre estos temas, no obstante, a continuación hacemos un repaso de las principales características de los principales tipos de motores utilizados en la tracción eléctrica.
Placa de características
Todas las máquinas eléctricas deben estar dotadas de una placa visible en la que se indiquen una serie de datos que la caracterizan. En la placa de características se debe incluir información sobre el fabricante, tipo de máquina, conexiones, valores asignados de potencia, tensión, intensidad, velocidad, etc.
Figura 2.2. Placa de características.
2.2. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
En nuestro país, salvo puntuales excepciones, los primeros motores utilizados en tracción eléctrica fueron los motores de corriente continua. Su aplicación se vio favorecida por las características específicas de este tipo de motores, ventajosa para la tracción, como por ejemplo elevado par de arranque, su característica par-velocidad semejante a la considerada como idónea para la tracción. Actualmente todavía se utilizan motores de este tipo, aunque por lo general restringido a trenes con accionamientos de tecnología convencional (reostática o chopper) como en las locomotoras eléctricas: S/269, S/251, en locomotoras diesel eléctricas: S/333, S/334, S/335 y algún material electromotor: S/440, S/470, S /446, etc.
En este tipo de motores, el circuito magnético del estator tiene como principales elementos los polos inductores o polos principales, formados de bobinas de cobre alojadas en piezas polares. Normalmente realizados con chapa magnética apilada.
El circuito magnético del rotor, adopta una forma básicamente cilíndrica, estando el bobinado de inducido alojado en ranuras uniformemente espaciadas sobre su periferia externa
El elemento específico y característico del motor de corriente continua es el colector, utilizado para extraer o suministrar corriente eléctrica al rotor. El funcionamiento del sistema colector-escobilla podría asimilarse al de un inversor rotativo, en el cual la tensión continua en las escobillas se convierte en una f.e.m. alterna que produce la inducción en las bobinas (y viceversa en el caso de que la máquina actúe como generador).
2.2.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS
En las máquinas de corriente continua disponemos de un devanado inducido montado sobre una estructura magnética cilíndrica y de un devanado de campo (inductor) encargado de producir el flujo magnético, arrollado sobre unos polos. Generalmente, el devanado de inducido está alojado en ranuras sobre la periferia de un rotor cilíndrico, mientras que el devanado de campo se dispone sobre polos magnéticos en el estator de la máquina. El núcleo del rotor y los núcleos de los polos están construidos de laminaciones de acero.
El colector es una pieza compleja, constituida por una serie de láminas (segmentos) de cobre duro, denominadas delgas que se mantienen unidas como un conjunto cilíndrico y se encuentran aisladas entre sí, por sus caras laterales mediante láminas de mica. La unión de cada bobina del inducido con las delgas del colector se efectúa en la zona denominada talón de delga.
La superficie externa del colector está en contacto con las escobillas. Se trata de unas piezas de gratito con ciertos aditivos (escobillas electrometalográficas), encargadas de mantener el contacto eléctrico entre las bobinas del inducido que se encuentran en movimiento y las conexiones fijas de la caja de bornes.
Con el fin de dar soporte mecánico y dar un mejor aislamiento eléctrico a los conductores del inducido, se protegen mediante cuñas aislantes
Para motores de corriente continua de alta potencia, el flujo magnético tiene que soportar rápidas variaciones e incluso inversiones de signo, motivo por el cuál se produce lo que se conoce como reacción del inducido, afectando de tal forma, que las distorsiones del campo magnético y aumentos de tensión que se producen en el mismo, podrían llegar a destruir el colector. Para evitar o mitigar este problema, se introducen otros dos tipos de devanados:
Devanado de conmutación. Su función es crear un campo magnético entre dos polos magnéticos consecutivos opuestos (zona neutra) que contraste el efecto de reacción del inducido en esa posición. Van montadas sobre los denominados polos de conmutación o polos auxiliares, situados sobre el estator, pero conectados eléctricamente y en serie con los devanados del inducido.
Devanado de compensación. Su función es crear un campo magnético igual pero de sentido contrario al que produce la reacción del inducido. Consiste en un devanado cuyos conductores se alojan paralelamente al eje de la máquina sobre unas ranuras sobre la periferia de los polos, de tal forma que la corriente que circula por ellos lo hace en sentido contrario a la de los conductores del inducido que están debajo.
Las máquinas de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. El circuito equivalente es el mismo para generador y para motor, como ya se ha explicado anteriormente en el generador es corriente saliente mientras que en el motor será entrante.
EXCITACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas entre sí.
• Máquinas con excitación separada. o Excitación independiente.
o Máquinas de Imanes Permanentes.
2 3 4 5 6 1 7 8
Figura. 2.5. Conjunto Estator o Inductor.
1. Carcasa.
2. Polo Inductor o Principal. 3. Bobina inductora. 4. Polo y Bobina de conmutación. 5. Alojamiento de porta-escobillas. 6. Pletina de conexión. 7. Cable de salida. 8. Nariz de apoyo.
• Máquinas autoexcitadas o Excitación serie.
o Excitación paralelo (shunt o derivación) o Excitación compuesta.
La forma en que se realiza la interconexión de los devanados de inducido y de campo determinan esencialmente las características de funcionamiento de la máquina.
2.3. MOTORES DE TRACCIÓN DE CORRIENTE CONTINUA
Independientemente de la forma en que se conectan entre sí las bobinas del inducido y del tipo de devanado, en la práctica de los motores de tracción (y de muchos motores industriales), el devanado del inducido está alojado en dos capas en las ranuras del núcleo. Las bobinas están fabricadas con pletinas de forma aproximadamente rectangular, preformadas (las bobinas están conformadas previamente antes de hacerse el bobinado).
