Conducción Eléctrica de Trenes

Definición

Un accionamiento que utiliza la energía eléctrica para propulsar hacia adelante se conoce como accionamiento de tracción eléctrica. Una de las aplicaciones principales de un accionamiento eléctrico es el transporte de personas y mercancías de un lugar a otro. Los accionamientos de tracción se clasifican principalmente en dos tipos: el accionamiento de tracción monofásico AC y el accionamiento de tracción DC.

Servicios de Tracción Eléctrica

Los servicios de tracción eléctrica pueden clasificarse ampliamente de la siguiente manera:

• Trenes eléctricos

• Trenes de Línea Principal

• Trenes Suburbanos

• Autobuses, tranvías y trolebuses eléctricos

• Vehículos alimentados por batería y energía solar

A continuación se presenta una explicación detallada de estos servicios de tracción eléctrica.

Trenes Eléctricos

Los trenes eléctricos, que circulan por rieles fijos, se subdividen aún más en trenes de línea principal y trenes suburbanos.

Trenes de Línea Principal
En estos trenes, la potencia se suministra al motor de dos maneras: ya sea desde una línea aérea en una locomotora eléctrica o a través de un conjunto generador diésel en una locomotora diésel.

En una locomotora eléctrica, el motor de tracción está alojado dentro de la propia locomotora. Se instala una línea de transmisión aérea junto a o sobre la vía férrea. Un colector de corriente, equipado con una tira conductora, se monta en la locomotora. Esta tira conductora desliza a lo largo del conductor de alimentación, manteniendo así el contacto eléctrico entre el suministro de energía y la locomotora. El conductor de alimentación se conoce comúnmente como el cable de contacto. Para asegurar una conexión confiable entre el colector de corriente y el cable de suministro, se utilizan cables catenarios y cables colgantes.

En los trenes de alta velocidad, se utiliza un colector pantógrafo. Con forma de pentágono, este diseño único le da su nombre. El colector cuenta con una tira conductora que se presiona firmemente contra el cable de contacto mediante resortes. Generalmente fabricada de acero, esta tira conductora juega un papel crucial en mantener una presión constante entre sí misma y el cable de contacto. Esta presión constante es esencial para prevenir oscilaciones verticales, asegurando una conexión eléctrica estable y confiable mientras el tren de alta velocidad viaja a velocidades rápidas. Esta conexión estable es vital para el suministro ininterrumpido de energía a los sistemas eléctricos del tren, permitiendo un funcionamiento suave y eficiente.

Se instala un suministro de energía monofásico a lo largo de toda la vía férrea. La corriente eléctrica entra en la locomotora a través del colector. Luego pasa por la bobina primaria de un transformador de paso abajo y regresa al suelo del suministro de energía a través de las ruedas de la locomotora. La bobina secundaria del transformador de potencia suministra energía al modulador de potencia, que a su vez impulsa el motor de tracción. Además, la salida secundaria del transformador alimenta dispositivos auxiliares como ventiladores de refrigeración y sistemas de aire acondicionado.

Trenes Suburbanos
Los trenes suburbanos, también conocidos comúnmente como trenes locales, están diseñados para viajes de corta distancia. Estos trenes hacen paradas frecuentes a intervalos relativamente cercanos. Para mejorar el rendimiento de aceleración y desaceleración, los trenes suburbanos incorporan coches motorizados. Esta configuración aumenta la proporción del peso del tren soportado por las ruedas motrices en relación con el peso total del tren.

Cada coche motorizado está equipado con un sistema de accionamiento eléctrico y un colector pantógrafo. Generalmente, se utilizan coches motorizados y no motorizados en una proporción de 1:2. Para los trenes suburbanos de alta potencia, esta proporción puede aumentar a 1:1. Los trenes compuestos por coches motorizados y remolcados se conocen como trenes de Unidad Múltiple Eléctrica (UME). El mecanismo de suministro de energía para los trenes suburbanos es similar al de los trenes de línea principal, con una excepción notable: los trenes subterráneos suburbanos.

Los trenes subterráneos utilizan un sistema de suministro de energía de corriente continua (CC). Esta elección se debe principalmente a que los sistemas de suministro CC requieren menos espacio entre el conductor de potencia y el cuerpo del tren. Además, los sistemas CC simplifican el diseño del modulador de potencia, reduciendo tanto su complejidad como su costo. A diferencia de los trenes de superficie, los trenes subterráneos no utilizan líneas de transmisión aéreas. En cambio, la energía se suministra a través de los rieles de rodadura o desde conductores instalados en un lado del túnel.

Autobuses, Tranvías y Trolebuses Eléctricos
Estos tipos de vehículos eléctricos generalmente presentan un diseño de coche impulsado por un solo motor. Obtienen energía de líneas aéreas de CC de baja tensión instaladas junto a la carretera. Dado que los requisitos de corriente son relativamente bajos, el mecanismo de recolección de corriente a menudo consiste en un varilla con una rueda surcada en su extremo, o dos varillas conectadas por un arco de contacto. El sistema de recolección de corriente está diseñado para ser altamente flexible e incluye un conductor adicional para facilitar el retorno de la corriente eléctrica, asegurando un suministro de energía estable y continuo para el funcionamiento del vehículo.

