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UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICASESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIASDEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

EL 603 TRACCION ELECTRICA

HISTORIA DE LA TRACCION ELECTRICA

DISTINTOS SISTEMAS DE ELECTRIFICACION

ALGO SOBRE FERROCARRILES



La tracción eléctrica nació en Berlín en 1870. Se trataba de un pequeño tractor de 3 CV construido por Siemens.

En 1890 empieza a funcionar en Londres el primer ferrocarril metropolitano eléctrico.

En 1914, la Compañía Baltimore Ohio efectúa la primera electrificación de una red ferroviaria en el mundo.

La Tracción Eléctrica se desarrolló gracias al impulso de importantes empresas de prestigio mundial (Westinghouse, General Electric, Siemens, Brown Boveri,...) a diferencia de la tracción a vapor que fue obra de personas.

Su implantación primera se debió a la incapacidad de la tracción a vapor para resolver problemas específicos y puntuales: fuertes rampas, largos túneles. Por ello, hasta la Primera Guerra Mundial las electrificaciones tenían un carácter local, su desarrollo era muy limitado.

Podríamos decir que era el mismo problema que electrificar un pueblo en medio del desierto.

HISTORIA



Electrificar una línea de ferrocarril suponía construir ex profeso los vehículos motores y producir localmente la corriente necesaria.

Predomina por tanto en aquella época, el supeditar la elección de la naturaleza y características de la corriente alterna a utilizar, a la eficacia y facilidad de construcción de los motores eléctricos a implantar en las locomotoras. Se produce la corriente en sitio y a medida.

La primera electrificación española fue la de la línea Gérgal-Santa Fe, realizada por la Compañía del Sur de España en 1911. Esta línea soporta un importante tráfico de mineral de hierro que se lleva a embarcar al puerto de Almería. La línea tiene importantes rampas de 27 por mil, lo que aconsejó su electrificación, dadas las grandes dificultades que presentaba la tracción a vapor. La electrificación fue realizada por Brown Boveri (BBC) que ya había electrificado pocos años antes en 1906, el túnel de Simplón con corriente trifásica.

En España, se utilizó corriente trifásica a 5.200 V. y 25 Hz. La línea aérea era de tipo tranvía y estaba constituida por dos hilos de contacto de cobre. BBC suministró siete tractores de 320 CV (235 kW) dotados de dos ejes motores de adherencia total (ningún eje portador). Eran de freno de recuperación, lo que tenía gran importancia dadas las características de la línea y el sentido descendente de los trenes cargados de material.



La electrificación del puerto Pajares, en la línea León-Gijón, fue la segunda electrificación española, con características diferentes a la de Almería. Ambas pueden incluirse entre las más antiguas del mundo en su género. Se inauguró en 1925.

El trayecto electrificado, Busdongo-Ujo, tiene 62 km. de longitud y es uno de los más difíciles de la red española. La rampa es de 20 por mil en casi todo el recorrido, las curvas de 300 m. de radio son muy abundantes, el 52% de la línea está en curvas, y hay 70 túneles.

Todo el trayecto es una notable obra de ingeniería que puede compararse con las más célebres del mundo en su género. Se eligió el sistema de 3000V. corriente continua inspirándose en la electrificación efectuada en 1914 por el ferrocarril Chicago-St. Paul Ry en los estados de Montana y Washington.

Con corriente de estas características, corriente continua y 3000 V., se realizó la electrificación de la red ferroviaria de España, aunque en alguna zona del norte se emplearon al comienzo 1.500 V. los que posteriormente se convirtieron a 3000 V.


HISTORIA DE LA TRACCION ELECTRICA Se desechó en España el otro sistema concurrente en esa época con la tracción en corriente continua, que era el de corriente alterna monofásica de frecuencia especial, 15 kV., 16 2/3 Hz., lo que posiblemente fue un acierto.

Desde 1954 hasta 1968 se electrificaron en España unos 2500 km., lo que supone una media anual de 170 km..

Se cometió el error de no haber adoptado en aquéllos años el nuevo sistema a 25 kV. y 50 Hz. el cual se ha desarrollado en muchísimos países a causa de sus notables ventajas técnicas y económicas.

