SISTEMAS DE ELECTRIFICACIÓN
Sistemas de corriente continua
Sistemas de corriente alterna, frecuencia reducida 16 2/3 Hz
Sistemas de corriente alterna, frecuencia industrial 50/60 Hz
Baja tensión
Alta tensión
LA PRIMERA EXPERIENCIA DEL TRAN SPORTE ELÉCTRICO
LA RÉPLICA EN EL CENTENARIO
Motor eléctricoCorriente continua
Excitación serie
Aplicación prácticaRegulación velocidad
Medios técnicos disponibles
En forma simple Tensión alimentación igual
Motores de tracción
Equipos del vehículo
Tensión alimentación
limitada por
Tipo y calidad de aislantes
Conmutación a alta velocidadSe adoptaron 500 a 800 V c.c.
1.-EL MOTOR DE TRACCIÓN
2.- LA ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
Fuente (Subestación)
Sistema de captación (catenaria o tercer riel)
Sistema fijo Sistema móvil (tren)
Un frotador colectaDe catenaria
De tercer riel
Sistema fijo + sistema móvil Circuito de tracción
LA TRACCIÓN ELÉCTRICA Componentes básicos
CIRCUITO DE TRACCIÓN
CARÁCTERÍSTICAS DEL CIRCUITO DE TRACCIÓN DEFORMABLE PARÁMETROS VARIABLES
PARÁMETROS VARIABLES
Distancia entre Subestación y treny potencia en cada punto
Resistencia o impedanciaTensiónCorriente
Función de
y tienees
CORRIENTE CONTINUA
Fue la primera que se utilizó. Al no ser posible transformar la tensión, se aplicaba la misma tensión de transporte de la línea de
contacto, a la tensión que hacía funcionar a los motores.
Consecuencias:
- Limitación de la tensión de transporte a la máxima admitida por los motores
- Intensidades demasiado elevadas en las líneas de contacto para tener las potencias necesarias para tracción
- Secciones elevadas en los conductoress de catenarias ( o tercer riel)
- Subestaciones de alimentación próximas para evitar grandes caídas de tensión.
LA ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
Corriente continua
Sistemas de alimentación Corriente alterna (frecuencia reducida)
Corriente alterna (frecuencia industrial)
Valor medio de resistencia conjunto catenaria-riel: Km/06,004,0
Caída de tensión a 5 Km:
Caída porcentual de tensión
VAKmKmU xx 50020005/05,0
%33100.1500
500%
V
VU
Tensiones normalizadas600 V800 V Captación por tercer riel1200 V
1500 V Captación aérea
Tensión normalizada: 3000 V –Captación aérea
ESQUEMA DE ALIMENTACIONES A SUBESTACIONES DE CORRIENTE CONTINUA
a) Alimentación en antena de una Subestación a pequeña distancia de un Puesto de ATb) Alimentación asegurada por una antena y una conexión alternativa de respaldo desde otra línea de ATc) Alimentación por dos líneas de AT desde Puestos de AT distintosd) Condiciones de protección de la línea de AT, pueden obligar a disponer se disyuntores enclavados
Aplicación de la Alta Tensión- Disminución de la corriente en la línea de contacto (menores pérdidas)- Menor sección de los conductores aéreos (menor peso suspendido) - Aumento de la distancia entre Subestaciones, a igual caída de tensión. La distancia entre Subestaciones se lleva entre 10 y 15 Km (depende del la intensidad de tráfico)Evolución tecnológica de las SubestacionesConversión corriente alterna en corriente contina- Convertidores rotativos (bajo rendimiento, alto manteniento, operación local)- Rectificadores a vapor de mercurio- Rectificadores de estado sólido
Diferencias de pérdidas en Subestaciones según el tipo de rectificaciónEjemplo: 1.- Subestación de 1500 V con rectificadores de vapor de HgCaída interna del rectificador 20 a 40 VCorriente de carga : 4000 APérdidas internas Pi = 30 V x 4000 A = 120 kW (2 %)2.- Subestación de 1500 V con rectificadores de estado sólido Caída interna de un diodo 1,2 V, suponiendo para 1500 V, 5 diodos en serie, la caída total es de 6 VCorriente de carga 4000 APérdidas internas Pi = 6 V x 4000 A= 24 kW (0,4%)
Mejora del rendimiento, posibilidad de telemando
MEJORAS EN EL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN
Existen grandes ventajas en el empleo de alta tensión por disminución de la sección de la línea de contacto y mayor espaciamiento entre Subestaciones de tracción.