Los tranvías son un tipo de vehículo propulsado por electricidad que circula por rieles y generalmente consta de un coche motorizado. En algunos casos, se adjuntan uno o más coches remolcados sin motor para aumentar la capacidad de pasajeros. Su sistema de recolección de corriente es comparable al de los autobuses eléctricos. Notablemente, el camino de retorno de la corriente eléctrica puede establecerse a través de uno de los rieles. Como los tranvías operan en rieles fijos, sus rutas a lo largo de la carretera están predeterminadas, proporcionando un servicio de transporte confiable y constante.

Los trolebuses se utilizan principalmente para el transporte de materiales en minas y fábricas. Estos vehículos generalmente circulan por rieles y comparten muchas similitudes con los tranvías, con la principal diferencia radicando en su forma física.

Características Importantes de los Accionamientos de Tracción Eléctrica

Las características clave de los accionamientos de tracción eléctrica se detallan a continuación:

• Requisito de Par Elevado: Los accionamientos de tracción necesitan generar un par sustancial durante las fases de arranque y aceleración para propulsar la masa pesada del vehículo. Este alto requisito de par asegura que el tren u otro vehículo de tracción pueda superar la inercia y alcanzar la velocidad deseada de manera eficiente.

• Suministro Monofásico AC en Tracción AC: Por consideraciones económicas, un suministro de energía monofásico se utiliza comúnmente en sistemas de tracción de corriente alterna (AC). Esta elección ayuda a reducir los costos relacionados con la infraestructura, la generación de energía y la distribución, haciendo que la operación general sea más viable financieramente.

• Fluctuaciones de Voltaje: El suministro de energía en los sistemas de tracción eléctrica experimenta fluctuaciones significativas de voltaje. Estas fluctuaciones son particularmente pronunciadas cuando la locomotora se mueve de una sección de suministro a otra, a menudo resultando en discontinuidades momentáneas. Dichas variaciones de voltaje pueden plantear desafíos para la operación estable del equipo de tracción y requieren diseños y estrategias de control cuidadosos para mitigar sus efectos.

• Interferencia Armónica: Tanto los sistemas de tracción AC como DC inyectan armónicos en la fuente de energía. Estos armónicos pueden interferir con las líneas telefónicas y sistemas de señalización cercanas, potencialmente causando interrupciones en la infraestructura de comunicación y señalización. Medidas adecuadas de filtrado y mitigación son esenciales para minimizar esta interferencia y garantizar el correcto funcionamiento de estos servicios críticos.

• Sistemas de Frenado: Los accionamientos de tracción dependen principalmente del frenado dinámico, que convierte la energía cinética del vehículo en movimiento en energía eléctrica, disipándola como calor o devolviéndola a la red de energía. Además, se utilizan frenos mecánicos cuando el vehículo está estacionario para proporcionar capacidades de detención y retención confiables, asegurando la seguridad en todas las condiciones de operación.

Ciclo de Operación de los Accionamientos de Tracción Eléctrica

El ciclo de operación de un accionamiento de tracción eléctrica se puede entender efectivamente a través del análisis de las curvas de velocidad-tiempo y los diagramas de potencia-par-tiempo. Considere un accionamiento de tracción que opera entre dos estaciones consecutivas en una vía nivelada. Al inicio, el tren acelera utilizando el par máximo lograble. Durante esta fase de aceleración, el consumo de potencia del accionamiento aumenta linealmente con la velocidad creciente, reflejando la energía requerida para superar la inercia y propulsar el vehículo hacia adelante.

En el tiempo t1, el accionamiento de tracción alcanza su velocidad base, y simultáneamente, se alcanza la potencia máxima permitida. A partir de entonces, la aceleración adicional se realiza bajo una condición de potencia constante. A medida que la velocidad continúa aumentando durante esta fase, tanto el par como la aceleración disminuyen gradualmente.

Al tiempo t2, el par del accionamiento se iguala al par de carga, en el que se logra una velocidad constante. El proceso de aceleración de 0 a t2 puede dividirse en dos etapas distintas. De 0 a t1, la aceleración se caracteriza por un par constante, donde el accionamiento aplica una fuerza rotacional constante para acumular rápidamente la velocidad. Luego, de t1 a t2, la aceleración ocurre bajo un régimen de potencia constante. Aquí, a medida que la velocidad aumenta, el accionamiento sacrifica el par para mantener la potencia de salida fija, resultando en una tasa de aceleración decreciente hasta que se establece el equilibrio con el par de carga en t2.

Entre el tiempo t2 y t3, el tren mantiene una velocidad constante mientras opera con una potencia de accionamiento constante. Este período se conoce como la fase de marcha libre. Durante esta etapa, el tren se desliza suavemente por la vía, con la fuerza de tracción equilibrando precisamente las fuerzas de resistencia, asegurando un movimiento constante y eficiente.

Cuando llega el momento apropiado en el tiempo t4, se activa el sistema de frenado. Esta acción inicia un proceso de deceleración controlada, reduciendo gradualmente la velocidad del tren hasta que finalmente se detiene en la próxima estación, lista para servir al próximo lote de pasajeros o transportar su carga al destino previsto.