E s c uela P olit éc nic a S uper ior de Lina res Gr ad o en IN GE NI ER ÍA E LÉ CT RI CA U NIVERSIDAD DE J AÉN
Escuela Politécnica Superior de Linares
Trabajo Fin de Grado
ESTUDIO DE LAS DISTINTAS TÉCNICAS DE SUMINISTRO DE
ENERGÍA ELÉCTRICA EN VEHÍCULOS DE TRACCIÓN
Alumno: Sergio Justicia Tobaruela
Tutor: Prof. D. Manuel Valverde Ibáñez Dpto.: Ingeniería Eléctrica
Junio, 2016
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ÍNDICE
1 Historia de las locomotoras ... 2
2 Evolución histórica del suministro de energía en los vehículos de tracción ... 4
2.1.1 Tracción Diésel y fabricación de locomotoras diésel-eléctricas ... 4
2.1.2 Tracción eléctrica y locomotoras eléctricas ... 5
2.1.3 Locomotoras de levitación magnética ... 6
2.2 Trenes de tracción ... 6
2.2.1 Locomotoras eléctricas ... 9
2.2.2 Unidades múltiples eléctricas ...12
2.2.3 Locomotoras diésel ...14
2.2.4 Múltiples unidades diésel ...18
2.2.5 Locomotoras turbina de gas – eléctricas ...20
2.2.6 Locomotoras híbridas ...23
2.2.7 Trenes de levitación magnética ...26
2.2.8 Sistemas y dispositivos de frenos ...28
2.2.9 Clasificación de las locomotoras de tracción eléctrica ...31
2.3 Nuevas perspectivas del diseño de locomotoras ...34
3 Vehículos de tracción alimentados con PEMFC ...38
3.1 Pilas de combustible ...39
3.1.1 Introducción a las pilas de combustible ...39
3.1.2 Clasificación de las pilas de combustible ...43
3.1.3 Estudio comparativo de los distintos tipos de pila de combustible ...47
3.2 Diseño y estructura del vehículo ...52
3.2.1 Subsistemas ...54
4 Modelado y simulación de un vehículo de tracción ...59
4.1 Pila de combustible y sistema de almacenamiento de energía híbrido de pilas de combustible. ...60
4.1.1 Modelado de las pilas de combustible ...60
4.1.2 Sistemas de almacenamiento de energía híbridos para pilas de combustible 63 4.1.3 Estrategia de control de un sistema de energía de células de combustible híbrido ...66
5 Conclusiones ...73
6 Referencias bibliográficas ...74
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1 HISTORIA DE LAS LOCOMOTORAS
La historia del desarrollo del transporte ferroviario está directamente relacionada con la llegada de las locomotoras y la mejora de sus diseños y su fabricación. El primer proceso de construcción de una locomotora se puede datar en 1801, con la construcción de automóvil de vapor, que fue diseñado por el inventor británico, Richard Trevithick. La posterior transformación de ese diseño fue realizada por él con la ayuda de John Steele en 1803-1804, cuando fue re-diseñado para el uso en las minas de hierro de Penydarren (Gales). Esta locomotora está considerada como la primera locomotora real en el mundo.
Los registros históricos dicen que la locomotora transportó 10 toneladas de hierro, 70 pasajeros y 5 vagones desde la mina al Canal Merthyr-Cardiff. Sin embargo, esa locomotora no era tan buena como muchas otras locomotoras particulares, fabricadas por otros inventores.
El paso decisivo en el desarrollo de esta tecnología pertenece a otro inventor británico, George Stephenson, quien construyó una locomotora para un ferrocarril de minas en 1814. Esa locomotora, llamada “Blücher”, fue capaz de transportar una carga de 30 toneladas hasta una colina a 6.4 km/h. Fue la primera experiencia exitosa de la fabricación de una locomotora que utilizó fuerzas de fricción entre las ruedas y carriles suaves, usándose bridas para la realización del esfuerzo de tracción. Después de eso, George Stephenson estableció una empresa llamada Robert Stephenson. La compañía construyó varios tipos de locomotoras y la primera se llamó “Locomotion Nº 1”. Más tarde se convirtió un nombre familiar para todos los vehículos de tracción que funcionan sobre vías ferroviarias.
El ancho de vía seleccionada por George Stephenson fue de 4 pies 8 ½, que era el "ancho de vía estándar”, y se convirtió rápidamente en el más común en Europa Occidental y todavía es el estándar para la mayoría de los ferrocarriles de todo el mundo.
En la segunda mitad del siglo XIX, el diseño de la máquina de vapor no tuvo fundamentalmente cambios, aunque se buscaron formas básicas para su mejora en las siguientes líneas: más potencia, mayor tracción, mayor velocidad y también mejoras en la eficiencia energética y el rendimiento operativo. El trabajo de muchos ingenieros e inventores de diferentes países dio lugar a las locomotoras de vapor en el último trimestre del siglo XIX, siendo los vehículos más eficaces de tracción a un nivel apropiado para la ciencia y la tecnología en ese momento. El desarrollo de la industria y el comercio, hizo una gran contribución a la rápida construcción de ferrocarriles y el transporte por ferrocarril en el mundo. A finales del siglo XIX, toda la red ferroviaria del mundo, con locomotoras de vapor, era superior a 800.000 kilómetros.
A principios del siglo XX, comenzaban a aparecer los competidores de las locomotoras de vapor. En las vías del ferrocarril de la minería y en las empresas metalúrgicas era posible encontrar tracción eléctrica; en los ferrocarriles comunes existían locomotoras con unidades de potencia de combustión interna, es decir, tracción diésel o locomoción diésel.
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Estas circunstancias fueron el impulso para el posterior desarrollo de la máquina de vapor, pero las capacidades técnicas de la locomotora de vapor casi habían llegado a sus límites prácticos y no podían competir con la tracción eléctrica y diésel, de rápido crecimiento.
En ese momento, la economía mundial apostó por la fabricación de locomotoras.
Las locomotoras de vapor se construían en grandes plantas industriales. Entre los años 1930 y 1940, las fábricas producían máquinas de vapor de gran alcance, de hasta 3.500 CV, que preveía la carga de trabajo intensivo de los ferrocarriles durante la Segunda Guerra Mundial, así como en el período posterior a la guerra.
Sin embargo, el principal inconveniente de la locomotora de vapor era su reducida eficiencia en lo que respecta a la conversión de energía, que no superaba el 15.6%
durante el funcionamiento del tren, y esto no era compatible con el progreso de la ciencia y la tecnología en el medio del siglo XX.
Durante ese período, todos los países industrializados comenzaron la transición a nuevas formas avanzadas de tracción, sustituyendo las locomotoras de vapor con trenes diésel y locomotoras eléctricas, así como reestructurando las empresas que se habían dado cuenta de las ventajas del diésel y la electricidad. Las empresas empezaron a cambiar las estructuras, tecnologías y la organización de sus procesos de línea de producción. En Estados Unidos, se hizo una producción en masa de locomotoras diésel a finales de la década de 1940. En Europa y en Asia, que tanto sufrieron durante la Segunda Guerra Mundial y sus secuelas, la introducción de diésel y tracción eléctrica se retrasó.