Como en todos los motores utilizados actualmente en tracción eléctrica, el sistema de aislamiento de las bobinas, entre sí y frente a masa, está formado por materiales aislante de tecnología moderna y barnices aislantes aplicados mediante técnica VPI, que le confieren propiedades térmicas de clase F (155ºC), H (180ºC) y 200 (200ºC).
Las máquinas de tracción van conectadas en su funcionamiento como motor con excitación serie, debido a su elevado par de arranque y, normalmente pasa a conexión con excitación separada cuando actúan como generadores en su función de freno dinámico.
Figura 2.6. Motor de corriente continua excitación serie.
El motor de tracción de corriente continua está actualmente en desuso debido al exceso de mantenimiento que requiere respecto a los motores asíncronos, a su elevado peso y volumen
Figura 2.7.Motor tracción de corriente continua.
2.3.1. CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
Al motor no podemos aplicarle directamente la tensión de catenaria, o toda la energía producida por un generador eléctrico de una locomotora diésel. Si le proporcionamos toda la tensión, saltaría nuestra protección disyuntor, la subestación, otras protecciones internas, etc., debido a que el motor parado supone lo más parecido a un cortocircuito.
Hay que regular la corriente y para ello variaremos la tensión en la medida de lo posible.
Aprovechando que una locomotora o autopropulsado tiene varios motores los conectaremos en serie al principio y así se reparten la tensión, pero aun así la corriente sería alta, por lo que usamos resistencias también en serie con el circuito, que tendrán una caída de tensión, bajando la corriente hasta los valores máximos permitidos por el motor en el arranque.
Figura 2.8.Circuito simplificado tracción serie. S/269.
2.4. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
La evolución de los vehículos modernos hacia el uso de motores de corriente alterna, viene marcada por la aparición y avance de la electrónica de potencia (particularmente con el desarrollo de nuevos tipos de semiconductores y la mejora de prestaciones de los mismos) y de la electrónica de control (uso generalizado de microprocesadores y aplicación de técnicas dinámicas de control).
Los motores de corriente alterna utilizados en tracción eléctrica ferroviaria son:
• Motores síncronos. Aunque su uso es muy limitado y prácticamente no ha tenido desarrollo prolongado debido a las buenas características intrínsecas del motor asíncrono y de los accionamientos utilizados para su alimentación y control. • Motores asíncronos. Actualmente es el motor estándar utilizado en tracción
eléctrica.
• Motores síncronos de imanes permanentes. Utilizado en aplicaciones concretas (por ejemplo en la “automotrice grande vitesse”:AGV).
2.5. MOTOR ASÍNCRONO O DE INDUCCIÓN
Al igual que el resto de máquinas eléctricas rotativas, la máquina de inducción consta de un estator y de un rotor, el cual está montado sobre rodamientos y separado del estator por un entrehierro. El estator consta de un núcleo electromagnético, formado por chapas apiladas ya aisladas entre sí de pequeño espesor (en tracción es típico utilizar chapas de 0, 5 mm). Interiormente, sobre su periferia circular, se alojan las bobinas del estator distribuidas uniformemente en ranuras efectuadas al efecto.
Figura 2.9. Detalle estator (motor S/252).
El rotor es cilíndrico y su núcleo está formado también por láminas electromagnéticas apiladas, frecuentemente del mismo material y espesor que las láminas utilizadas en el estator (el troquelado de las chapas suele utilizar la misma chapa base para fabricar los núcleos del estator y rotor)
• Rotor de jaula de ardilla. El devanado está formado por un conjunto de barras conductoras conectas entre sí por sus extremos por unos aros del mismo material, denominados aros de cortocircuito. El material utilizado para la construcción de estas jaulas puede ser aluminio inyectado o cobre. En los motores de tracción, especialmente en los motores de media y gran potencia se utilizan exclusivamente jaulas de cobre. En este tipo de rotores, el devanado no es accesible físicamente.
Figura 2.10. Rotor de jaula (motor S/253).
• Rotor bobinado. El devanado polifásico es similar al del estator. Los terminales del devanado se llevan a unos anillos rozantes para su conexión externa,
mediante escobillas. Este tipo de motores permite modificar el par de arranque y un cierto control de la velocidad, entre márgenes reducidos, introduciendo resistencias en serie con el rotor y haciendo variar su valor óhmico. Con el uso de convertidores electrónicos y las modernas técnicas de control, el motor asíncrono de rotor bobinado ha dejado prácticamente de utilizarse en aplicaciones de tracción. Estos motores también se conocen como motores asíncronos de anillos deslizantes.
2.5.1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO
La máquina asíncrona funciona sobre la base de la interacción entre las corrientes inducidas en el rotor y los campos del entrehierro. Si se permite que el rotor gire debido al par desarrollado por la esta interacción, la máquina funciona como motor. De otra manera, el rotor puede ser impulsado por una fuente externa a una velocidad tal que la máquina comience a desarrollar potencia eléctrica actuando como generador.
