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29 de diciembre de 2016 | por: Equipo Comunicación | 0 comentarios

Tracción ferroviaria: un sistema clave en el material rodante

A lo largo de la historia del ferrocarril se han utilizado diferentes tipos de tracción:

  • Tracción animal
  • De vapor
  • Tracción Diesel
  • Tracción eléctrica

El orden utilizado no es casual y se puede decir que el uso de las diferentes tecnologías de generación de potencia en el sector ferroviario, ha sido una aplicación lógica en el momento en que la madurez de dicha tecnología era la adecuada.

La tracción animal, es la más “primitiva” de todas ellas y fue utilizada en los comienzos del transporte ferroviario (siglo XIX) y no posee ningún tipo de interés, salvo el meramente histórico o anecdótico.

Historia de la tracción ferroviaria

Tracción animal

La tracción con vapor, utilizada después de la Revolución Industrial, fue un resultado directo de la “madurez” de este tipo de generación de energía en las industrias de la época. Desde el siglo XIX hasta mediados del siglo XX fue utilizada este tipo de tracción. Hombres claves en el desarrollo y perfeccionamiento de este motor, fueron Richard Trevithick y sobre todo el inglés George Stephenson quien junto con su hijo Robert, marcaron un hito en la historia del ferrocarril.

Historia de la tracción ferroviaria

Locomotora de George Stephenson 1825: Rocket

Una locomotora de vapor es una máquina que mediante la combustión de un elemento (carbón o  gasoil) en una caldera externa (motor térmico de combustión externa), calienta agua, y el vapor resultado de la ebullición de esta, genera presión y mueve pistones que impulsan las ruedas mediante un juego de bielas. Utiliza el llamado Ciclo Rankine.

Historia de la tracción ferroviaria

Diagrama del Ciclo Rankine simple con sobrecalentamiento: . Fuente: Kenneth Wark y Donald Richards, “Termodinámica”, sexta edición

 

La tracción diésel: Las locomotoras de tracción diésel son aquellas que en su interior poseen un motor de combustión interna (motor térmico), tipo diésel.

Este motor fue diseñado por el Ingeniero Alemán Rudolf Diesel en 1893. Se trata de un motor térmico de combustión interna (a diferencia del motor de vapor que es de combustión externa)  con encendido por compresión (MEC) y que puede funcionar con 2T y con 4T.

La diferencia fundamental con el de explosión, es que carece de bujías y en su lugar lleva unos inyectores de combustible. 

El funcionamiento de un motor diésel 4T de inyección directa (ID) es el siguiente:

Admisión: el pistón desciende desde el punto máximo de carrera arrastrado por el cigüeñal, el cilindro se llena sólo de aire a través de la válvula de admisión. Cuando el pistón llega al punto mínimo de carrera termina la 1º carrera, el cigüeñal ha girado 180º y la válvula de admisión se cierra.

Compresión: el pistón asciende desde el punto mínimo al punto máximo arrastrado por el movimiento de cigüeñal, el aire se comprime en el interior del cilindro y alcanza una gran presión y elevada temperatura. Cuando el pistón llega al PMS se inyecta el combustible este al entrar en contacto con el aire caliente se autoinflama y se produce la combustión, el cigüeñal gira 180º y se termina la 2º carrera.

Expansión: el pistón es bruscamente empujado hacia el punto mínimo por el efecto de la presión, el pistón arrastra al cigüeñal, realizándose trabajo útil. El cigüeñal gira 180º y concluye la 3º carrera.

Escape: el pistón se desplaza desde el punto mínimo hasta el punto máximo arrastrado por el movimiento de cigüeñal, la válvula de escape se abre y salen los gases quemados, al llegar la PMS concluye la 4ºcarrera, y el cigüeñal gira otros 180º, y comienza un nueva ciclo.

Historia de la tracción ferroviaria

Existen tres tipos de tracción diésel:

– Diésel-hidráulica: uno o varios motores diésel accionan los ejes. La transmisión es generalmente por turbinas hidráulicas.

– Diésel-eléctrica: un motor diésel mueve un generador eléctrico que, directamente o mediante un rectificador alimenta el o los convertidores y el o los motores eléctricos de tracción. A estos últimos se les denomina generalmente motores de tracción para diferenciarlos del motor diésel del generador eléctrico. La mayoría de las locomotoras pesadas diésel desde los años 1960 son diésel-eléctricas.