1.- En corriente continua la desventaja estriba en
1.1.- La necesidad de limitar la alta tensión (1500 V o 3000V) y luego rectificarla para el suministro a la línea de contacto y su
empleo directo en los motores de tracción del vehículo motriz .
1.2.- La regulación de esa tensión se hace a bordo del tren para los motores de tracción lo cual implica operaciones complicadas y
pérdidas de energía.
2.- El empleo de corriente alterna facilita
2.1.- la transmisión en tensiones mas elevadas (15000 V o 25000 V), deriva en contar con corrientes bajas en la línea aérea de
contacto y sistema aéreo mas liviano y económico con menores pérdidas de transmisión de energía
2.2.- modificar fácilmente la tensión de alimentación a los motores de tracción a bordo del vehículo motriz
2.3.- convertir a las subestaciones en simples puestos de transformación.
Motor de tracción: se convierte en la clave de la evolución de la tracción eléctrica en corriente alterna
El motor de tracción originalmente disponible era el serie de corriente continua, que presenta características de motor universal
funcionando tanto en corriente continua como alterna.
Ventajas: Es simple en corriente alterna el sistema de control de la tensión de alimentación para comandar las características de
tracción.
Desventajas: Desmejoramiento de la conmutación por aparición del “efecto transformatórico” y el aumento de pérdidas por
histéresis y corrientes parásitas (Foucault) en el circuito magnético del motor utilizando frecuencia industrial (50/60 Hz)
LA ALTA TENSIÓN
EL PROCESO DE CONMUTACIÓN
GENERACIÓN DE UNA f.e.m EN UN TRANSFORMADOR
Pérdidas por histéresis
Pérdidas por corrientes parásitas (Foucault)
GBfkP máxf ... 22
2221
21 .. RIRIPCu
Pérdidas magnéticas
(en el núcleo ferromagnético)
Pérdidas eléctricas
(en el cobre)
PÉRDIDAS DE ENERGÍA EN EL TRANSFORMADOR
GBfP nmáxh ...
6,1n
La f.e.m. ”transformatórica” está dada por y ella produce:
Creación de una corriente de cortocircuito en la espira en conmutación “efecto “transformatórico”
.. fk
dt
de
EFECTO “Transformatórico” EN UN MOTOR SERIE EMPLEANDO FRECUENCIA INDUSTRIAL
b - un incremento de las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas
Soluciones1.- Disminuir el ”efecto transformatórico” por disminución de la frecuencia aplicada a 16 Hz2.- Laminar todo el circuito magnético para disminuir pérdidas
2/3
a - una desmejora en la conmutación
CIRCUITO TÍPICO DE UNA LOCOMOTORA ELÉCTRICA DE 15 Kv 16 2/3 Hz
15 Kv 16 2/3 Hz
Transformador regulable
Motores de tracción
SOLUCIONES PARA EL EMPLEO DEL MOTOR SERIE DE C.C. DIRECTAMENTE EN C.A.
1.- Disminuir el ”efecto transformatórico” por disminución de la frecuencia aplicada a 16 Hz2.- Laminar el circuito magnético para disminuir pérdidas
2/3
Empleo de frecuencia reducida
APLICACIÓN DE LA FRECUENCIA REDUCIDA
ALTERNATIVAS DE ALIMENTACIÓN Y CONVERSIÓN A 16 2/3 DESDE RED PÚBLICA
ELECTRIFICACIÓN EN CORRIENTE ALTERNA ALTA TENSIÓN A FRECUENCIA INDUSTRIAL
1.- Utilizar alta tensión en la línea de contacto: menores corrientes, menores pérdidas, sistema aéreo liviano.2.- Las Subestaciones: son simples puestos de transformación desde la tensión disponible en la red pública.3.- La rectificación y regulación de la tensión para los motores de tracción: se hace en el vehículo motriz.