En las décadas de los 70 y 80 se llegó a 6258 km. electrificados, más de la mitad de la red, 51% y por ellas se realiza el 80% del transporte ferroviario.

La línea AVE Madrid-Sevilla fue la primera línea férrea española electrificada con corriente monofásica de alta tensión y frecuencia industrial, 25.000 V. y 50 Hz..

Línea de Contacto

Subestación

Circuito de retorno

Locomotora



Partamos del funcionamiento de un esquema muy simple denominado “circuito de tracción”. Una fuente de energía, una línea de contacto (catenaria), una locomotora que utiliza la corriente y un conductor de retorno que cierra el circuito (los rieles). Contrariamente a lo usual, este circuito se deforma, es más o menos largo según el desplazamiento del tren.

cadena de transporte entre las centrales y la vía férrea, es decir una subestación eléctrica. Una subestación que efectuará una transformación, es decir una conversión de corriente. Esta subestación que alimenta la línea de contacto estará a su vez alimentada por una línea de alta tensión, a partir de centrales generadoras o de subestaciones transformadoras.

En cuanto a la fuente de energía, no tiene por qué ser forzosamente una central. Será frecuentemente un eslabón en la

DISTINTOS SISTEMAS



Un sistema de tracción eléctrica puede ser visto desde dos puntos de vista diferentes:

Por un lado el del transporte de la energía hasta el pantógrafo de la locomotora y por otro, el de la utilización de esta energía en el vehículo motor. Por lo tanto en la tracción ferroviaria la utilización de la energía eléctrica puede ser abordada desde dos ángulos, el de distribución de la energía y el de la utilización de la energía.


DISTINTOS SISTEMAS DE ELECTRIFICACION CORRIENTE CONTINUAFue la elección de los ingenieros que inicialmente se decantaron sobre el problema de su utilización, el problema de la mejor locomotora, escogieron el motor de corriente continua. Era el mejor motor de tracción.

Como no se sabía transformar de manera simple la tensión de una corriente continua, fue necesario adoptar sobre la línea de contacto una tensión de alimentación igual a la tensión de funcionamiento de los motores y de los equipos de las locomotoras: 700, 1500, 3000 V. como máximo.

Es pues una tensión demasiado baja, muy alejada de los órdenes de magnitud de las tensiones de las líneas de alta tensión utilizadas en el transporte de energía eléctrica.

De aquí la necesidad de conducir por la línea de contacto grandes intensidades, miles de Amperes, para obtener las potencias deseadas. Y para no tener caídas de tensión prohibitivas será necesario instalar una catenaria de gran sección y puntos de alimentación a la catenaria, es decir subestaciones, bastante próximas, alrededor de 20 km. en 1500 V.


DISTINTOS SISTEMAS DE ELECTRIFICACION LA TRACCION TRIFASICAEste sistema que apareció en los albores de las electrificaciones del ferrocarril fue rápidamente abandonado, pues a su gran ventaja, utilizar motores trifásicos que son de bajo costo y robustos, añadía los inaceptables inconvenientes de requerir doble catenaria (la tercera fase es la vía) y era muy difícil la regulación de la velocidad, puesto que viene impuesta por la frecuencia de la corriente (n = 120 f / p, en que f es la frecuencia en Hz y p es el número de polos).

Setenta años después de estas abandonadas experiencias, podemos decir que si hubiera que destacar una única innovación tecnológica en el campo del material motor ferroviario sería sin duda alguna la “revolución trifásica”, la tracción asíncrona y síncrona. La llegada de los motores sin colector representa un avance tal que sin él posiblemente no se habría podido llegar al record mundial de velocidad de 515,3 km/h. Entre el TGV Sudest, equipado con una motorización clásica, y el TGV Atlantique, que utiliza la tecnología trifásica, la potencia unitaria de los motores de tracción, a masa constante, se ha duplicado. Se ha llegado así a la locomotora Sybic de 5600 kW, locomotora universal y capaz de circular indistintamente bajo catenaria de 3.000 V., corriente continua o de 25 KV., 50 Hz.