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2 EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA EN LOS VEHÍCULOS DE TRACCIÓN
2.1.1 Tracción Diésel y fabricación de locomotoras diésel-eléctricas
La creación de las primeras locomotoras de tracción diésel comenzó en la década de 1920 con la producción de prototipos. Una locomotora diésel-eléctrica presentaba nuevos retos para la fabricación en comparación con una locomotora de vapor, ya que era una máquina mucho más compleja y técnicamente diversa. Sus componentes no eran sólo metal soldado (marcos, carrocería y chasis) como la tecnología de producción para la fabricación de diseños de la locomotora de vapor, sino que, también requería de potentes motores diésel, compresores, ventiladores, intercambiadores de calor, máquinas eléctricas y aparatos y dispositivos más complejos. Por lo tanto, al contrario que con la locomotora de vapor, donde casi podría ocurrir todo el ciclo de producción en una sola planta, para fabricar una locomotora diésel era y es necesario una amplia cooperación de muchas industrias, especialmente la maquinaria pesada, motor diésel y las industrias de maquinaria eléctrica. El gran volumen de producción requería el diseño de procesos tecnológicos diferentes (montaje, instalación, etc.) junto con las pruebas de laboratorio y de campo. El comienzo de la era industrial de la locomotora diésel-eléctrica fue iniciada por las grandes empresas de Estados Unidos, Canadá y la ex URSS, en pequeños números en la década de 1930, pasando a producción en masa entre los años 1950 y 1960. Las empresas facilitaron la transición masiva de estos países de locomotoras de tracción a principalmente diésel. Los principales fabricantes de locomotoras diésel en ese momento eran "General Motors", "General Electric", "COAP" y "Bombardier". El volumen máximo de producción de locomotoras diésel en Estados Unidos se produjo en los años 1950 y 1960, llegando casi a 4.000 unidades al año. En la antigua URSS la producción de locomotoras se concentró, principalmente, en las grandes plantas de ingeniería ubicada en Lugansk, Kolomna y Bryansk, y en esos mismos años, la producción máxima alcanzada 3,000 unidades por año. En los países de Europa occidental, a diferencia de América del Norte y la antigua URSS, la atención se centró en la electrificación de los ferrocarriles, y la producción de locomotoras diésel fue significativamente menor, con el énfasis puesto en la exportación, así como en el uso local de las locomotoras industriales y de maniobras con cargas por eje de luz. La principal concentración de tracción diésel ha sido y es todavía en los ferrocarriles en los países industrializados como Estados Unidos, Canadá, Australia, Rusia y China, con más de 40.000 locomotoras. En la actualidad, el mundo cuenta con más de 1 millón de kilómetros de longitud de vías de ferrocarril con tracción diésel. Estos se encuentran principalmente en los Estados Unidos, Canadá, Rusia, India, China, Brasil, Australia y Sudáfrica.
Actualmente, los fabricantes de locomotoras diésel-eléctricas están haciendo importantes esfuerzos para mejorar sus productos con la introducción de los últimos avances de la ciencia y la tecnología en este campo. Las áreas principales siguen siendo los siguientes: aumentar la capacidad de energía por unidad, mejorar la tracción y el rendimiento operativo (máxima realización de la adhesión, mejorar la eficiencia y el desempeño ambiental, maximizar la seguridad operacional y mejorar la ergonomía para el personal a bordo).
5 2.1.2 Tracción eléctrica y locomotoras eléctricas
El desarrollo del tren de tracción eléctrica avanzaba en paralelo con la evolución de los sistemas eléctricos y la creación de máquinas eléctricas y dispositivos hacia el final del siglo XIX, que eran capaces de implementar los parámetros técnicos y las características necesarias para el funcionamiento de los ferrocarriles. Los primeros prototipos prácticos de trenes eléctricos, se crearon en la década de 1920. La producción industrial de locomotoras eléctricas se inició en la década de 1930 y hubo una mejora progresiva de la capacidad de potencia de tracción continua y la velocidad de las locomotoras hasta la Segunda Guerra Mundial. Durante la guerra, la producción de locomotoras eléctricas se suspendió por completo. Después de la guerra, los operadores ferroviarios en Europa renovaron su demanda de locomotoras eléctricas; esto estaba relacionado con la reparación y ampliación de las áreas de tracción eléctrica. La tracción eléctrica se convirtió en la forma principal de propulsión en Europa, debido principalmente a una mejor eficiencia de la energía y mayor potencia de tracción, menores costes de mantenimiento de la locomotora, un control más sensible y una reducción en el impacto sobre el medio ambiente.
Las locomotoras eléctricas modernas pueden funcionar con diferentes tipos de tensiones y corrientes, y esto se llama rendimiento multi-sistema (que permite un funcionamiento en corriente continua y alterna y en diferentes voltajes). Se utilizan generalmente sistemas de cableado desde arriba, a excepción de los ferrocarriles subterráneos. La capacidad de carga de las locomotoras eléctricas es de hasta 10.000 kW por unidad. En el tráfico de pasajeros, es posible ver locomotoras de pasajeros de alta velocidad, actualmente están operando a velocidades de hasta 350 km/h. Los países con tracción diésel tradicional, como Estados Unidos, Canadá, China, Rusia y otros países también han comenzado la introducción y establecimiento de tráfico de pasajeros de alta velocidad con tracción eléctrica.
Ser los líderes en el desarrollo y la producción de locomotoras eléctricas, trenes eléctricos, transporte urbano eléctrico, trenes eléctricos de alta velocidad y equipos de energía, eran y son las preocupaciones arraigadas en: "Siemens" y "Alstom", así como en grandes empresas como: “AnsaldoBreda”, "Asea Brown Boveri (ABB)”, "Bombardier",
"Krauss-Maffei”, “Mitsubishi”, “Kawasaki Heavy Industries”, “Hitachi” y otras. Mejoras en el diseño y los componentes modulares y piezas para los trenes eléctricos, han requerido la creación de nuevas tecnologías en los campos de la ingeniería eléctrica, la aerodinámica, crear materiales súper ligeros y duraderos, sistemas de control y funcionamiento de la seguridad en la pista. Tomando en cuenta las muchas empresas están llevando a cabo la fabricación paralela de vehículos ferroviarios con tracción eléctrica y diésel. La dirección más prometedora es crear una serie de locomotoras en base a un principio modular, donde una locomotora diésel o eléctrica sean construidas sobre la base de un vehículo estandarizado, con tantos componentes comunes como sea posible, en combinación con la mayor cantidad de "módulos" específicos individualmente, según sea necesario para el funcionamiento en la vía prevista. Esta tendencia se puede observar en los últimos avances de diseño de empresas como: Siemens, Alstom, Bombardier y otros.
6 2.1.3 Locomotoras de levitación magnética
Debido al aumento significativo de la capacidad de potencia de tracción y la velocidad de los trenes, algunos problemas surgen con el coeficiente de adherencia necesaria entre la rueda y el carril, se hace difícil cumplir con los requisitos de seguridad de la estabilidad, la aceleración y el frenado. Además, los efectos dinámicos que los trenes de muy alta velocidad imponen a los componentes de la vía, aumentan en gran medida el deterioro de equipos y costos de mantenimiento. Como consecuencia, hay una nueva dirección para la propulsión de vehículos ferroviarios, que implementa la tecnología de levitación magnética básica para diseñar soluciones para un tipo de vehículo ferroviario que no se basa en la fricción de adherencia. Fue desarrollado por Transrapid en Alemania durante la década de 1970s-1980s. El funcionamiento del tren de levitación magnética se basa en la sustitución del contacto rueda-carril convencional por bloques magnéticos en los vehículos y, o bien, placas ferromagnéticas o bobinas eléctricas en la estructura que crea campos magnéticos que proporcionan tanto la elevación y el empuje.
La primera línea de levitación magnética, con una longitud de 30,5 km de vía doble y una velocidad máxima de 430 km/h, fue abierta para las operaciones comerciales en el año 2004 por el gobierno chino entre el aeropuerto de Pudong y la estación de metro de Shanghai. Se creó con la participación de ThyssenKrupp y una empresa subsidiaria de Siemens.
2.2 Trenes de tracción
Los trenes ferroviarios se pueden dividir en dos grandes grupos: locomotoras (que proporcionan la fuerza motriz para un tren) y los coches o vagones (que son arrastrados por las locomotoras).
La potencia en los trenes se puede suministrar a las ruedas o usar levitación magnética. La fuerza de tracción para trenes con ruedas, aparece como resultado de la realización de los esfuerzos de tracción por un vehículo motorizado (vehículo de tracción ferroviaria) como resultado del proceso de fricción entre las ruedas y los carriles.
Para trenes que utilizan principios de levitación magnética, la fuerza de tracción se crea por la fuerza de propulsión magnética proporcionada por un motor de inducción lineal.
La potencia para trenes de ruedas, puede clasificarse utilizando dos enfoques:
• Por fuentes de energía: Esta divide el tren en dos grupos de no-autónomo y autónomo.
Los trenes no autónomos, están generalmente provistos de una fuente de energía que está fuera de la locomotora. Las locomotoras eléctricas son un buen ejemplo de trenes no autónomos.
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Los trenes autónomos, reciben la energía necesaria para moverse, de una planta de energía que está directamente en el interior del vehículo. Las locomotoras de vapor, diésel y turbinas de gas, así como vehículos de transporte y trenes híbridos diésel son trenes autónomos.