La clave para el funcionamiento del motor de inducción es la creación de un campo magnético giratorio. Este campo magnético es creado mediante un devanado polifásico espaciado geométricamente cuando es alimentado por una serie de corrientes desplazadas en el tiempo. La velocidad de giro del campo es proporcional a la frecuencia de las tensiones de alimentación del motor (f) e inversamente proporcional al número de pares de polos de la máquina (p), según la ecuación:
Obtenemos la velocidad en revoluciones por minuto (rpm), si la frecuencia se especifica en Hz. Al girar el campo magnético rotatorio en el entrehierro de la máquina, corta a los conductores del rotor induciendo ellos fuerzas electromotrices que a su vez, originan unas corrientes en el rotor, las cuales interactúan con el campo magnético en el entrehierro produciendo un par y el rotor comienza a girar en la dirección del campo giratorio. El rotor alcanzará una velocidad de régimen permanente n, inferior a la velocidad de giro del campo, denominándose deslizamiento (s) a la relación:
El deslizamiento es una magnitud adimensional. De acuerdo con el valor del deslizamiento, tenemos:
• nsincronismo > n. funcionamiento como motor
• nsincronismo < n: funcionamiento como generador
• nsincronismo = n : Al ser iguales las velocidades, el campo magnético no “corta” a
los conductores del rotor y por lo tanto no hay corrientes inducidas y el par se anula.
La figura siguiente muestra la relación entre el valor del par motor y la velocidad (curva par-velocidad).
2.5.2. ARRANQUE DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS
Durante el arranque, la máquina absorbe mayor cantidad de intensidad eléctrica. Estas corrientes de arranque sobrecargan las líneas de distribución y producen caídas de tensión y sobrecalentamientos que son perjudiciales para el motor y para la red de distribución. Así pues, durante el arranque la corriente de alimentación debería estar limitada, pero sólo hasta el punto en que el motor pueda desarrollar par suficiente para el arranque. Se han desarrollado distintos métodos para el arranque del motor:
• Arranque directo.
• Arranque por resistencias estatóricas.
• Arranque por resistencias rotóricas. Sólo en motores de rotor bobinado. • Arranque estrella-triángulo. En motores de potencia limitada.
• Arranque de un motor por transformador. • Arranque por arrancadores suaves.
• Arranque mediante convertidores electrónicos.
Los motores de tracción asíncronos utilizan únicamente métodos de arranque complejos mediante los propios convertidores electrónicos que utilizan para la regulación de su velocidad y par.
2.5.3. REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES ASÍNCRONOS La velocidad de los motores asíncronos responde a la siguiente ecuación:
Si queremos regular la velocidad del motor, podemos hacerlo bien modificando la frecuencia de alimentación, el deslizamiento o el número de pares de polos.
El número de pares de polos del motor es un parámetro constructivo, por otra parte, la variación del deslizamiento supone modificar a su vez el rendimiento del motor. Sólo nos queda como solución técnica y económicamente factible, la regulación de la velocidad por medio de modificar la frecuencia de alimentación.
Hoy en día existen controladores electrónicos de potencia que ofrecen una gran variedad de fuentes reguladas que permiten accionamiento de cargas mecánicas a velocidad variable. El desarrollo de la moderna tracción eléctrica y especialmente de la alta velocidad, ha sido posible con el desarrollo de accionamientos electrónicos que permiten el control tanto de la velocidad de giro del motor como del par de carga.
2.5.4. MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE TRACCIÓN
El motor asíncrono trifásico se ha convertido en el motor de tracción por excelencia desde los años ochenta del siglo pasado en toda la gama de potencias (desde la centena de kW hasta los 1,6 MW. Su tecnología es común en cuanto a la construcción de los devanados del estator con pletinas, formando devanados preformados, el uso del rotor de jaula de cobre, clases térmicas elevadas (actualmente clases H y 200) y difieren en cuanto al sistema de ventilación que puede ser autoventilado en las unidades de menor potencia y con ventilación forzada en las máquinas más potentes. Es común en todos los motores de tracción alimentados por convertidores electrónicos el uso de rodamientos aislados.
El estator son tres bobinados intercalados que cuyos finales conexionados en estrella se interconectan en aros concéntricos que conforman el cierre.
El material del núcleo de las cajas que reciben el cobre está hecho de un material que sea permeable magnéticamente a distintas frecuencias no solo a 50 Hz y así mejorar el rendimiento en su espectro de frecuencias (aleación magnética compuesta por níquel y acero).
El motor de tracción se diferencia de los motores de alta tensión, en que tiene unos distintos requerimientos en cuanto a resistencia a los distintos esfuerzos a que se ve sometido, así, mientras suelen ser menores el estrés eléctrico al que se ve sometido (aunque actualmente su uso conjunto con convertidores estáticos hace menos evidente esta diferencia), los esfuerzos térmicos, mecánicos y ambientales que debe soportar son mayores.
Figura 2.12. . Motor de tracción asíncrono (locomotora S/252).
2.6. MOTOR SÍNCRONO
Tradicionalmente el uso de la máquina síncrona ha sido como generadores eléctricos y así, se utiliza en la denominada tracción diesel-eléctrica.
Figura 2.14. Generador síncrono. Rotor.
El uso del motor asíncrono como motor de tracción, se limita en el parque de nuestra red a su uso en los trenes de alta velocidad de la serie S/100 (Madrid-Sevilla) como una evolución del tren francés TGV Atlántico.
La máquina síncrona, en su forma elemental consta de dos partes básicas, la estructura que crea el campo magnético está formada por un devanado excitado con corriente continua y el inducido, normalmente trifásico. El inducido es prácticamente igual al utilizado en los motores asíncronos, no así el rotor que de acuerdo con la velocidad de giro puede ser bien o rotor liso (altas velocidades) o de polos salientes (es el caso de los motores y generadores utilizados en tracción).
El devanado de corriente continua está conectado a una fuente externa a través de anillos rozantes y escobillas. En algunas aplicaciones, se eliminan las escobillas realizándose la excitación a través de diodos rotatorios.