Esta revolución tecnológica ha sido posible por el desarrollo de la electrónica de potencia con la aparición de los semiconductores aptos para ser utilizados en los circuitos de potencia. Diodo es un semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en un sólo sentido.

Tiristor es el semiconductor que, como el diodo, permite el paso de la corriente eléctrica en un solo sentido, pero que para realizarse es preciso suministrar un impulso eléctrico en el electrodo de mando, “rejilla o gate” que tienen los tiristores.

Tiristor GTO (Gate Turn Off) es el más moderno tiristor existente, tiene además un segundo electrodo de mando, “rejilla o gate”, que permite interrumpir el paso de la corriente cuando se le suministra un impulso eléctrico.



Gracias a esta avanzada tecnología se consigue:

En tracción eléctrica con corriente alterna el tiristor permite construir puentes rectificadores controlados, cuya misión es doble: rectificar la corriente y regular la tensión. También puede regularse el campo de los motores con tiristores.

En tracción eléctrica con corriente continua, el tiristor supone el desarrollo del “chopper”, que consiste en un convertidor continua-continua que permite el control de la tensión de alimentación de los motores, que en los equipos clásicos se realizaba con resistencias y combinaciones de motores. La excitación de los motores también puede regularse con tiristores. El chopper permite una regulación continua del vehículo y la eliminación del concepto de marcha económica de los equipos electromecánicos convencionales de corriente continua. El chopper eleva la locomotora de corriente continua al nivel de calidad conseguido en las locomotoras de corriente alterna controladas con tiristores.


DISTINTOS SISTEMAS DE ELECTRIFICACION LA TRACCION TRIFASICAOtra posibilidad que ofrece la electrónica de potencia es sustituir dicho motor de colector por un motor trifásico asíncrono sin escobillas, alimentado por un convertidor continua-trifásica, que alimenta el motor con corriente trifásica de frecuencia y tensión variables. Esto equivale a sustituir el colector por un conmutador electrónico.. La ventaja es que los costos de mantenimiento del motor trifásico son muy reducidos.

Son muy simples, sin escobillas, ni anillos rozantes o bobinados del rotor. Son muy robustos y resistentes, tienen mayor fiabilidad, menor peso, mayor rendimiento energético y mayores prestaciones.

Son alimentados por onduladores de corriente y llevan chopper (troceadores) con incorporación de tiristores apagables por puerta (rejilla o gate), como se dijo antes, en lugar de tiristores convencionales.



CORRIENTE ALTERNA MONOFASICA DE FRECUENCIA ESPECIALLos ingenieros, que al contrario que en el caso de corriente continua, estaban preocupados del transporte de la energía a lo largo de la línea, han adoptado la corriente alterna, sabiendo que con un simple transformador sobre la locomotora, podrán escoger libremente una tensión elevada en la línea de contacto (11.000 V. en América, 15.000 o 25.000 V. en Europa) y una tensión baja en los motores, algunos cientos de Volts.

La catenaria que no transporta más que algunos centenares de Amperes, se aligera considerablemente. Las subestaciones se reducen a simples transformadores y pueden estar mucho más espaciadas, del orden de 50 km.. Las instalaciones fijas son mucho menos costosas.

Pero queda por resolver el problema de la utilización, el problema de la locomotora.



CORRIENTE ALTERNA MONOFASICA DE FRECUENCIA ESPECIALPara la locomotora, el motor de inducción monofásico es de funcionamiento mucho más delicado que el de corriente continua. La causa es la forma alternativa del flujo. El parámetro nocivo es pues la frecuencia. De aquí la idea de adoptar para la tracción monofásica una corriente de frecuencia más baja que la frecuencia normal. En Europa se escogió el tercio de la frecuencia normal, 16 2/3 Hz. Este sistema se ha desarrollado principalmente en Europa Central: Suiza, Alemania, Austria, donde se han construido centrales y líneas A.T. de 16 2/3 Hz., una red de energía “del ferrocarril” distinta a la red general; en Suecia y en Noruega, donde las líneas de 16 2/3 Hz están empalmadas a la red general de 50 Hz mediante subestaciones de conversión de frecuencia.