Las ventajas de la tracción no autónoma son: mayor potencia por vehículo, la reducción significativa de los efectos sobre el medio ambiente durante el funcionamiento, y también la posibilidad del uso más eficiente de la energía (por ejemplo, frenado regenerativo en eléctrica locomotoras).
Sin embargo, los trenes autónomos también tienen sus ventajas, menores costes de construcción y mantenimiento de infraestructuras de transporte (ausencia de una red de subestaciones de suministro eléctrico, etc.), y también proporcionan una posibilidad para trabajar en condiciones críticas y situaciones extraordinarias (fracaso de las subestaciones de suministro eléctrico, pérdida de conexión en redes del cable conductor de contacto en caso de malas condiciones meteorológicas, cuando hay formación de hielo o huracanes, etc.)
Actualmente, algunos trabajan en el diseño del desarrollo de trenes con fuentes de energía combinadas, que deberían permitir a un vehículo, funcionar en ambos modos:
autónomo y no-autónomo.
• Por tipos de uso: Esta permite la división en el transporte de mercancías o de pasajeros y los vehículos ferroviarios especiales.
El transporte de pasajeros consta de dos grupos, siendo éstos: locomotoras y coches. En el transporte de mercancías, las locomotoras se diseñan para realizar un gran esfuerzo de tracción, para transportar grandes cargas y trenes pesados de acero.
Además de las unidades individuales, estas locomotoras se utilizan en los grupos de control (paralelo) y se utilizan en diferentes lugares del tren (control distribuido). Estas locomotoras no suelen tener ninguna capacidad de carga útil a bordo.
Las locomotoras de maniobras (motores de conmutación) realizan trabajos en las estaciones relacionadas con la formación de los trenes que se ensamblan para el envío o desarmar a su llegada. Por lo general, no poseen las grandes capacidades de potencia de las principales locomotoras de línea y son capaces de trabajar en la pista con menos carga de eje.
Los vehículos de tracción ferroviaria para fines especiales pueden ser clasificados como vehículos que son capaces de realizar funciones de usuario especial, aparte de transporte de carga y pasajeros. Por ejemplo, existen los vehículos tales como el mantenimiento de los vehículos, el uso militar de vehículos ferroviarios o de extinción de incendios y vehículos de rescate.
Un vehículo ferroviario impulsado por sí mismo es una construcción de ingeniería muy compleja, que incorpora muchos logros e innovaciones de la ciencia y la tecnología moderna. Desarrollo, pruebas e investigación de este tipo de máquinas complejas no son
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posibles sin el conocimiento y habilidades de diseño, y una comprensión de la modelización y cálculo de componentes estructurales y partes aplicables en este campo.
A diferencia de otros tipos de vehículos de transporte, el ferrocarril debe satisfacer un gran número de requisitos específicos para su funcionamiento. Además, los requisitos adicionales para diferentes ferrocarriles pueden variar sustancialmente entre sí.
Se pueden definir las siguientes limitaciones básicas, que tienen una influencia significativa en el diseño de ferrocarriles:
• Ancho de vía: Muchas dimensiones diferentes para el ancho de vía han encontrado una gran aplicación, por ejemplo, las dimensiones para indicadores comúnmente utilizados pueden variar de 1000 a 1676 mm.
• Carga de calibre: dimensiones predefinidas (altura y anchura) para vehículos ferroviarios, lo que debería permitir que los vehículos se mantuviesen dentro de una “envolvente” específica que proporciona el espacio adecuado a la estructura de contornos que rodean (por ejemplo, túneles, puentes y plataformas) con el fin de asegurar el funcionamiento seguro de los vehículos a través de ellos. El indicador de carga de vehículos ferroviarios suele ser diferente en cada país y los ferrocarriles, lo que significa que puede diferir considerablemente de un ferrocarril a otro.
• Carga por eje: los límites de cargas en un riel están determinadas por la estructura de la vía, incluyendo qué tipo de rieles están en uso, los tipos y el espaciamiento de traviesas de ferrocarril, la capacidad portante de la cimentación de la vía (balasto, sub-balasto y la formación subyacente), y también por puntos fuertes de puentes y otras estructuras de soporte de ingeniería.
• Tipos de dispositivos de acoplamiento y de absorción (también llamado proyecto de engranajes): Los acopladores se utilizan para la conexión de los vehículos de transporte ferroviario en un tren, para la transmisión de tracción y frenado los esfuerzos de los vehículos de transporte motorizados a los sin motor (por ejemplo, locomotoras y vagones) para la absorción de las cargas de choque que se producen durante el movimiento, paradas y también durante las maniobras.
Los primeros dispositivos de acoplamiento eran ganchos y acoplamientos de tornillo, que todavía están en uso para la conexión de algunos ferrocarriles. Tales conexiones deben hacerse manualmente, y el proceso es muy lento y arriesgado también desde el punto de vista de la seguridad. Esta es una razón por la que, a principios del siglo XX, tales dispositivos comenzaron a ser reemplazados por dispositivos de acoplamiento automáticos. Existen numerosos diseños de acoplamientos automáticos que están en uso en diferentes vías férreas y en diferentes países. Los siguientes tipos básicos de dispositivos de absorción se utilizan en acoplamientos automáticos:
• Por resorte-fricción
• Hidráulico
• Elementos de goma
• Elementos elastoméricos
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Los enganches automáticos en uso en la carga de mercancías, suelen estar equipados con un diseño de resorte-fricción. En el transporte de pasajeros, que suelen estar equipados con un diseño similar, incorporan elementos de goma. Otros tipos de dispositivos de acoplamiento, como los elastómeros, se utilizan en operaciones de trenes de alta velocidad.
Además, algunos vehículos con ganchos y acoplamientos de tornillo también tienen amortiguadores que están instalados cerca de los bordes laterales (esquinas) en la parte delantera y trasera de los vehículos ferroviarios. Este diseño limita la holgura en los trenes y reduce las cargas de choque.
• Sistemas de señalización y seguridad: en los ferrocarriles de los diferentes países, se utilizan diferentes estándares para garantizar la seguridad de las operaciones.
Los ferrocarriles, a menudo tienen problemas en cuanto a la seguridad operacional en el caso de una necesidad para circular en vías de diferentes países. En particular, la Unión Europea desarrolla documentos normativos especiales para la estandarización de los diferentes sistemas de señalización y seguridad.
• Sistemas de freno: en los ferrocarriles, se utilizan diversos sistemas de freno que han encontrado una amplia aplicación, y estos sistemas se pueden clasificar de la siguiente manera:
o Neumático.
o Eléctrico.
o Hidráulico.
o Mecánico.
Todos estos sistemas pueden tener varios diseños y arreglos estructurales.
Las principales características de diseño distintivas para vehículos ferroviarios con motor y sus componentes se describen a continuación.
2.2.1 Locomotoras eléctricas
Una locomotora eléctrica es una locomotora no autónoma, que recibe energía eléctrica para su movimiento desde una fuente de alimentación eléctrica externa.
El esquema general del sistema de suministro de energía eléctrica utilizado en los ferrocarriles electrificados se muestra en la Figura 2.1.
Figura 2.1 Esquema general para el sistema de suministro de energía eléctrica utilizada en los ferrocarriles electrificados
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La energía eléctrica de la central eléctrica se transmite a la locomotora mediante líneas de transporte de alta tensión y subestaciones eléctricas. Las subestaciones realizan la transformación de la corriente en conformidad con los parámetros requeridos y luego suministrarla a través de líneas de alta tensión de alimentación a los puntos a lo largo de la catenaria para la alimentación de las locomotoras eléctricas a través del hilo conductor de contacto. Para las redes de bucle cerrado, la vía del tren está equipada con alimentadores de retorno especiales que están conectados a las subestaciones de energía.
Las locomotoras eléctricas se pueden dividir en tres tipos:
• Locomotoras eléctricas de corriente continua (DC).
• Locomotoras eléctricas de corriente alterna (AC).
• Locomotoras eléctricas Multi-sistema.
Las locomotoras eléctricas se pueden diseñar para funcionar en DC o AC, u funcionar selectivamente en ambos. Además, la tensión DC y AC, así como las frecuencias de alimentación pueden ser diferentes.