2.7. MOTOR SÍNCRONO DE IMANES PERMANENTES
Como una evolución del uso de máquinas síncronas como motores de tracción, se han empezado a utilizar en tracción eléctrica motores síncronos de imanes permanentes, en donde el rotor deja de ser bobinado para sustituirse por un rotor con estos elementos (AGV y algunos metros y tranvías)
2.8. TRANSFORMADORES
Es el elemento de alta tensión, que permite el funcionamiento del vehículo en las líneas alimentadas tanto a tensión de 25 kV, 50 Hz de corriente alterna monofásica, reduciendo dicha tensión hasta los valores más adecuados para el funcionamiento del vehículo. Para ello, dispone de un devanado primario conectado a la toma de línea procedente del pantógrafo, y de varios devanados secundarios conectados a los distintos convertidores.
Figura 2.16. Transformador de tracción (Locomotora S/253).
Los transformadores de elevada potencia, están dotados de un sistema de refrigeración para mejorar el rendimiento y evitar problemas en los devanados por exceso de temperatura. Para ello, el transformador se integra dentro de un esquema hidráulico que se compone normalmente de los siguientes elementos:
• Cuba: Contiene el aceite sintético donde se sumerge la parte activa del transformador, devanados de cobre pertenecientes al primario y secundarios arrollados en un núcleo de material ferromagnético, e inductancias de filtro y auxiliares.
• Sistema de refrigeración: Sirve para evacuar el calor producido en los devanados. Se compone de bombas que impulsan el aceite sintético por un circuito hidráulico a la unidad de refrigeración, y un vaso de expansión que permite la dilatación libre del aceite en el sistema.
• Controladores: Que permiten vigilar el buen funcionamiento del sistema, formado por presostatos, válvulas de seguridad, sondas de temperatura, indicadores de nivel en el vaso de expansión, relé Buchholz, etc., para evitar problemas de cortocircuitos, derivaciones, sobrepresión y sobretemperatura. La actuación de uno de estos elementos produce, según los casos, desde la limitación de potencia hasta la apertura del disyuntor.
• Relé Buchholz: Relé detector de gases procedentes del deterioro de las inductancias del transformador. Activa una alarma y se produce corte de alimentación.
Cuando el vehículo dispone de dos transformadores, se dispone de un seccionador que permitiría aislar el transformador averiado trabajando con el otro en condiciones degradadas.
2.9. CONVERTIDORES
Un vehículo ferroviario tiene la capacidad de moverse con un fuerte agarre de arranque, mantener velocidades fijas, y además conviene que tenga la capacidad de detenerse con los mismos medios que lo hace para traccionar los motores, que son empleados como frenos. También precisa de un sistema que transforme la energía de catenaria en tensiones para poder usarlas en sistemas auxiliares de ventilación, carga baterías, alumbrado interno, cafetería, etc. Para esas operaciones necesitamos en el ferrocarril moderno el uso de convertidores.
2.9.1. CONVERTIDORES DE TRACCIÓN
Denominamos convertidores de tracción a los equipos electrónicos estáticos de potencia, caracterizados por el uso de dispositivos semiconductores, cuya función es la de adecuar el valor de la tensión/corriente y frecuencia (en caso de motores de corriente alterna) aplicada al motor con objeto de su control, desde velocidades de cero rpm hasta su velocidad máxima (tracción) o desde su velocidad de giro actual hasta su parada (freno) así como la de su inversión del sentido de giro.
En tracción eléctrica se utilizan básicamente los siguientes convertidores: • Convertidor continua – continua (chopper).
• Convertidor alterna – continua (rectificador). • Convertidor alterna – alterna.
• Convertidor continua – alterna (ondulador o inversor).
En la figura siguiente se muestran las disposiciones de los circuitos de potencia más comunes utilizadas en tracción eléctrica.
Figura 2.17.Disposición de los sistemas de potencia.
CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER)
Convierten tensión continua comprendida entre 2 a 3,8kV de catenaria en tensión continua variable de 0 a casi la máxima y limitada en corriente.
Ejemplo: Locomotoras Chopper 440/500, 445 (proyecto CDTI) 269/600 250, 251, 446, suburbanos, etc.
CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES)
Transforman tensión continua en otra tensión alterna variable en amplitud y frecuencia.
Ejemplo: Onduladores trifásicos de tracción locomotora 252, 253 y trenes alta velocidad 100, 102, 103, 104, 130, 120, 112 etc. ancho internacional. Tienen posibilidad de devolver tensión a catenaria.
Figura 2.19. Convertidor de tracción.
RECTIFICADOR
Convierten tensión alterna en tensión continua. Los rectificadores controlados son capaces de regular la tensión de salida continua.
Ejemplo: Convertidor 4Qs locomotoras 252, Alares, 490, 449 etc. También dispone de posibilidad de devolver tensión a catenaria.
2.9.2. CONVERTIDORES DE SERVICIOS AUXILIARES
Son necesarios para la ventilación de los propios motores de tracción resistencias de freno, carga de batería, aire acondicionado, etc.
Normalmente son alimentados por tensión estabilizada continua y generan 380 0 440V trifásicos estables, como es el caso del CSA en 252, Auxiliar de 253, HBU de 447, etc.
Estos convertidores suelen tener una salida fija a 50 Hz. También disponen de salida variable para poder cambiar el número de revoluciones de los ventiladores y satisfacer la demanda de caudal dependiendo de las temperaturas. Se suele hacer en varios escalones de 23 Hz, 30Hz 40Hz, 50 y 60Hz.
Figura 2.21. Convertidor de servicios auxiliares.
Normalmente existen dos equipos gemelos por locomotora o autopropulsado. Están diseñados para que en caso de rotura de uno de ellos el otro se haga cargo de los consumidores que quedaron sin alimentar, equilibrando las cargas mediante contactores y optimizando el rendimiento del que queda operativo.
