Escalar montañas


Extracto de la revista “ABB Review 4/16”

Eficiencia que escala montañas; reducción del consumo energético de los trenes Allegra.

Los ferrocarriles son una de las formas de transporte más eficientes, pero se puede mejorar aún más. Proyecto en los trenes Allegra de RhB (Rhaetische Bahn) de Suiza.

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Un tren Allegra en el ferrocarril de Albula, Patrinomio de la Humanidad de la UNESCO.

La red ferroviaria de RhB (Rhaetische Bahn) cubre 384 km por los Alpes del suroeste de Suiza. El ferrocarril tiene parada en lugares tan turísticos como Davos, Klosters y Saint Moritz, y transporta unos 10 millones de pasajeros al año. Algunas partes del recorrido, con imprensionantes secuencias de túneles zigzagueantes y elegantes viaductos, han sido declaradas Patrimonio de la Humanidad de la UNESCO. Además de fomentar el turismo, el sistema de RhB garantiza el tráfico local y transporta mercancías durante todo el año. En algunos lugares, en los que las carreteras suelen cerrarse por las nevadas, el ferrocarril es el único medio de transporte viable.

En 2010 Rhb empezó a modernizar su flota introduciendo una nueva familia de trenes de varias unidades de la marca Allegra. estos 20 trenes, suministrados por Stadler, incorporaban material eléctrico compacto de ABB, incluidos convertidores y transformadores de tracción. Las unidades Allegra se diseñaron para cumplir requisitos muy estrictos, impuestos tanto por la cerradas curvas, las pronunciadas pendientes y las complicadas condiciones climaticas de la red de RhB como por los largos y pesados trenes que deben arrastrar.

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RhB presta servicio durante todo el año.

Como suele ocurrir en el mundo de la ingeniería, los requisitos de potencia se concibieron para cumplir las condiciones operativas más duras. La demanda máxima de potencia de tracción se produce cuando un tren pesado debe ascender una pendiente. Pero la mayor parte del tiempo, las unidades trabajan en condiciones menos duras (cargas más ligeras, terreno llano). La eficiencia en estas condiciones puede ser subóptima. Se lanzó un proyecto para investigar e implementar formas de mejorar la eficiencia energética global.

Motores

La potencia entregada por los motores de tracción es el producto del flujo magnético y la corriente generadora de par del estator. Ambos factores contribuyen a las pérdidas. Dado que las pérdidas dependientes de la corriente dominan en las aplicaciones de alta potencia, el motor suele trabajar al flujo máximo y la corriente se utiliza para controlar la potencia. Pero en aplicaciones de potencia más baja puede ser más eficaz operar a un flujo menor. Cada pareja de valores de velocidad/par tiene un dependiente óptimo en los parámetros del motor.

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Enlace de CC

Normalmente para variar la potencia de un convertidor de tracción, la tensión de enlace de CC se mantiene lo más constante posible y se modifica la tensión de salida. Como la tensión total del enlace de CC solo es necesaria a máxima potencia, es aceptable que esta tensión baje cuando se opera a menor potencia. Se identificaron los valores óptimos para distintos escenarios, incluida la potencia, el esfuerzo de tracción y las variaciones en la tensión de la catenaria. Estos cálculos no tienen en cuenta el convertidor aislado, sino las pérdidas en el transformador y los motores resultantes de los patrones de conmutación del convertidor.

Desconexión de los motores de tracción

Cuando un tren tiene que operar a alta potencia, se necesitan todos los motores de tracción. Pero cuando hace falta menos potencia, es más eficaz usar menos motores (y los inversores asociados) de forma selectiva y desconectar el resto.

Con tantas curvas es preciso mantener el buen comportamiento dinámico de la unidad, por lo que los dos ejes de un bogie siempre deben ejercer las mimas fuerzas de tracción o de frenado. Por lo tanto, la optimización del control se implementa por bogie, no por eje.

Implementación

La implementación del software afectaba tanto al sistema de control del vehículo como al PEC (controlador electrónico de potencia, por sus siglas en inglés) que controla bogies individuales y los convertidores de tracción asociados.

Además de mejorar el aprovechamiento de la energía de tracción, se tuvieron en cuenta los efectos sobre la adherencia, que se optimizaron debidamente.

Electrificación CC

La mayor parte del sistema de RhB está electrificado a 11 kv / 16,7 Hz. Pero la línea de 62 kms de Saint Moritz a Tirano (línea  Bernina) está electrificada a 1.000 V CC. Aunque algunas unidades Allegra están diseñadas para operar solo en líneas de CA, otras están equipadas para tensión doble. Las medidas descritas en este artículo son, en general, para el modo CA. Las mejoras conseguidas en el modo CC son más modestas. En el modo CC, la tensión del enlace de CC no se puede optimizar del modo descrito, ya que se alimenta directamente de la catenarias.

Los cálculos demuestran que una conversión de esta sección a CC no mejoraría  del balance energético. Las pendientes más pronunciadas de la línea Bernina (hasta un 7%) obligan a las unidades a funcionar a potencia máxima, y dejan menos margen para la optimización.

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Ahorro

Los cambios de software se implementaron y probaron entre septiembre de 2014 y septiembre de 2015.

Las modificaciones del software han generado un ahorro energético de 950 MW/h al año para el conjunto de las 20 unidades. Esto supone alrededor del 2% del consumo de electricidad total de RhB. Una señal tangible de que las medidas están generando mayor eficiencia es la reducción de la temperatura del motor en funcionamiento.

Además de la electricidad ahorrada, las condiciones operativas más favorables para los componentes y los materiales, incluidos los convertidores, los motores, los semiconductores y el aislamiento, deben prolongar sus vidas operativas y su fiabilidad.

 

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