CORRIENTE ALTERNA MONOFASICA DE FRECUENCIA ESPECIALSe escogió esta baja frecuencia porque era muy difícil regular la velocidad de los motores de corriente alterna y con una frecuencia un tercio de la normal de 50 Hz era más fácil pues se acercaba a la corriente continua. Se escogieron la naturaleza y las características de corriente que permitieran la mejor construcción de un motor eléctrico.

Y se produce la corriente en sitio y a medida.



CORRIENTE ALTERNA MONOFASICA DE FRECUENCIA INDUSTRIALSe han visto las características generales de los dos grandes sistemas clásicos de tracción eléctrica que se desarrollaron durante la primera mitad del siglo: el sistema de corriente continua a baja tensión, con un excelente motor de tracción y de instalaciones que se acoplan a la red general pero que son pesadas y costosas y el sistema de corriente alterna A.T. y frecuencia especial, en el cual las instalaciones de distribución son mucho más simples pero que utiliza un motor más complejo el cual a su vez ja impuesto una frecuencia baja que impone el obtener una corriente especial para el ferrocarril. El aligeramiento de las instalaciones de distribución (subestaciones y líneas de contacto) es una ventaja indiscutible de la tracción monofásica. Pero por otro lado, la unión con la red general de energía está considerada en muchos países como un principio fundamental, el cual se afirmaba más a medida que las mallas de la red pública cubrían el territorio.



CORRIENTE ALTERNA MONOFASICA DE FRECUENCIA INDUSTRIALLa conciliación de estos dos objetivos, instalaciones ligeras e integración del ferrocarril en la red industrial, fue la razón de ser del tercer gran sistema de tracción eléctrica: corriente monofásica de frecuencia industrial, 50 Hz. Esta idea se lanzó a finales de los años cuarenta (Armand), presintiendo que las dificultades técnicas que desde 50 años habían impedido hacer buenas locomotoras a 50 Hz, estaban a punto de ser superadas. Y eso pasó con la llegada de la electrónica de potencia. Después de algunas tentativas, la solución universalmente adoptada ha sido la de locomotoras equipadas de rectificadores con lo que nos encontramos con motores vecinos de los de corriente continua. Este sistema se ha extendido, pero no sustituido a los existentes, en Francia, Gran Bretaña, Portugal, Hungría, Turquía, Rusia, India, Japón y China. También existe en Argentina.



El uso de motores de inducción constituye la Tracción Asíncrona, que se emplea actualmente.

TRACCION ASINCRONAEn la figura se representa la curva de tracción característica de una máquina asíncrona trifásica en régimen motor y generador, con determinada frecuencia y tensión.

Gracias a los medios de la electrónica de potencia y de mando, es posible alimentar a los motores de tracción con corriente de frecuencia y tensión variable, independientemente de la frecuencia y de la tensión en la catenaria,

máx. regimen tracción

nns

TRACCION

FRENNADO

Motor

Generador

máx. regimen frenado

Máquina asíncrona en regimen motor y generador

Se llega así a una familia de curvas torque–velocidad ( - n),cada una de ellas con un punto de operación estable. Estos puntos en su conjunto forman una “curva sintética” de tracción.

n

Motor asíncrono alimentado con tensión y frecuencia variable

TRACCION ASINCRONA

Un esquema simplificado de bloques para una locomotora con motores de tracción trifásicos para servicio de corriente alterna monofásica en la catenaria es el siguiente:

Esquema de bloques simplificado de una locomotora eléctrica con motor asíncrono y alimentado con corriente alterna monofásica. Locomotora

eléctrica mono / trifásica.

Catenaria

Pantógrafo

15 Kv. 16 2/3 Hz, corriente alterna 1

Transformador Rectificador OnduladorMotor de tracción asíncrono

TRACCION ASINCRONA

Si la alimentación es en corriente continua:

c.a.

c.c.

Esquema de bloques simplificado de una locomotora eléctrica con motor asíncrono y alimentada con corriente continua.