2.10. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
Repasamos brevemente las características de los semiconductores de potencia y su uso en tracción eléctrica.
2.10.1. DIODOS
Conforman la base de la electrónica, desde las primeras válvulas hasta la actualidad.
Figura 2.22. Diodo.
Son dispositivos que se comportan como un conductor cuando la corriente va en un sentido y como un aislante cuando la corriente va en contra.
La corriente entra por el ánodo y sale por el cátodo.
Como dispositivo semiconductor tiene una caída de tensión que no varía mucho dependiendo de la corriente pero si de la temperatura, que oscila entre los 0.6/0.7 V en un diodo de silicio, 0.3V en un germanio (ya obsoletos) y en dispositivos ferroviarios de alta corriente entre 0,2 y 0,1V.
Presentan varios tipos de encapsulado dependiendo de la aplicación. El más usado en potencia en Renfe es el Press-Pack (paquete comprimido) con la toma de ánodo y cátodo en los extremos, y el cuerpo aislante de porcelana que alberga el dispositivo semiconductor en su interior. Se montan en estructuras portables para favorecer el intercambio, llamadas módulos, stacks o gavetas.
Figura 2.23 Distintos tipos de encapsulado de potencia.
Este tipo planos para ser montados en Press-Pack, deben ser probados ligeramente comprimidos, por ejemplo, en un tornillo de banco, debido a que nos puede falsear la medida por falso contacto de los discos internos (abierto).
2.10.2. TIRISTORES
Son como diodos, pero les distingue en que aun estando polarizado correctamente no conduce hasta que no apliquemos corriente entre una patilla de mando llamada puerta y cátodo.
Figura 2.24. Símbolo de Tiristor.
Son rápidos en sus transiciones de “conducir” o “no conducir” superando con creces a un contactor extrarrápido, dejan pasar mucha corriente y su caída de tensión es baja cuando conduce, pero sufre bastante durante el pequeñísimo tiempo de conmutación (5 a 10 nanosegundos) por lo que tiene que ser auxiliado con bobinas que contengan el incremento de corriente.
Una vez que conducen, a pesar de interrumpir la corriente de puerta, la corriente principal no se extingue y solo hay dos maneras de apagarle:
¾ Interrumpiendo la corriente exteriormente mediante un contactor o disyuntor.
¾ Haciendo circular una corriente contraria superior a la circulante entre ánodo y cátodo. Este último sistema usado en los sistemas de tracción chopper es el llamado circuito de conmutación (tiristores auxiliares que apagan tiristores principales).
2.10.3. TIRISTOR
GTO
A diferencia del tiristor típico la corriente de puerta comanda no sólo la conexión sino que tiene la característica de comandar también la desconexión.
Para ello invierte la polaridad de la señal y con mínimo 1/3 de la corriente que comanda entre ánodo y cátodo procederá al corte.
La ventaja es que evitamos el engorroso y delicado “circuito auxiliar de apagado de principales” que tenían los tiristores.
Las caídas de tensión al ser más modernos han sido también reducidas, por lo que mejoran las pérdidas por calor en el convertidor.
El inconveniente es que usamos electrónica de potencia para controlar la electrónica de potencia, ya que si comandamos 900 A, es preciso dar un pulso, pequeño en tiempo, pero de 300 A mínimo para garantizar el apagado y por ello complica y encarece el sistema. Este mando de puerta complejo constituye la “gate unit” de las locomotoras S/252, ordenado y vigilado por fibra óptica.
Figura 2.26. Gate Unit. Unidad de disparo tiristores S/252.
Su mando desde el armario de electrónica se hace por medio de transformadores de aislamiento o fibra óptica.
2.10.4. IGBT
Es el semiconductor estrella de la actualidad.
Figura 2.27. Esquema IGBT. Figura 2.28. Transistor Bipolar IGBT. Locomotora
Se considera un transistor porque realmente es un transistor bipolar con la puerta aislada, es decir, que aquella corriente de base que veíamos en el transistor ahora es una señal de puerta que presenta elevada resistencia al estar aislada como si fuese un condensador.
El mando se hace internamente en el semiconductor por electrostática.
La principal ventaja es por el mando, ya que es comodísimo trabajar con tensiones de control inferiores a 12 V .y comandar tensiones próximas a los 4000 V y con un control de pocos miliamperios controlar corrientes de hasta 1200 A.
Además el mando puede ser muy ágil permite interrupciones periódicas de hasta 400 Hz, comportándose muy bien ante el crecimiento de la corriente.
La señal de puerta, para evitar problemas de aislamiento se hace por fibra óptica.
El inconveniente superado es la disipación de potencia, que las caídas de 0,2 V en conducción se han visto incrementadas a 1,2 V, 0,8 V en el mejor de los casos.
2.11. FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN
Emplearemos el modelo basado en el convertidor de la locomotora 251 como uno de los más fiables para motores de corriente continua y el de la locomotora 252 como el más completo para corriente alterna.
2.11.1. LOCOMOTORA S/251.
La tensión de catenaria, después de pasar por el disyuntor, alimenta a un filtro de red que está formado por tres bobinas y varios condensadores en paralelo. Esta configuración sirve de fuente de energía ante picos de corriente demandados por convertidores y a su vez de filtro para evitar que los ruidos eléctricos generados por dichos picos afecten a la catenaria y a otras locomotoras o equipos de vía.
Como el condensador consume muchísima energía cuando esta descargado es preciso dotarle de un sistema que limite la corriente de carga, llamado circuito de precarga que introduce una resistencia en serie para evitar que abra el disyuntor o dañe el propio condensador.