Las locomotoras eléctricas DC son diferentes de las de AC debido a que no tienen alta tensión, por lo tanto no tienen un transformador reductor para la alimentación de los motores de tracción de DC.
Las locomotoras eléctricas Multi-sistema tienen el equipo de recolección, la tracción y la potencia de corriente requerida para trabajar con varias combinaciones diferentes de corriente y tensión.
Una locomotora eléctrica se compone de los siguientes sistemas básicos:
eléctrico, mecánico, neumático e hidráulico.
La carrocería, el bastidor principal, los dispositivos de acoplamiento, la suspensión, los dispositivos para la transmisión de tracción y freno, los bogies, un sistema de refrigeración de aire y la ventilación de los equipos de tracción eléctrica pertenecen al sistema mecánico de la locomotora eléctrica.
El sistema neumático incluye un compresor de aire que suministra aire comprimido a través de la conexión de tuberías en el sistema de freno, así como un sistema de control automático, depósitos para el almacenamiento del aire comprimido y control y los sistemas de gestión y de instrumentación (válvulas, manómetros, etc.)
Los transformadores de potencia, los inversores, los motores eléctricos de tracción, las máquinas auxiliares, el sistema de control eléctrico, las unidades de gestión y los sistemas de frenado dinámico y regenerativos son todas las partes del equipo eléctrico de locomotoras eléctricas.
En la Figura 2.2 se muestran las principales ubicaciones de los diferentes componentes de una locomotora de corriente alterna:
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Figura 2.2.1- Cabina del conductor; 2- gabinete con el equipo eléctrico y el sistema de control por microprocesador; 3- pantógrafo; 4- Sistema de ventilador de refrigeración de delante del bogie; 5- inversor; 6- Equipo de entrada de alto voltaje; 7-
armario con equipos eléctricos; 8- Depósito del sistema principal de refrigeración del aceite del transformador; 9-set de resistencias de frenado; 10- Rectificador de propulsión;
11- frenos del sistema neumático principal de reserva; 12- frenos sistema neumático del depósito auxiliar; 13- Compresor de aire; 14- acoplador; 15- cabezal; 16- Receptor de
bobina del sistema de señalización; 17- Trampa de arena de; 18- Freno de estacionamiento; 19- Bogie frontal; 20- Bloque condensador; 21- Unidad de transformador principal; 22- baterías; 23- reactores de suavizado; 24- motor de tracción;
25- Bogie trasero; 26- pivote; 27- ruedas.
El sistema hidráulico incluye los sistemas de refrigeración de líquidos (aceite, agua, etc.) de las locomotoras eléctricas, así como un sistema de control hidráulico y la instrumentación.
En las locomotoras eléctricas, los siguientes tipos de motores de tracción pueden ser utilizados:
• Motores eléctricos Brushed DC.
• Motores AC.
• Motores eléctricos Brushless DC
Los motores de tracción se utilizan en los diseños actuales para los frenos dinámicos y regenerativos con el propósito de reducir el desgaste de las partes de contacto de los sistemas de frenos mecánicos e hidráulicos, y también para la economía de consumo de energía eléctrica.
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Durante el frenado dinámico, la energía eléctrica se disipa en forma de calor; pero, en el caso de frenado regenerativo, esta energía se devuelve a la red de energía eléctrica, o en el almacenamiento a bordo en el caso de las locomotoras híbridas.
Los motores eléctricos DC Brushless y los motores eléctricos AC son los más prometedores, ya que producen una potencia de tracción grande y tienen menores dimensiones y peso en comparación con los motores eléctricos Brushed DC, así como la reducción de costes para los procesos de funcionamiento, mantenimiento y reparación.
2.2.2 Unidades múltiples eléctricas
Una unidad múltiple eléctrica (EMU) es un tren utilizado para el transporte de pasajeros en la ciudad, las redes ferroviarias de cercanías y regionales, y también para los trenes de pasajeros de alta velocidad.
Una EMU entra en la categoría de no-autónomo de material rodante que recibe energía de una fuente de alimentación eléctrica externa. Al igual que en las locomotoras eléctricas, el equipo de tracción EMU se puede dividir en tres tipos: corriente continua, corriente alterna y multisistémicas.
Los diseños principales de los equipos y otros sistemas utilizados en las EMUs son similares a las de las locomotoras eléctricas. La diferencia es que una EMU es un tren de potencia, que consiste en la conducción, el motor y/o coches de remolque en un esquema de diseño clásico. El coche de conducción también puede ser un coche de motor. En algunos casos, un coche de potencia (término similar a una locomotora eléctrica) también se puede añadir a la configuración de un tren, tal como una unidad separada. Por lo general, no se utilizan vagones de remolque para equipos de tracción;
en casos raros, pantógrafos y freno compresores de aire se pueden instalar en ellos. Las EMU de los trenes pueden tener un diseño modular. Una configuración del tren EMU generalmente abarca desde 2 hasta 16 coches.
Figura 2.3 M- Bogie motorizado; T- Bogie remolque.
En la Figura 2.3 se muestran ejemplos de diferentes configuraciones de trenes con un diseño modular. Las locomotoras tienen una cabina de conducción desde la que se controla un tren. En estos coches se pueden instalar algunos equipos adicionales, espacio de almacenamiento y alojamiento de los pasajeros, y se colocan habitualmente tanto al principio como al final de la configuración del tren para permitir un viaje de vuelta
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sin tener que girar el tren. Los coches están equipados con bogies motorizados o remolque y también con equipos de tracción y los pantógrafos.
En la Figura 2.4 se muestran los ejemplos de los diseños típicos de los equipos en los coches de conducción, motor y remolque de la EMU. A diferencia de las locomotoras eléctricas, donde se encuentra el equipo en la carrocería de una locomotora, el equipo de EMU se instala fuera de carrocerías (bajo los marcos de automóviles o en los techos).
Los coches eléctricos se pueden hacer en las variantes de diseño de uno y dos niveles de alojamiento de los pasajeros (el diseño de dos niveles también se llama un diseño de los coches de dos niveles o un diseño técnico de dos pisos). También existen otras variantes de diseño de un nivel para el aumento de la capacidad de pasajeros a través de la colocación de asientos en dos niveles.
Figura 2.4 Ejemplo de lugares debajo del marco de equipos para una EMU. 1- Coche de conducción; 2- Coche motor; 3- Coche remolque; 4- Bogie no motorizado; 5- Depósito de aire; 6, 11, 18 y 23- resistencia de bloque; 7- inversor; 8- Compresor de freno de aire; 9- baterías; 10, 22- Equipos de freno; 12, 19, 21 y 24- Equipos eléctricos de gabinetes; 13-
Bogie motorizado; 14- Conmutador automático; 15, 16- depósito; 17- inductiva de derivación; 20- Motor tracción.
Para facilitar la entrada y salida de pasajeros, especialmente para las personas con limitaciones físicas, se ha encontrado una amplia aplicación a los coches con un suelo de bajo nivel. Tal solución de diseño también ofrece una mejor estabilidad para el tren en funcionamiento a velocidad elevada.
La característica distintiva de los trenes utilizados en servicios de ciudad y que funcionan con una velocidad máxima de unos 100 km/h, es una aplicación de diseño de los coches con suelos bajos y equipados con soluciones para reducir el nivel de ruido de la rodadura de la rueda-carril, por ejemplo:
• Recubrimiento de protección por debajo del bastidor inferior utilizando material con propiedades de absorción de sonido que evita la propagación de la onda de sonido desde el contacto.
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• El uso de ruedas elásticas y juegos de ruedas con propiedades de absorción de sonido.
Además, han comenzado a utilizarse ruedas accionadas individualmente en los trenes de ciudad en lugar de trenes con juegos de ruedas convencionales.
Los trenes de cercanías normalmente funcionan a velocidades inferiores a 180 km/h. Deben proporcionar una buena dinámica del tren bajo altas tasas de aceleración y de frenado que se asocian con las cortas distancias entre las estaciones. Es por eso que se han incrementado el número de ruedas o juegos de ruedas impulsadas en sus configuraciones de trenes. Además, no sólo están equipados con frenos neumáticos y eléctricos estándar, sino que también pueden estar equipados con frenos de vía y frenos de corrientes parásitas.