Catenaria

Pantógrafo

OnduladorMotor de tracción asíncrono

TRACCION ASINCRONA

VENTAJAS DE LA TRACCION ASINCRONADesaparecen los inconvenientes relacionados con la conmutación de los motores de corriente continua.

Toda la gama de revoluciones puede aprovecharse en forma óptima desapareciendo por lo tanto el típico punto o sector de funcionamiento a conmutación óptima de los motores de c.c.

La construcción sencilla del motor de tracción asíncrono trifásico permite un dimensionamiento de éste sin problemas de calentamiento pues el control electrónico le exige trabajar a las potencias necesarias sin pérdidas en otros sistemas que no sean los de tracción. Por ejemplo un motor asíncronico 3 de 1.400 kW es mucho más pequeño y ligero que un motor de 900 kW de c.c.

TRACCION ASINCRONA

VENTAJAS DE LA TRACCION ASINCRONA•Desaparece el colector que limita el número de revoluciones y requiere gran espacio por lo que resulta mayor la longitud activa del motor. El motor asíncrono del tipo sencillo con rotor de jaula de ardilla puede funcionar a regímenes superiores de evoluciones y tensiones, lo cual significa una reducción del volumen y del peso, a pesar de un notable aumento de potencia.

Aumento de Potencia, disminución de peso, disminución masas del boguie, menos ejes motrices en las locomotoras. Una locomotora de 4 ejes, 4 motores de 1.400 kW, 5.600 kW.

TRACCION ASINCRONA

VENTAJAS DE LA TRACCION ASINCRONA•No hay resistencias de frenado. El frenado por regeneración electrodinámica es más eficaz. Se logra con los dispositivos de todas formas necesarios para el servicio de tracción, es decir sin ningún equipo adicional se logra en trenes (locomotoras) una recuperación de energía que va desde 10 a 25%

Menor costo de construcción y mantenimiento.

TRACCION ASINCRONA

CONTROL

Independiente de V y f.

V/f = cte.

V 2/ f = cte.

Evitando que el motor se sature

TRACCION ASINCRONA

Banda de frotamiento

Hilo de contacto

Pantógrafo Moderno

Línea de Contacto

PANTOGRAFOS

LINEAS DE CONTACTO

Aluminio o Cobre

Acero

Catenaria Compuesta

T2·{T + (p’2·a2·E/24T’2) + α·E·(θ-θ’) - T’} = p2·a2·E/24

CATENARIA

SECCION HILO DE CONTACTO

ECUACION DE ESTADO

Aire comprimido

Tercer riel (+)

FROTADOR A TERCER RIEL


ALGO SOBRE FERROCARRILESALGO SOBRE FERROCARRILES

EL CAMINO DE RODADURA, LA VIA Para conseguir la rodadura y guiado de los vehículos con seguridad y confort, es necesario realizar un conjunto que soporte sin deformaciones, o mejor dicho con débiles deformaciones elásticas, los esfuerzos normales y anormales producidos por la circulación de los trenes; y que no transmita a la plataforma más que tensiones compatibles con la resistencia del terreno que la constituyen. Este conjunto que constituye el camino de rodadura de los vehículos ferroviarios es a lo que se llama vía férrea o simplemente vía. Debe distinguirse de línea férrea al estar ésta constituida por una, dos o más vías.

PARTES DE LA VIA La infraestructura formada por la plataforma La superestructura formada por los rieles, las traviesas, el balasto. Está formada por dos filas de rieles, por traviesas que son elementos transversales sobre los que se fijan los rieles y por el balasto, sobre el cual descansan las traviesas. Hay que añadir el pequeño material o accesorios de la vía: placas, bridas, clavazón, etc.Desde los tiempos del comienzo de ferrocarril se viene utilizando la misma superestructura. El balasto se ha reemplazado por hormigón en algunos sistemas; es mayor el costo de inversión pero son mucho menor los costos de mantenimiento.



FUNCIONES

RIELES El riel es el elemento resistente que soporta directamente las cargas de las ruedas. Dos funciones: 1.Sustentación de cargas. Es decir soporta los esfuerzos a que está sometido, lo que realiza sin dificultad.