De ahí se distribuye a los servicios auxiliares generadores de 380 V y también a los contactores que le aislarán de la red en caso de fallo.
Todos los convertidores disponen un contactor de entrada en todas las locomotoras para esta función de corte del sistema o motor de tracción.
La tensión de catenaria pasa por un chopper (dispositivo que procede de la traducción literal del inglés troceador) que interrumpe la corriente para conseguir, dependiendo del ancho de pulso, la duración del tiempo expuesto a la tensión de red, poder regular y variar la tensión de salida.
Se comporta como un interruptor que cortará 300 veces por segundo la tensión, por tanto también la corriente. Con la ayuda de las bobinas y el diodo de rueda libre conseguiremos una tensión variable desde 80 V hasta prácticamente la tensión de catenaria.
La tensión de catenaria pasa por un chopper (dispositivo que procede de la traducción literal del Inglés troceador) que interrumpe la corriente para conseguir, dependiendo del ancho de pulso, la duración del tiempo expuesto a la tensión de red, poder regular y variar la tensión de salida.
Se comporta como un interruptor que cortará 300 veces por segundo la tensión, por tanto también la corriente. Con la ayuda de las bobinas y el diodo de rueda libre conseguiremos una tensión variable desde 80 V hasta prácticamente la tensión de catenaria.
Figura 2.29. Esquema Eléctrico Circuito potencia Loc. S/251.
Para repartir la corriente y descargar las bobinas de alisado usamos dos ramas o fases de chopper que disparan 180º entre si y consiguen aminorar el rizado.
Cuando la tensión se corta en los tiristores lo hará también la corriente y la energía que quedaba almacenada magnéticamente se recircula a través de las dos ramas de diodos antiparalelo, estabilizando el esfuerzo en llantas.
El campo queda en serie con el motor y tenemos el circuito establecido hasta negativo carril para traccionar.
El chopper dispone de transformadores de corriente y tensión que tienen como misión informar a la electrónica de los valores de corriente y tensión que obtenemos y de los que partimos.
2.11.2.
LOCOMOTORA S/252
Al subir pantógrafo un transformador informa a la electrónica de mando de la tensión de red. Esta locomotora es bitensión, o sea que puede trabajar en catenarias de 25 kV en corriente alterna y 3 kV en corriente continua.
En nuestro caso al detectar los 3000 V DC la electrónica configura el aparellaje, contactores, selector, transformador, etc. como para esa tensión de trabajo, realizando un test que cierra los contactores (excepto disyuntor) para probar que funcionan correctamente.
Para proteger al convertidor, usa unos equipos denominados de precarga que prueban al convertidor antes de que vea la tensión de catenaria. En el momento en que se encuentra y las precargas inyectan 200 V donde entrarían los 3000 V. Unos detectores de tensión valoran, mediante un programa, la curva de carga y descarga, y si es correcta admite cerrar disyuntor.
Figura 2.30 Circuito simplificado Convertidor 3 kV loc. S/252.
Una vez una vez que cerramos disyuntor realizamos una carga del condensador de filtro mediante resistencia, y arrancamos el chopper de entrada, un dispositivo cuya misión es cargar unos condensadores a una tensión variable dependiendo de la demanda del esfuerzo. Normalmente arrancan a 2400 V y puede elevarse hasta 2800 V.
Figura 2.31. Chopper bifásico.
Este circuito intermedio es nuestra fuente de energía, donde tenemos que tener tensión siempre presente y por ello nos proporcionará corriente cuando pulsemos los onduladores que son los que generan tensión alterna trifásica para motores de tracción y también para los servicios auxiliares de ventiladores, compresor, cargador de batería, etc.
En esta locomotora se considera tan importante este circuito intermedio que los diseñadores descargaron al procesador de su gestión y encargaron su trabajo a un subprocesador de su tarea.
Cuando frenamos los motores se convierten en generadores y el circuito intermedio que antes se alimentaba de catenaria ahora es alimentado por la tensión que proporcionan, siendo ahora el chopper de entrada el encargado de elaborar la tensión hacia catenaria para ser devuelta. El condensador de circuito intermedio no puede sobrepasar la tensión de 2900 V y si la catenaria no lo acepta tenemos que disparar el chopper de freno, un tiristor que hace pasar una corriente regulable a las resistencias de freno y estas lo disiparán en calor.
El resto de locomotoras y vehículos autopropulsados, son parecidos, aunque en casos como la serie S/253 el circuito intermedio no existe, manejando el concepto DC Link, dejando al condensador de filtro como reserva de energía debido a la agilidad y características de los IGBT (6500 V) y su control que suplen rápidamente las demandas de energía adaptándose en cuestión de nanosegundos.
Figura 2.32. Inversor trifásico.
Para conseguir la corriente alterna disparamos secuencialmente los tiristores GTO, o los IGBT, depende del vehículo, e iremos abriendo caminos a la corriente desde el positivo de circuito intermedio hasta las bobinas, y una vez allí cerraremos interruptores para su retorno al negativo del condensador de circuito intermedio.
Secuencias correctas son, por ejemplo 1+4; 1+4+6: 3+6+2; 3+2…etc. pero nunca los dos interruptores del mismo módulo, que generarían un cortocircuito franco a la alimentación.
Para cambiar el sentido de giro del motor simplemente cambiamos la secuencia de disparo, retrasando una fase con respecto a otra.
En freno, para que el motor se comporte como generador, simplemente la electrónica vigilará que la frecuencia del estator sea inferior a la del rotor, (deslizamiento negativo) y la energía producida por los motores circulará por los diodos de rueda libre que disponen todos los semiconductores de potencia en paralelo.