En el funcionamiento de los trenes interregionales, las velocidades pueden alcanzar los 400 km/h. El funcionamiento a una velocidad tal requiere un aumento significativo en la potencia (por ejemplo, trenes TGV desarrollan 12,500 kW), así como la aplicación de nuevas soluciones de diseño para asegurar la fiabilidad y la seguridad.
Estos tipos de trenes se utilizan ampliamente con sistemas de suspensión activa para garantizar la inclinación en curvas, mejor transferencia de carga entre los elementos de rodadura, la nivelación del suelo, así como la instalación de bogies de dirección y la aplicación de sistemas de control de tracción para ruedas motrices individuales. Para mejorar el comportamiento dinámico de estos trenes, es necesario reducir el peso no suspendido del mecanismo de rodadura. Para este propósito, estos vehículos están equipados con ruedas sólidas con pequeños diámetros de hasta 600 mm y los motores de tracción con cajas de cambios colgada en la carrocería del coche. La transferencia de par de torsión a los juegos de ruedas se lleva a cabo por medio de ejes de accionamiento. Las carrocerías de los coches se fabrican con un alto uso de aleación ligera o de material compuesto con propiedades resistentes al fuego.
Se presta especial atención al diseño aerodinámico de trenes de alta velocidad.
Esto se debe a la presencia de importantes fuerzas de arrastre, así como un aumento significativo en el ruido aerodinámico y las vibraciones que aparecen a velocidades superiores a 200 km/h, superando el nivel de ruido de las ruedas, tren de rodaje y equipos de tracción.
Los EMU son uno de los principales medios de transporte de pasajeros para competir con éxito en las distancias cortas y medias contra la carretera y el transporte aéreo.
2.2.3 Locomotoras diésel.
Las locomotoras diésel son los vehículos ferroviarios autónomos más utilizados.
La planta de energía utiliza un motor de combustión interna; por lo general, se emplea combustible diésel. Los motores que funcionan con gasolina no son comunes en los ferrocarriles debido a los altos costes de mantenimiento.
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De acuerdo con sus operaciones de servicio, se pueden dividir en los siguientes grupos:
• Locomotoras de carga (en algunos casos, para los trenes con gran masa total y cargas de ejes pesados, pueden ser designados como locomotoras de arrastre pesado);
• Locomotoras de pasajeros;
• Locomotoras de largo recorrido o mercancías-pasajeros;
• Locomotoras de maniobras (también llamados selectores).
Las locomotoras diésel suelen estar formadas por la planta de energía y los cuatro sistemas básicos: mecánico, eléctrico, neumático e hidráulico. Los diseños del marco principal (plataforma) o del cuerpo del coche monocasco se utilizan para la transmisión de los esfuerzos de tracción y de frenado generados por una locomotora a otros vehículos ferroviarios en la configuración del tren por medio de dispositivos de acoplamiento instalados en ellos.
La carrocería del coche con transmisión eléctrico–diésel se divide en las siguientes áreas: operario, auxiliar, alternador, motor y módulos de radiadores. Como el bastidor y los módulos se colocan sobre los bogies, que tienen algo de espacio entre ellos bajo el centro del bastidor principal, los tanques de combustible y baterías están instaladas comúnmente en ese espacio. En la Figura 2.5 se muestra un ejemplo de un esquema de diseño de este tipo.
Figura 2.5 Ejemplo de las principales ubicaciones de los componentes de una locomotora diésel-eléctrica. 1- Cuerpo del coche; 2- Cabina del conductor; 3- Compartimento auxiliar;
4-Compartimento alternador; 5- Compartimiento del motor diésel; 6- Compartimento del radiador; 7 y 8- bogies; 9- Bastidor principal; 10- acoplador; 11- Tanques de aire; 12-
Tanque combustible; 13- baterías; 14- cabezal.
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El principio de funcionamiento de la locomotora es la de convertir la energía de los gases producidos por procesos de combustión en los cilindros del motor en una fuerza de presión sobre los pistones que se convierte entonces en energía de rotación del cigüeñal.
Esta energía se transfiere al sistema de transmisión (eléctrico, hidráulico o mecánico) y después de eso se transforma en la energía para los motores de tracción, que proporcionan la tracción a través de una caja de cambios o directamente a las ruedas o juegos de ruedas. Se necesita la tracción, que se realiza como una fuerza de tracción, para el movimiento de la locomotora y los vagones acoplados a la misma.
Las locomotoras se pueden hacer como una o dos versiones de la cabina, y también pueden funcionar como un sistema de unidades múltiples (dos o más locomotoras). Un ejemplo de una locomotora con dos cabinas se muestra en la Figura 2.6.
La clasificación de las locomotoras se puede basar en las características y parámetros asociados con sus componentes básicos o en equipos instalados en la locomotora.
La planta de energía utilizada en la locomotora se puede caracterizar mediante las siguientes funciones: por el número de plantas de energía (uno, dos, etc.); por el método de la posición del cilindro (en línea, de dos hileras en forma de V, horizontal, vertical, etc.); por el tipo de ciclo de funcionamiento (de dos tiempos, de cuatro tiempos); por la presencia de las unidades turbo-cargador para el sistema de alimentación del motor, el tipo y número de etapas para sistemas de refrigeración de aire; sistemas de control de velocidad y el rendimiento de los motores diésel (electrónico, mecánico, hidráulico y compuestos).
La capacidad de energía, el consumo de combustible, y la temperatura del refrigerante y el aceite pueden variar en un amplio intervalo dependiendo del tipo de las condiciones de la locomotora y operacionales.
La refrigeración del motor diésel se lleva a cabo muy a menudo por medio de agua o un líquido especial que, después de haber sido calentado por el sistema de refrigeración del motor, ésta a su vez se enfría pasando a través de radiadores que se enfrían por los ventiladores. El gasoil en las versiones anteriores de las locomotoras se enfriaba de manera similar, pero el aceite refrigerado por aire es mucho menos eficaz y es costoso en términos del uso de metales no ferrosos. Esta es la razón por lo que las locomotoras recientes y nuevas tienen intercambiadores más compactos de calor aceite- agua en la que el aceite se enfría con agua en las secciones de enfriamiento. Además, el aire de carga necesario para el motor diésel también se enfría por el sistema de refrigeración del motor diésel. Por lo tanto, la mayoría de las locomotoras modernas tienen dos o más sistemas de circuito de refrigeración en su diseño. Por ejemplo, el sistema de enfriamiento de doble circuito de un motor diésel tiene el circuito primario, donde el agua o líquido refrigerante enfría las piezas del motor diésel, y el segundo circuito para la refrigeración del aire de sobrealimentación y el aceite caliente. Una refrigeración avanzada y mejor en el segundo circuito puede aumentar la fiabilidad y la eficiencia de la locomotora diésel.
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Figura 2.6 Ejemplo de la disposición general de una locomotora de transporte pesado: 1- Cabina conductor; 2- Cámara de alta tensión; 3- Resistencias de frenado electro-
dinámico, resistencias de campo del motor de tracción de debilitamiento, partida compresor y tracción y resistencias de excitación del generador de emergencia; 4- Compresor de aire y cilindros; 5- Ventilador del sistema centralizado de aire; 6, 10- motor
de ventiladores; 7- Enfriador de aire de sobrealimentado; 8- Motor diésel; 9- Compresor de freno; 11- acoplador; 12- bogie; 13- Trampa de arena; 14- Tanque de combustible; 15-
Compartimento de batería; 16- Depósito principal; 17- Secciones de refrigeración; 18- Bomba de agua.
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El sistema de transmisión de una locomotora diésel utilizado más ampliamente es la transmisión de energía eléctrica que se caracteriza por los tipos de corrientes utilizadas por el alternador principal y los motores de tracción. Ellas son:
• DC, donde los motores y generadores de tracción son ambos DC.
• AC–DC, donde el generador es de AC y los motores de tracción son DC.
• AC donde los generadores y los motores de tracción son ambos AC.
Los motores de tracción y los generadores pueden ser síncronos y asíncronos en los diseños Brushed. El sistema de control de tracción puede ser analógico, analógico- digital o digital.
Los motores de tracción de la locomotora pueden transferir un par de tracción a una sola rueda o juego de ruedas, en cuyo caso se denomina unidad individual. Si un motor se utiliza para más de un juego de ruedas, entonces se llama unidad de grupo.