– Dual, híbrida, o eléctrico-diésel: existen dos fuentes alternativas de energía: (1) corriente eléctrica externa o (2) un motor diésel que actúa como grupo electrógeno. La tracción dual puede considerarse como una tracción diésel-eléctrica en la que en tramos electrificados se puede prescindir del grupo electrógeno diésel. La disminución del peso de los equipos de tracción debido a los avances en la electrónica de potencia y de los motores, permite cada vez más abordar esta alternativa, especialmente interesante para redes parcialmente electrificadas y para tráficos en terminales de mercancías. Varios fabricantes importantes como Bombardier y Siemens utilizan los términos tracción dual y tracción híbrida como sinónimos.

Un punto importante en el diseño de la cadena de tracción diésel es la transmisión, cuyo objetivo es adecuar la curva del motor a las necesidades de tracción.

Existen tres tipos de transmisión:

Mecánica: similar a la caja de cambios de automoción. Se utilizaba en los antiguos automotores térmicos cuya potencia era muy reducida, y también en algunos trenes diésel actuales.

Hidráulica: se compone de acoplamientos y convertidores de par hidráulicos. Se utiliza actualmente en la mayoría de los trenes diésel, con potencias medias. Una variante poco utilizada ha sido la transmisión hidromecánica.

– Eléctrica:  que puede ser Continua/Continua (DC/DC),Trifásica/Continua (AC/DC), o Trifásica/ Trifásica (AC/AC)

La Tracción Eléctrica. La fuente de energía eléctrica es externa (catenaria, tercer carril) y alimenta directamente o mediante transformadores o convertidores (los más recientes con tecnología IGBT) a los motores de tracción eléctricos.

Respecto a los motores que suelen utilizarse, la tracción eléctrica puede dividirse en:

Con respecto al tipo de corriente que utilizan, se pueden distinguir en:

• Motores eléctricos de corriente continua

• Motores eléctricos de corriente alterna (asíncronos).

Actualmente se han desarrollado los motores síncronos de imanes permanentes, cuya aplicación más conocida es en el tren AGV de Alstom.

Centrándonos en la cadena de tracción para sistemas de corriente alterna, está compuesta de:

1. Pantógrafo

2. Disyuntor

3. Convertidores

4. Transformador

5. Resistencias de freno

6. Motores

Historia de la tracción ferroviaria

Pantógrafo

Es el elemento de captación de corriente y el que debe estar en contacto con la catenaria en todo momento. Cualquier tipo de despegue o contacto nulo es perjudicial para el rendimiento del sistema.

Geométricamente debe ser adaptado, como elemento exterior y en interrelación con la infraestructura, al gálibo definido en la red.

Suelen montarse dos pantógrafos, por redundancia del sistema y aseguramiento de la fiabilidad acordada

Disyuntor

Único elemento que permite la apertura en carga.

Disyuntor

Transformador

Es el encargado de transformar la tensión de 25 kV (también hay de 15kV a 16.7Hz) a la tensión de trabajo de los motores ( un tren tipo alta velocidad, la tensión del motor fase-fase, suele ser de unos 2200 V).

Convertidor

Los motores asíncronos son sencillos, de bajo mantenimiento y con gran relación potencia / peso, por lo que su uso es recomendable para grandes potencias y trabajo intensivo.

Sin embargo, el motor asíncrono, por sus curvas par-velocidad, no es adecuado para la tracción ferroviaria por sí solo.

En tracción ferroviaria es imprescindible que los motores asíncronos estén alimentados por un convertidor que varíe la tensión y sobre todo la frecuencia de alimentación para aprovechar todas las prestaciones de los motores asíncronos y disfrutar de sus ventajas.

El convertidor tiene parametrizadas las curvas del motor asíncrono que tiene instalado, de tal modo que siempre le hace trabajar en la zona estable.

El convertidor recibe la orden de que esfuerzo de tracción necesario y ajusta la frecuencia y tensión adecuada, según la velocidad, para dar el esfuerzo de tracción requerido.

El convertidor informa del esfuerzo generado a la electrónica del vehículo.

Autor: Emilio García, profesor del Máster en Infraestructuras Ferroviarias

Máster en Infraestructuras Ferroviarias

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