Surge con el objetivo de crear instalaciones de líneas aéreas de contacto ligeras e integrar el ferrocarril a la red eléctrica industrial
EVOLUCIÓN DEL EMPLEO DEL MOTOR DE TRACCIÓN EN CORRIENTE ALTERNA
1.- MOTOR SERIE DE CORRIENTE CONTINUA
Frecuencia reducida (16 2/3 Hz) Regulación de tensión (transformador variable) Alimentación directa Motores directos Frecuencia industrial (50 Hz ) Regulación de tensión (transformador variable) Grupos monocontinuos
Rectificador a vapor de Hg Regulación de tensión Rectificación a bordo
Rectificador estado sólido Regulación de flujo
Alimentación indirecta
2.- MOTOR ASINCRONICO TRIFÁSICO
Regulación de la tensión aplicadaRegulación de la frecuencia aplicadaCombinación de ambas
Equipo conversor/nversor CA/CC/CA
Grupo mono-trifásico
Alimentación directa
Empleo en frecuencia industrial, necesidad de disminuir el “efecto transformatórico”
1.- Colocación de conexiones resistentes entre bobinas y delgas para disminuir la corriente de cortocircuito en la conmutación .
2.- Empleo de escobillas especiales que incrementan la resistencia de la bobinas en conmutación al cortocircuitar delgas, pos aumento del recorrido (fig 1, escobillas de tres piezas) o inserción de un aislante (fig 2). Esto mejora el mantenimiento del colector (pero no soluciona el problema)
ALIMENTACIÓN DIRECTA
LOCOMOTORA DE 25 Kv – 50 Hz CON MOTORES SERIE EN ALIMENTACIÓN DIRECTA (Tipo BB 13000)
CIRCUITO DE UNA LOCOMOTORA DE CORRIENTE ALTERNA, 50 Hz- 25 Kv CON CON MOTORES SERIE DE ALIMENTACIÓN DIRECTA (Tipo BB13000)
ALIMENTACIÓN DIRECTA
LOCOMOOTORA DE 25 Kv – 50 Hz CON CONVERIDOR DE FRECUENCIA CONTINUA Y MOTORES ASINCRÓNICOS TRIFÁSICOS (Tipo CC 14000)
CIRCUITO DE UNA LOCOMOTORA DE CORRIENTE ALTERNA, 50 Hz- 25 Kv CON CON GRUPO MONOTRIFÁSICO CON MOTORES DE INDUCCIÓN (MAT)
ALIMENTACIÓN DIRECTA
CIRCUITO DE UNA LOCOMOTORA DE CORRIENTE ALTERNA, 50 Hz- 25 Kv DEL TIPO GRUPO MONOCONTINUO CON MOTORES SERIE ( Tipo CC 14100)
CIRCUITO DE UNA LOCOMOTORA DE CORRIENTE ALTERNA, 50 Hz- 25 Kv DEL TIPO GRUPO MONOCONTINUO CON MOTORES SERIE ( Tipo CC 14100)
ALIMENTACIÓN DIRECTA
Para regular en un motor de tracción
La fuerza de tracción La velocidad
Se debe actuar sobre
El flujo magnético La tensión aplicada
En tracción eléctrica en corriente continua o en corriente alterna se emplean básicamente dos tipos de motores
Motores tipo serie de
corriente continua
Motores asincrónicos trifásicos
de corriente alterna
Para controlar en la marcha del tren su - Arranque - Velocidad - Frenado
Se actúa sobre del motor de tracción para regular
la fuerza de tracción y la velocidad
CONDICIONES DE EMPLEO
EL MOTOR ELÉCTRICO DE TRACCIÓN
Regulación de la tensión aplicadaPor resistenciasPor resistencias y cambios de acoplamientos (serie, paralelo)Interruptor periódico (chopper)
Variación de la corriente del campoVariación del número de espiras del campo
Regulación del flujo magnético
1.- MOTOR SERIE DE CORRIENTE CONTINUA
2.- MOTOR ASINCRONICO TRIFÁSICO (MAT)
Regulación de la tensión aplicadaRegulación de la frecuencia aplicadaCombinación de ambas
EVOLUCIÓN DEL EM PLEO DEL MOTOR DE TRACCIÓN EN CORRIENTE CONTINUA
Equipo inversor CC/CA
Regulación de la tensión aplicada
Variación de la corriente del campoRegulación del flujo magnético
1.- MOTOR SERIE DE CORRIENTE CONTINUA
2.- MOTOR ASINCRONICO TRIFÁSICO (MAT)
Regulación de la tensión aplicadaRegulación de la frecuencia aplicadaCombinación de ambas