El sistema de transmisión eléctrico proporciona tracción óptima y características económicas de las locomotoras.
Las transmisiones mecánicas se utilizan para locomotoras con una baja potencia.
De tal modo, la transmisión es similar a un automotor, pero tiene algunas características distintivas para el modo de funcionamiento reversible.
Los sistemas hidráulicos de transmisión constan de una caja de engranajes hidráulicos conectados al cigüeñal del motor diésel y a la transmisión mecánica para los juegos de ruedas. El ajuste del par de tracción se lleva a cabo por medio de la variación de la tasa de flujo y la presión del líquido de trabajo (aceite). En comparación con la transmisión eléctrica, la transmisión hidráulica no necesita los metales no ferrosos que se adoptaron ampliamente en el período de deficiencia de cobre eléctrico durante los años 1950 y 1960. Sin embargo, la transmisión hidráulica es una máquina de precisión que requiere habilidades de alto nivel y experiencia técnica del personal de servicio, y también necesita de alta calidad y aceites caros. Una desventaja más de la transmisión hidráulica es su reducida eficiencia en comparación con la transmisión eléctrica.
El equipo auxiliar de la locomotora incluye los sistemas de refrigeración, suministro de aire y suministro de combustible del motor diésel, el sistema de lijado, el sistema de protección contra incendios, los equipos auxiliares eléctricos y circuitos de baja tensión, etc.
2.2.4 Múltiples unidades diésel
Las múltiples unidades diésel (DMUs) son múltiples trenes unitarios autónomos que tienen los motores diésel como su planta de energía y, por lo general, proporcionan el transporte de pasajeros en las áreas de servicios urbanos, suburbanos e interregionales que no están electrificadas o están parcialmente electrificadas. En algunos casos, se pueden utilizar como los trenes de servicio (reparación, instrumentación, etc.) y, a menudo, como el transporte de carga para las empresas y
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fábricas situadas en las zonas urbanas o suburbios, proporcionando la competencia en este sector para locomotoras de maniobra, que se utilizan con frecuencia para mover carga especial o vagones de carga convencionales. Los principales elementos de diseño de equipos en DMUs son similares a las locomotoras diésel.
De forma similar a las unidades múltiples eléctricas, los trenes DMU consisten en la cabina, el motor y/o coches de remolque en un esquema de diseño clásico. La principal diferencia con los ferrocarriles eléctricos es que, en lugar de los pantógrafos y circuitos de control eléctricos de equipos de alta tensión, los automóviles tienen plantas de energía diésel que producen energía transformada a los motores de tracción (transmisión de tracción).
Para las locomotoras diésel hay diferentes formas de transmisión de energía. Por lo tanto, los DMU se puede dividir en tres categorías:
• Diesel-eléctrico (DEMU).
• Diesel-mecánico (DMMU).
• Diesel-hidráulico (DHMU).
La transmisión eléctrica ha encontrado aplicaciones mucho más amplias en comparación con los demás. En cuanto a las locomotoras diésel, generalmente se utilizan transmisiones hidráulicas y mecánicas con motores de baja potencia diésel.
Hay dos lugares comunes para la planta de energía en los trenes DMU. La primera es el sistema tradicional (Figura 2.7), en el que el motor diésel está instalado en el coche que circula detrás de la cabina del conductor. En este caso, este compartimiento tiene insonorización en ambos lados de la cabina del conductor y del habitáculo. La ventaja de este tipo de diseño es un mejor acceso al motor diésel durante el servicio o reparación de obras. Sin embargo, se reduce significativamente el tamaño del compartimiento de pasajeros.
Para aumentar la capacidad de pasajeros en los trenes DMU modernos (Figura 2.8), la unidad de diésel a menudo se coloca en el espacio bajo el suelo entre los bogies del motor o los coches de conducción. En este caso, las centrales se componen de paquetes especiales llamados módulos. Si hay un fallo, entonces el módulo en cuestión simplemente se sustituye por uno nuevo. Los motores de estos módulos son generalmente planas, donde los motores de pistones se mueven en un plano horizontal.
Esto es necesario para la reducción de la altura de los motores diésel.
Una de las tendencias en el desarrollo de múltiples unidades diésel es la aplicación de una configuración donde los coches de conducción, motor y remolque autónomos, con pequeñas modificaciones, pueden utilizarse como no autónomos (eléctrica) en un ferrocarril electrificado. En tales casos, es necesario que se una con un vehículo ferroviario con motor que les proporcione el suministro de energía eléctrica requerida por su propio inversor por medio de conexiones eléctricas entre vagones existentes. Dependiendo de la configuración del tren, se pueden utilizar uno o más vehículos ferroviarios de propulsión.
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Figura 2.7 Ejemplo de la disposición clásica para un coche de pasajeros motorizado diésel. 1- Cabina conductor; 2- diésel-generador; 3- Bogie motorizado; 4- Bogie no
motorizado; 5-acoplador.
2.2.5 Locomotoras turbina de gas – eléctricas.
Las locomotoras turbina de gas–eléctrica son locomotoras autónomas que reciben la energía necesaria para el funcionamiento de las turbinas de gas.
Éstas locomotoras son capaces de funcionar como trenes de pasajeros, así como con servicios de carga. Tienen alta capacidad de potencia y el peso ligero así que permiten el desarrollo de ferrocarriles de alta velocidad de tracción para las líneas no
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electrificadas con bajas cargas por eje. La distribución de los equipos en las locomotoras de turbina eléctrica de gas es muy similar a las locomotoras diésel (Figura 2.9).
Figura 2.8 Ejemplo de la ubicación de la planta de energía en el bastidor de un coche motor.1- Cabina conductor; 2- Equipo eléctrico; 3- Motor diésel; 4- Bogie motorizado; 5-
motor de tracción; 6- acoplador; 7- Boquilla de arena; 8- freno dinámico; 9- Bogie no motorizado.
Las locomotoras turbina de gas–eléctrica se clasifican por el tipo de instalación de turbina de gas, que pueden tener diseños que incorporan ya sean un solo eje, dos o más
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ejes. En la actualidad, los últimos tipos se utilizan más porque pueden obtener una mayor eficiencia y capacidad extraída de la segunda y siguientes turbinas, proporcionando mejores características de tracción de la locomotora.
Figura 2.9 Ubicaciones para el equipo de una locomotora turbina eléctrica - turbina de gas. 1- Compartimento refrigeración; 2- compresor de aire; 3- compresor de la turbina; 4-
Cámara de combustión de la turbina; 5- turbina; 6- Depósito de combustible ; 7- Generador de tracción; 8- Planta generadora de equipos auxiliares diésel; 9- Depósito de
combustible diésel; 10- caldera de calefacción; 11- Ventilador para el enfriamiento de los motores de tracción del bogie trasero; 12- excitador; 13- Ventilador para la refrigeración
de los motores de tracción de los bogies delanteros ; 14- Cámara de alta tensión; 15- Cabina conductor.
Para iniciar las turbinas y para permitir que estas locomotoras funcionen de manera eficiente a menos de condiciones de plena carga, con frecuencia se añade un pequeño conjunto diésel-generador en su diseño. Esto también se utiliza a menudo para reducir el ruido cuando estas locomotoras funcionan en las comunidades y lugares donde hay restricciones en los niveles de ruido. Además, las baterías de almacenamiento de energía, los condensadores eléctricos o cilindros neumáticos con aire comprimido pueden utilizarse en lugar de la planta diésel auxiliar para tales modos de funcionamiento.
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Los tipos de transmisión son idénticos a los utilizados en las locomotoras diésel.
Recientemente, la transmisión eléctrica equipada con un diseño de control de frecuencia de AC-AC ha encontrado una amplia aplicación.
Las principales ventajas de esta solución de diseño son la alta potencia y un diseño simple, así como el bajo precio del combustible de gas. Las principales desventajas son una eficiencia reducida que varía significativamente en diferentes modos de funcionamiento, la necesidad de un equipo adicional para un funcionamiento inferior a plena carga y el alto nivel de ruido aerodinámico de la turbina. Teniendo en cuenta el alto consumo de combustible, se puede añadir en la configuración del tren un coche motor adicional con un depósito de combustible, con el fin de aumentar las distancias operativas para locomotoras de turbina de gas.