2.Guiado del vehículo. Gracias a las pestañas y forma de las ruedas. Presenta inconvenientes debido al rozamiento entre llantas y riel en las curvas como en recta, lo que origina problemas de conservación de la vía y del material rodante.

DURMIENTES O TRAVIESAS Las traviesas tienen por función mantener la separación de los rieles (arriostramiento) y transmitir los esfuerzos que reciben de los rieles al balasto.



FUNCIONES BALASTOEl balasto tiene por función transmitir y repartir sobre la plataforma, lo más uniformemente posible las cargas de los trenes y evacuar lo más rápidamente posible las aguas de lluvia del asiento de las traviesas. Además será también función del balasto la de arriostrar las traviesas por rozamiento para evitar el desplazamiento de la vía, constituir con ellas un lecho elástico y permitir la evaporación del agua de la plataforma por capilaridad.





RielesTercer riel

VÍAS PARA RUEDAS DE ACERO

ELEMENTOS VÍAS RODADO RUEDAS DE ACERO

•Rieles•Aisladores•Tercer riel•Aparatos de vía•Cerrojos de agujas:

•Cerrojo Axial.•Cerrojo individual

ALIMENTACION ELECTRICA POR TERCER RIEL

FROTADOR A TERCER RIEL, EL TERCER RIEL ESTA DEL OTRO

LADO DEL TREN

LINEA 4, RODADO RUEDAS DE ACERO, TUNEL DE TRES VIAS, VIA PRINCIPAL Y VIA DE ENLACE A TALLERES PUENTE ALTO

VÍAS RODADO SOBRE NEUMÁTICOS

• PROPORCIONAR LA SUPERFICIE DE RODADO DONDE SE SUSTENTAN LAS RUEDAS DE LOS TRENES.

• PROPORCIONAR LOS PLANOS VERTICALES DE APOYO DONDE RUEDAN LOS NEUMÁTICOS GUÍA DE LOS TRENES (FUNCIÓN GUIADO).

• MATERIALIZAR LOS MECANISMOS QUE PERMITEN A LOS TRENES CAMBIAR DE UNA VÍA A OTRA. (COMUNICACIONES, DESVÍOS).

• PROPORCIONAR LOS MEDIOS PARA LA CONDUCCIÓN ELÉCTRICA DE• BARRAS GUIAS PARA ALIMENTACION 750 V.• RETORNO DE LA CORRIENTE DE TRACCIÓN, EN 750 VCC.• LAS CORRIENTES DE SEÑALIZACIÓN.• LA CORRIENTE DE TELEFONÍA DE TRENES.

APARATO DE VIAS METRO SOBRE NEUMATICOS

Cargas que debe soportar cada parte de la vía.



Contacto entre:

Area de contacto

(cm2)

Carga (kg/cm2)

Contacto rueda-riel

3

3.333

Contacto riel-placa apoyo

200

50

Contacto placa de apoyo-durmiente

500

20

Contacto durmiente-balasto

2.000

5

Contacto balasto-plataforma

10.000

1

Tensión alimentación: -Ferrocarriles chilenos: 3.000 Vcc.

-Metro : 750 Vcc.


TROCHA (ANCHO DE LA VIA) Al ancho de la vía se le denomina trocha y es la distancia medida entre las caras interiores de los rieles de uno y otro lado de la vía. Se mide en un plano situado a 15 mm. por debajo del plano de rodadura. El Ancho de la vía internacional adoptado por la mayoría de los países en la Conferencia de Berna de 1907 y constituye el 61,5% de las líneas del mundo, tiene un valor de 4’ 8,5”, equivalente a 1.435 mm. Este valor es el mínimo en alineación recta. En curva debido al problema de la inscripción de los vehículos, en especial de los vehículos dotados de ejes motores, se da un sobreancho en función del radio de la curva, siendo el máximo de 1.470 mm. El valor entre ejes de los rieles es aproximadamente 1.500 mm. El Metro de Santiago utiliza esta trocha de 1.435 mm, en cambio los Ferrocarriles en Chile tienen una trocha de 1.676 mm. y en el Norte de Chile la trocha es 1.000 mm.



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