EVOLUCIÓN DEL EMPLEO DEL MOTOR DE TRACCIÓN EN CORRIENTE ALTERNA
Equipo convertidor/ inversor CA/CC/CA
Transformador de tomas variables
Puente mixto
Control de fase (tiristores) Puente completo
RESUMEN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE MOTORES EN TRACCIÓN ELÉCTRICA Y SU REGULACIÓN
TIPO DE CORRIENTE TENSIÓN TENSIÓN TENSIÓN NOMINAL MÍNIMA MÍNIMA INSTANTÁNEA
750 500 ------- CORRIENTE 800 550 ------- CONTINUA 1500 1000 ------- 3000 2000 -------
CORRIENTE 16 2/3 Hz 15000 12000 11000 ALTERNA MONOFÁSICA 50 Hz 25000 19000 17500 (1)
(1) Existen tensiones de 20000 V (Japón) y 50000 V (Sudafrica)
CARACTERÍSTICAS DE LOS SISTEMAS DE ELECTRIFICACIÓN(Parámetros característicos UIC)
RESUMEN
COMPARACIÓN ENTRE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA
Y
DIESELELÉCTRICA
ENERGÍA
CONDUCCIÓN Y
DEPÓSITOS
MANTENIMIENTO DE
LOCOMOTORAS
MANTENIMIENTO DE
INSTALACIONES FIJAS
23,4%
50,5%
18,3%
7,8%
100%
DIESEL
148,7%
(100%)
ELÉCTRICA 54,5%
(37,7%)
58%
(39%)
36,2%
(24,3%)
COMPARACIÓN DE GASTOS DE EXPLOTACIÓN
(Las cifras entre paréntesis se refieren al total diesel)
TOTAL
LÍNEAS A.T.
SUBESTACIONES
CATENARIA
ADAPTACIÓN
SEÑALIZACIÓNTELECOMUNICACIONES
DEPÓSITOS
MODIFICACIÓN
OBRAS DE ARTE
1,5 Kv cc
100 %
69 %
25 Kv 59/60 hZ
5 %
16 %
57 %
8 %
7 %
2 %
5 %
4 %
3 %
42 %
7 %
8 %
2 %
6 %
RELACIÓN COSTOS CC Vs CA
1.- Valores medios de la potencia específica en llanta. TE: 20 a 25 kW/Tn TD: 50 a 60 kW/Tn2.- Sobrecargabilidad . TE: Es posible sobrecargarla sobre su régimen nominal de un 20% a %50% en régimen unihorario y 70% en régimen instantáneo. TD: No es posible superar su régimen nominal. Debe programarse su empleo con un 7% al 15% menor a régimen nominal (reserva de potencia). 3.- Influencia de la altura (mayores a 1200 m) TE: no la afecta la altura TD: Afectada por la deficiencia en la sobrealimentación.4.- Energía eléctrica para iluminación, calefacción y acondicionamiento del aire TE: No afecta la capacidad tractiva porque se toma directo desde la catenaria. TD: -Por equipos generadores accionados desde las ruedas de los coches - Equipo diesel autónomo por cada coche o grupo de coches - Por furgón usina para todo el tren. Cualquiera de estas soluciones resta capacidad tractiva a la locomotora.5.- Recuperación de energía En ambas tracciones se puede aplicar el frenado dinámico. En la tracción eléctrica se puede, bajo ciertas condiciones, reenviar la energía mecánica de frenado como energía eléctrica a la red. 6.- En servicios metropolitanos y suburbanos caracterizados por frecuencias elevadas y distancias media entre estaciones cortas, se recurre a la TE (por mejores valores de velocidad, aceleración, confort)
COMPARACIÓN ENTRE TRACCIÓN ELÉCTRICA Y TRACCIÓN DIESEL
CAMPO DE APLICACIÓN DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA
RESUMEN DE APLICACIONES COMUNES DE TRACCIÓN ELÉCTRICA
CORRIENTE CONTINUA
Baja tensión
(1)
Servicios metropolitanos y suburbanos
(subterráneos y de superficie)Captación tercer riel
Alta tensión
(2)
Servicios metropolitanos y suburbanos
Servicios de larga distancia
(pasajeros y cargas)
Alta velocidad
Captación aérea
(catenaria)
CORRIENTE ALTERNA Alta tensión
(3)
Servicios metropolitanos y suburbanos
Servicios de larga distancia
(pasajeros y cargas)
Alta velocidad
Captación aérea
(catenaria)
(1).– Hasta 800 V
(2).- 1500 / 3000 V
(3).- 25000 V – 50/60 Hz
15000 V - 16-2/3 Hz