2.2.6 Locomotoras híbridas
El alto nivel de competencia en el mercado del transporte, el endurecimiento de los requisitos para la protección del medio ambiente y los nuevos límites en el consumo de recursos de hidrocarburos ha provocado que las comunidades de ingeniería de transporte se vean sustancialmente involucradas en el desarrollo y la introducción de nuevas tecnologías, en particular para las locomotoras, en las que se incluyen locomotoras híbridas.
Gracias a su diseño, estos vehículos son similares a las locomotoras diésel y turbinas de gas; una diferencia significativa es que, además de las plantas de potencia diésel o turbina de gas, las locomotoras híbridas también utilizan la energía eléctrica almacenada en baterías eléctricas, supercondensadores o volantes de inercia. El proceso de carga de estos componentes se produce durante el funcionamiento del generador diésel o turbina de gas al ralentí, o cuando la energía cinética del frenado (tanto del tren y la locomotora) se transforma en energía eléctrica. Durante el funcionamiento de acarreo (modo de tracción), la combinación de energías puede utilizarse cuando se requiera energía adicional para la aceleración o para viajar hasta gradientes largos. Además de transformación y transmisión de energía a las ruedas de la locomotora, se hace de una manera similar a la realizada en locomotoras diésel o turbinas eléctricas.
La clasificación de los principales sistemas (mecánico, eléctrico, hidráulico y neumático) en las locomotoras híbridas es similar a la de las diésel. Para esta clasificación, se pueden añadir los siguientes diseños de hibridación:
• Diseño híbrido sin almacenamiento interno de energía, sólo las unidades de almacenamiento externo (la energía de la red híbrida se almacena en las plantas de suministro de energía o pone a disposición de otros vehículos de tracción ferroviaria a través de los equipos de la línea aérea).
• Construcción híbrida con unidades de acumulador interno (almacenamiento de energía interna híbrida autónoma).
• Estructuras híbridas complejas que combinan varias variedades de estos tipos.
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Un ejemplo de un diseño de la locomotora híbrida con almacenamiento interno de energía se muestra en la siguiente Figura 2.10
Figura 2.10 Locomotora híbrida para operaciones de conmutación. 1- Equipo Control; 2- baterías; 3- Planta de energía auxiliar.
Además, los ferrocarriles de tracción híbrida se pueden dividir en grupos por el proceso de regeneración y el mecanismo de almacenamiento de energía utilizado:
• Energía eléctrica regenerativa cuando se almacena en dispositivos de almacenamiento eléctrico tales como baterías y supercondensadores.
• Hidráulico o neumático cuando la energía se convierte en energía interna de un gas licuado o comprimido o un vacío.
• Mecánica cuando la energía se almacena en forma de energía mecánica de rotación o movimiento de traslación, o sus modificaciones.
Debido a la aplicación común de transmisión de la tracción eléctrica en locomotoras, los dos últimos métodos de conservación de la energía antes mencionados requieren re-transformación de la energía almacenada en electricidad con pérdidas inevitables.
En la etapa actual del desarrollo de la tecnología de tracción híbrida, las locomotoras híbridas ya están en funcionamiento para maniobras de servicio, así como para el tráfico suburbano y urbano de pasajeros. Sin embargo, no se utilizan para el transporte de mercancías o transporte pesado (tracción) debido a las limitaciones de las opciones de almacenamiento de energía existentes. Un diagrama esquemático de la transmisión para tales locomotoras o unidades múltiples se muestra en la Figura 2.11.
Para carga o locomotoras híbridas de transporte pesado, se requieren grandes capacidades de almacenamiento de energía; esta es la razón por la que tendría que utilizar un vagón motorizado adicional (refuerzo) como se muestra en la Figura 2.12.
Las baterías se utilizan generalmente como el almacenamiento de energía eléctrica; éstas se pueden hacer de metales (litio, sodio, níquel, cadmio, zinc, plomo) y sus compuestos y elementos no metálicos (de azufre, carbono, nitrógeno, bromo, cloro) y sus compuestos químicos.
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Figura 2.11 Estructura de una locomotora híbrida.
Figura 2.12 Diseño conceptual de tren de carga híbrido de propulsión.
Las principales desventajas son el gran peso de la batería, su coste, número de ciclos de carga-descarga reducido y un cambio significativo en sus características como una función de la temperatura ambiente de funcionamiento, lo que significa que el uso de sistemas híbridos equipados con baterías es impredecible en climas fríos y muy calientes.
En esos casos, es necesario crear un sistema avanzado para mantener la temperatura de funcionamiento de la batería en el rango predeterminado, lo que implica un coste adicional de energía.
Los accionamientos eléctricos construidos por supercondensadores y volantes de inercia (que convierten la energía mecánica en eléctrica) son menos susceptibles que las baterías a la influencia de la temperatura. Los supercondensadores pueden tomar una carga muy rápidamente y por el número de ciclos de carga-descarga que tienen, tienen una posición de liderazgo, pero estos tienen una deficiencia en relación con el escaso tiempo que pueden mantener la carga en el almacenamiento.
Los volantes de inercia tienen una buena capacidad de almacenar energía y un número prácticamente ilimitado de ciclos de carga, pero son inferiores en tamaño y las características de supercondensadores y baterías.
Las ventajas del uso de la tracción híbrida son los costes de bajo consumo energético y la reducción de las emisiones de contaminantes atmosféricos asociados de la planta de energía en comparación con los ferrocarriles autónomos existentes. Las
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desventajas están asociadas con el aumento del coste de los vehículos híbridos y los costes de funcionamiento adicionales asociados con el mantenimiento de sus sistemas de almacenamiento de energía.
2.2.7 Trenes de levitación magnética
Un tren o locomotora de levitación magnética es un tren no autónomo que levita en un campo magnético y dirige y propulsa por medio de fuerzas magnetomotrices que surgen debido a la interacción de los campos magnéticos entre el tren y una guía.
A diferencia de los vehículos ferroviarios convencionales donde la tracción, frenado y los esfuerzos orientados, que dependen de las condiciones de fricción, son generados por la carga vertical y las fuerzas de adhesión resultantes entre las ruedas y vías, los trenes de levitación magnética utilizan las fuerzas de interacción entre los campos magnéticos generados tanto en el cuerpo del vehículo y la forma de guía para levantar el vehículo, establecen la dirección y producen el movimiento del tren. Esto elimina las restricciones impuestas por las fuerzas de fricción en la velocidad del vehículo y la implementación de las fuerzas de tracción y frenado como para ferrocarriles convencionales. Las principales limitaciones en el transporte de levitación magnética son la resistencia del aire y las leyes de la interacción inductiva de los campos magnéticos del tren y la vía.
Actualmente, se utilizan tres enfoques comunes en el campo de levitación magnética para los trenes:
• Suspensión electromagnética (EMS): los principios de diseño de esta tecnología se muestran en la Figura 2.13. EMS es el de más gasto de energía de los tipos de levitación magnética. Utiliza electroimanes en el tren para levantar las carrocerías de los vehículos por la atracción a una vía magnéticamente conductora y proporcionan orientación del tren a lo largo de la vía.
• Suspensión electrodinámica (EDS): esta tecnología provee al tren con electroimanes superconductores, así como un carril de guía; los principios de diseño se muestran en la Figura 2.14. La tecnología EDS permite el desarrollo de la alta velocidad y consumen mucha menos energía que el EMS. Al mismo tiempo, se requiere de un gasto de capital significativo debido al alto coste de los materiales superconductores. También, a diferencia de los trenes que utilizan tecnología EMS, los trenes que utilizan la tecnología EDS requieren ruedas adicionales para la conducción a velocidades inferiores a 100 km/h. Cuando la velocidad supera este valor, estas ruedas se despegan de las vías y el tren levita sobre la superficie de la vía magnética a una distancia de unos pocos centímetros (10 cm). En el caso de una emergencia, estas ruedas (neumáticos de caucho) también permiten una parada más suave para el tren.
• Imanes permanentes (Inductrack): Esta tecnología, que se muestra en la Figura 2.15, es similar en diseño a la EMS. La suspensión por imanes permanentes, es la más rentable en términos de consumo de energía, pero los imanes permanentes tienen mucho peso, contienen caros metales alcalinos raros y tienen un alto coste; sin embargo, es más simple desde el punto de vista de la
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construcción, cuenta con sistemas de control de menor complejidad, y es una de las direcciones más prometedoras para el futuro desarrollo de levitación magnética.