2.11.3.
LA REFRIGERACIÓN DE LOS EQUIPOS DE POTENCIA
Todos los convertidores tienen pérdidas, hasta los transformadores que tiene un buen rendimiento 98% ferroviariamente han de ser refrigerados por sus componentes armónicas. La energía para refrigeración nace de los convertidores auxiliares.
Los motores de tracción tienen sus pérdidas tanto en el cobre de sus devanados como en el hierro de sus núcleos, y han de ser refrigerados por aire, ventiladores que introducen aire filtrado de sala de máquinas y es expulsado por sus rejillas en los bogíes.
Motores de tracción de mediana potencia como los Civias, 440, 444 (unidades autopropulsadas) son autoventilados con turbinas formadas por álabes caladas en el propio eje.
Por ejemplo Civia usa el sistema de hermeticidad, en el cual se hace una recirculación interna de aire siendo un intercambiador el que disipa el calor con el aire externo.
En casos de grupos de tiristores como la S/251 y sus bobinas de filtro, son refrigeradas por ventiladores que hacen circular aire, (ventiladores de chopper).
Locomotoras como la S/252, los tiristores GTO son refrigerados por freón en una cuba que contiene este gas licuado, entra en ebullición y se produce una atmosfera intercambiando el calor hacia la estructura de aluminio que lo soporta, condensando el líquido y precipitándose de nuevo para evaporarse. Solo precisa energía externa para la ventilación de aire de las cubas y enfriar el freón.
Figura 2.33. Sistema refrigeración tiristores por ebullición de freón S/252 y S/447.
Los transformadores y bobinas auxiliares son refrigerados por aceite y bombas que se encargan de mantener un alto flujo usando radiadores ventilados como intercambiadores.
3. EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN
3.1. INTRODUCCIÓN
El equipo de alta tensión, tiene como misión tomar la corriente de catenaria y alimentar mediante los componentes necesarios a los motores de tracción, equipos auxiliares y líneas de alta tensión del tren. Por tanto, estos equipos intervienen directamente en el desarrollo de la potencia del vehículo, tanto en tracción como en freno eléctrico.
La configuración del equipo variará en función de la tecnología aplicada. Las características generales que intervienen en el equipo de alta tensión se pueden observar en los siguientes esquemas:
Figura 3.1. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente continua (c/c 3000 V.)
El circuito de potencia queda establecido cuando el pantógrafo contacta con la catenaria y se cierra el disyuntor. En este instante, la tensión de catenaria 3.000 voltios de corriente continua, está presente en el vehículo.
En el apartado de sistemas de electrificación de corriente continua y motores de corriente alterna, encontramos una gran cantidad de vehículos, debido a la evolución en la electrónica de potencia aplicada a motores de corriente alterna.
En el caso de vehículos de corriente alterna, la alimentación eléctrica es de 25.000 V, 50 Hz monofásica.
Figura 3.2. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente alterna (c/a 25000 V).
Los vehículos motores de corriente alterna, disponen de un transformador, que además de sus devanados para la tracción, pueden llevar los transformadores trifásicos para los servicios auxiliares y para línea de alimentación del tren, las inductancias y bobinas para filtrado.
Bajo el bastidor, según el tipo de vehículos se pueden encontrar distintos elementos de alta tensión como pueden ser, los grupos motores alternadores, resistencias, transformadores, reactancias, convertidores de tracción, convertidores auxiliares entre otros.
3.2. .EL PANTÓGRAFO
El pantógrafo es el componente del equipo de alta tensión destinado a captar la corriente de catenaria.
Está sujeto al techo del vehículo mediante aisladores. El paso de la corriente al interior del mismo se realiza a través de pasamuros aislantes.
El conjunto de los elementos que lo componen, deben aportar la suficiente estabilidad y rigidez para permitir la captación de corriente en cualquier situación aerodinámica y de velocidad para la que ha sido diseñado.
El bastidor es el armazón que soporta el sistema articulado, el mecanismo de elevación y la mesilla.
Está formado por largueros metálicos que apoyan sobre aisladores en el techo del vehículo. Para conseguir la elevación y mantenimiento del pantógrafo, es necesaria la presión suficiente de aire comprimido, proporcionada por la instalación neumática del vehículo.
Ésta se aplica sobre un accionamiento neumático, que a veces se complementa con resortes. La pérdida de presión, provocará el descenso del pantógrafo.
Cada pantógrafo tiene una o dos mesillas, situadas en la parte superior del sistema articulado, disponen de un mecanismo de suspensión que las estabilizan y amortiguan, permaneciendo lo más paralelas posible respecto al techo del vehículo.
Figura 3.3. Ejemplo de elementos de Pantógrafo: (S/253). 1. Bastidor de base. 2. Brazo inferior. 3. Cable metálico. 4. Accionamiento de la elevación. 5. Eje de inserción. 6. Pasador de aletas.
7. Manguera de conducción de aire comprimido.
Entre otros elementos que pueden disponer los pantógrafos, se encuentran los siguientes: Sistemas de amortiguación: Garantizan un buen comportamiento de contacto entre mesilla y catenaria, corrigiendo las pequeñas variaciones de altura entre ellos. En unos casos tienen amortiguadores entre el bastidor y el sistema articulado, pudiendo también disponer de amortiguadores ubicados entre las mesillas y el sistema articulado.
