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