Figura 2.13 Levitación magnética que opera en los principios de EMS. 1-Tren; 2- Vía; 3- Electroimán de levitación; 4- estator (en la vía); 5- Electroimán de orientación.
Figura 2.14 Levitación magnética que opera en los principios de EDS. 1-Tren; 2- Vía de orientación; 3- Electroimán superconductor; 4- Electroimán levitación.
Figura 2.15 Levitación magnética que opera en principios imanes permanentes. 1-Tren;
2- imán permanente en el tren; 3- imán permanente en la vía.
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Los trenes de levitación magnética generalmente están diseñados para el tráfico de pasajeros a altas velocidades y, en este sentido, se presta especial atención a las características aerodinámicas del tren. Con el fin de reducir el peso de las carrocerías de los coches, están hechas de aleaciones ligeras y materiales compuestos utilizando la última tecnología.
Para aislar a los pasajeros de los efectos de los campos magnéticos, los trenes están equipados con dispositivos de protección especiales. En el sistema de frenado de los trenes de levitación magnética, se utilizan normalmente frenos electromagnéticos y regenerativos. Para los modos de frenado de emergencia, los trenes también están equipadas con frenos de disco y aerodinámicos retráctiles.
Las ventajas de este tipo de transporte incluyen bajos costes de funcionamiento debido a la simplicidad del diseño del vehículo, bajo impacto del ruido sobre el medio ambiente, la recuperación de la energía cinética durante el frenado para ser suministrada al sistema de alimentación del vehículo y la capacidad de alcanzar velocidades comparables a transporte aéreo de pasajeros. Otras ventajas son la de alcanzar rápidamente la velocidad requerida debido a la alta aceleración y la capacidad de mantener la velocidad sobre la subida de los gradientes, tienen valores significativamente más que aceptables para las operaciones ferroviarias de alta velocidad. Las limitaciones de este tipo de transporte se asocian con el gran consumo de energía en comparación con los vehículos ferroviarios convencionales cuando se circula a baja velocidad, la capacidad de carga limitada, el alto coste de la infraestructura y la total incapacidad para utilizar los vehículos en un ferrocarril normal. Los estudios han demostrado que, a altas velocidades, por encima de 300 a 350 km/h, este tipo de transporte es competitivo tanto con trenes de alta velocidad convencional y el transporte de pasajeros de la aviación.
2.2.8 Sistemas y dispositivos de frenos.
La tarea principal del sistema de frenos es la creación de una fuerza de resistencia controlada artificialmente por una locomotora o tren con el fin de controlar la velocidad o frenar su movimiento, y la creación de las fuerzas que impidan el movimiento a la locomotora o tren cuando está totalmente parada o estacionada en las partes inclinadas de la pista.
Los sistemas de frenos se dividen en dos grupos basados en el método utilizado para crear la fuerza de resistencia, siendo éstos por fricción o dinámicos.
En los sistemas de frenado de fricción, la energía se absorbe por la fricción entre la rueda y las zapatas de freno, pastillas o discos, o entre los carriles y las zapatas de freno, con la fuerza adecuada aplicada en ellos.
Los sistemas dinámicos suelen trabajar sobre la base de los principios de la transformación de la energía cinética del vehículo de tracción del tren o ferrocarril en otros tipos de energía (la principal es eléctrica) para procesos de recuperación energética y la utilización de ésta.
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Basado en el método de la creación de la fuerza de control que actúa, los frenos se dividen en los siguientes tipos:
• Mecánico.
• Neumático.
• Eléctrico.
• Hidráulico.
• Magnético.
El sistema de frenos de vehículos ferroviarios con alimentación puede contener varios tipos de frenos al mismo tiempo, tales como zapatas o discos, así como un freno de estacionamiento. Además, también puede estar equipado con frenos dinámicos, electromagnéticos y frenos de vía.
Los principales tipos de sistemas de frenado dinámico con recuperación de energía y sus componentes se describen con más detalle a continuación.
2.2.8.1 Sistemas de frenado dinámicos
La definición de un sistema de frenado dinámico cubre los sistemas que utilizan absorción de la energía cinética de los vehículos ferroviarios por medio de diversos efectos.
El principal tipo de freno dinámico utilizado en vehículos ferroviarios es el freno electromagnético. Este freno funciona sobre el principio de la reversibilidad de las máquinas eléctricas; cambia motores de tracción en el modo de generador. Cuando las corrientes eléctricas comienzan a producirse a partir de un proceso de este tipo, la energía se absorbe en una rueda o ruedas de rodadura sobre el carril, por el que se desarrolla la fuerza de frenado.
La energía obtenida de tal manera se puede utilizar de dos maneras. La primera manera es devolverla de nuevo a la línea de alimentación; en este caso, el freno electromagnético se llama un freno regenerativo. Tal solución de diseño se utiliza comúnmente en las locomotoras eléctricas o trenes eléctricos. Además de esto, se puede utilizar en vehículos ferroviarios autónomos que tienen la capacidad de almacenar dicha energía. Sin embargo, teniendo en cuenta la complejidad de este proceso, el segundo camino ha encontrado una amplia aplicación en comparación con la primera, y está basado en el principio de que la energía obtenida a partir de un proceso de frenado se disipa como calor en el circuito de choppers de freno o resistencias. Este tipo de freno electromagnético se llama freno dinámico o DB. En algunos países, también se conoce como un freno reostático.
En los trenes de levitación magnética la corriente producida por la energía cinética del tren, se transmite directamente a la línea de alimentación. Se puede explicar fácilmente por los principios de trabajo del motor lineal.
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El siguiente tipo es el freno hidrodinámico; sus principios de trabajo se basan en el trabajo de las fuerzas de fricción que se plantean en el flujo del fluido. Tales frenos también se utilizan a menudo para los funcionamientos de alta velocidad. El diseño de un freno hidrodinámico es más a menudo representado como una turbina de agua, que está conectada a través de la unidad o montada directamente en el eje. Cuando el frenado se inicia, la turbina se alimenta con un líquido que comienza a circular en un circuito de potencia; debido al hecho de que el fluido tiene una viscosidad, hay resistencia y su circulación vaya acompañado por calentamiento. El calor generado se disipa en el medio ambiente a través de las paredes conductoras de calor de la turbina.
2.2.8.2 Frenado electromagnético
Los frenos electromagnéticos utilizan una fuerza electromagnética que surge al pasar una corriente eléctrica a través de solenoides. Un conjunto de electroimanes se fija con una suspensión elástica en el tren de rodaje de vehículos ferroviarios y la cabeza del imán se coloca sobre el carril. Cuando una corriente se suministra a un electroimán, se produce un campo magnético. El freno se mueve con el vehículo de tracción ferroviario e induce corrientes eléctricas en el carril. Como resultado de la interacción de los campos magnéticos, aparecen corrientes parásitas y conducen a la generación de una fuerza electromotriz que actúa como la fuerza de frenado. Los frenos electromagnéticos, cuando están funcionando en condiciones normales, no tienen contacto directo con el ferrocarril y se encuentran a cierta distancia de él.
2.2.8.3 Frenos de vía
Un freno de vía es normalmente un tipo de freno de fricción, en el que la fuerza de frenado se genera por la fricción entre el elemento de freno y un carril. Los frenos de vía se pueden clasificar como los siguientes tipos:
• Mecánico cuando el sistema de frenado se acciona por sistemas de palancas mecánicas.
• Neumático cuando los dispositivos de frenado se accionan por un sistema neumático.
• Hidráulico cuando los dispositivos de frenado se accionan por el sistema hidráulico.
Los frenos electromagnéticos también se pueden clasificar como frenos de vía cuando la fuerza de frenado generada por el efecto magnético se combina con la fuerza de fricción generada por el elemento de frotamiento que se apoya contra el carril. Los elementos de freno de fricción pueden funcionar sobre una superficie horizontal de la cabeza del carril (parte superior del carril) y en la superficie lateral del carril.
A diferencia de los frenos electromagnéticos que permiten la fijación rígida en el tren de rodaje, los frenos de vía se instalan con suspensión elástica de amortiguación con el fin de reducir el choque y la vibración causada por su interacción con el carril.