Detectores de desgaste o impacto de frotadores: Son dispositivos automáticos de descenso, de efecto neumático e inmediato, en los que el pantógrafo baja automáticamente en caso de daños o desgaste excesivo en frotadores, evitando así, daños mayores en la catenaria y en el pantógrafo. Consiste en un tubo colocado en la mesilla, que contiene aire comprimido, en caso de rotura del tubo el aire comprimido se escapa y el accionamiento neumático del pantógrafo desciende por la pérdida de aire.
Válvula de doble etapa: Se utilizan para conseguir la elevación o el descenso del pantógrafo en dos impulsos, uno inicial de elevada presión; y el segundo, más moderado, que facilita un contacto suave sobre el hilo de contacto o sobre su propio bastidor. Permiten la elevación y descenso de pantógrafo con independencia de la velocidad del vehículo.
Limitadores de altura: Acota la altura de trabajo del pantógrafo a un valor regulable en el mecanismo de elevación, evitando la posible inutilización del pantógrafo por falta de contacto con la línea.
Debido a que las características mecánicas y geométricas de la catenaria, son distintas para los sistemas de electrificación de corriente continua y corriente alterna, es necesario que el pantógrafo se adapte a dichas diferencias, sobre todo en función de su geometría de mesilla y sus propiedades eléctricas (intensidad de trabajo, tensión, etc.). Existiendo pantógrafos para corriente continua y para corriente alterna.
3.2. DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN
El pararrayos o derivador de alta tensión, es un elemento de protección específico diseñado para vehículos eléctricos, montados generalmente en el techo, próximos a los disyuntores o seccionadores de línea de techo, protegen de descargas atmosféricas, y de sobretensiones transitorias que puedan presentarse, tanto en la catenaria, como por la apertura del disyuntor principal o seccionadores.
Figura 3.5. Pararrayos de c.a. Derivador de AT (S/130).
Existen variantes para su funcionamiento, tanto en corriente continua como en corriente alterna. Debido a que están sometidos a condiciones climáticas extremas y vibraciones, deben cumplir exigentes requisitos en cuanto a la estabilidad térmica, mecánica y eléctrica. Además, en caso de actuar, debe ser resistente a la rotura, para garantizar la seguridad de las personas
3.3. SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA
Los seccionadores son los elementos encargados de interrumpir la tensión en un circuito. El seccionador puede actuarse de forma manual o automáticamente mediante actuadores neumáticos o eléctricos. Esta exclusión puede deberse a una posible avería o inutilización en algún componente del vehículo, siendo necesario excluirlo para poder seguir prestando servicio en condiciones degradadas. Por ejemplo, seccionador de pantógrafo, seccionadores de puesta a tierra en disyuntores principales, seccionador de línea de techo, seccionador de motores de tracción, entre otros.
En vehículos aptos para circular por los dos tipos de sistemas de corriente, c.c. y c.a., estos elementos, permiten aislar la parte del circuito de alta tensión que no permanezca operativa, impidiendo la alimentación eléctrica de los circuitos excluidos.
Figura 3.6. Seccionadores de pantógrafo.
También se utilizan en determinadas operaciones para garantizar la seguridad de las personas, particularmente, en los vehículos eléctricos se utilizan para la puesta a tierra.
Para proporcionar seguridad y evitar cualquier riesgo de electrocución, las cámaras de alta tensión, los armarios o cofres de alta y media tensión, suelen estar cerrados mediante llaves. Para poder acceder a su interior, se proporciona en los vehículos eléctricos un proceso conocido como puesta a tierra. Consiste en obtener dichas llaves de una forma secuencial, mediante una serie de pasos que garanticen la falta de tensión en los emplazamientos correspondientes en el momento de abrirlos. Del mismo modo se evita una manipulación indebida, impidiendo la actuación de determinados elementos, como por ejemplo, el bloqueo neumático al sistema de elevación de pantógrafos.
Con las diferentes llaves, se puede tener acceso a armarios de convertidores y cámara de alta para seccionamiento de pantógrafos y todas las operaciones de reparación y mantenimiento necesarias.
3.4. DISYUNTOR PRINCIPAL
Es un interruptor, destinado a establecer y proteger el circuito de alta tensión en los vehículos eléctricos. Reacciona de forma muy rápida, interrumpiendo la conexión entre catenaria y vehículo, evitando posibles daños. Se conoce también como disyuntor extrarrápido.
Figura 3.7. Regleta o Caja de llaves.
De forma directa, la tensión captada de catenaria por medio del pantógrafo, se transmite al circuito principal de corriente del disyuntor principal. Esto se consigue mediante cables llamados pasamuros, que pasan al interior del vehículo por unos aislantes integrados en el techo de la caja.
Generalmente, los disyuntores principales están compuestos de los siguientes elementos: • Bastidor aislante. Estructura que soporta los distintos componentes del disyuntor. • Circuito principal de corriente. Consta de dos contactos, uno fijo y otro móvil
llamados labio móvil y labio fijo.
• Sistema de aproximación. Mediante accionamientos de tipo neumático, eléctrico, electromagnético, etc.
• Sistema de mantenimiento. Proporciona la fijación de los contactos fijo y móvil. • Dispositivo de disparo. Mediante resortes antagonistas, electromagnéticos... • Dispositivo de soplado. La apertura con carga eléctrica en sus contactos, produce
arco eléctrico que debe extinguirse, generalmente mediante soplado magnético y antenas de dispersión.
1 Disyuntor principal 2, tipo UR26
2 Fusible de desconexión del pantógrafo 1 3 Fusible de desconexión del pantógrafo 2 4 Fusible de desconexión de puesta a
tierra
5 Caja de llaves
6 Fusible de desconexión neumática de los pantógrafos
7 Conexiones neumáticas 8 Conectores externos BT y HT 9 Disyuntor principal 1, tipo UR26
