Los convertidores IGBT prolongan la vida de las locomotoras Re460


Extracto revista ABB 01/2017.

Locomotora Re460 del SBB

La red de los ferrocarriles suizos es famosa en el mundo entero. Admirada por su densidad y por la puntualidad y frecuencia del servicio, la red atiende a más de un millón de pasajeros al día. Para seguir contribuyendo al éxito de la red y prepararla para las necesidades del futuro, se lanzó el ambicioso programa “Rail 2000” a finales de los 1980. El proyecto pretende añadir capacidad y reducir los tiempos de viaje. Una parte central del plan fue la introducción de la locomotora Re460. Entre 1992 y 1996 entraron en servicio 118 unidades de este tipo. Estaban equipadas con convertidores GTO (tiristor de desactivación de puerta) y motores de tracción asíncronos y representaban lo más avanzado en su tiempo.

Más de 20 años después, la Re460 sigue prestando un excelente servicio. Cubre cerca de la mitad de todos los kilómetros que recorren los trenes de la SBB para servicios de pasajeros. Cada una de las locomotoras ha cubierto por término medio 5.5 millones de km a lo largo de su vida. Aunque las Re460 tienen una construcción robusta y están diseñadas para una larga vida, la electrónica de potencia ha hecho enormes progresos en los últimos decenios. Por ejemplo, los GTO han sido ampliamente sustituidos por IGBT (transistores bipolares de puerta integrada) en aplicaciones de tracción. SBB decidió embarcarse en un programa de remodelación de media vida que actualizará las locomotoras. La revisión, que incluye una optimización de los sistemas electrónicos completos, asegurará una vida útil de al menos 20 años al tiempo que también mejora el rendimiento energético y el mantenimiento. Se espera que las mejoras aporten unos ahorros de unos 27 GWh/año, correspondiente al consumo de 6.750 hogares suizos.

En 2008 ABB sustituyó con éxito las cadenas de tracción basadas en GTO de la flota ICE 1 de trenes de alta velocidad de los Ferrocarriles Federales Alemanes (Deutsche Bahn), empleando convertidores IGBT. ABB consiguió en 2014 un pedido del SBB por unos 70 millones de francos suizos para suministrar la última generación de convertidores de tracción para la flota de Re460. El objetivo era proporcionar mayor rendimiento energético, mayor fiabilidad y un mantenimiento más fácil.

Especificaciones de la modernización

SBB requirió que las locomotoras de la remodelación cumplieran un conjunto de especificaciones exigente. Éstas se definieron, por ejemplo, con el exigente pergil de gradiente de la línea suburbana de Zúrich y las condiciones ambientales del Túnel de Base del San Gotardo (ninguna de estas líneas existían cuando se entregaron las locomotoras Re460 por primera vez). La línea suburbana requería un concepto redundante: los gradientes elevados en este corredor de alta capacidad imponen un riesgo crítico ya que un tren que fallara allí tendría repercusiones para todo el sistema. La remodelación permite aislar un motor de tracción que falle, pudiendo el tren continuar su viaje empleando los tren motores restantes. En el nuevo Túnel Base del San Gotardo, el calor y la humedad han impuesto dificultades específicas además de las normas de seguridad contra incendios.

Solución técnica

El diagnóstico de las locomotoras mostró que los motores de tracción, los transformadores y los sistemas de control de los vehículos estaban en buen estado. Por tanto se conservaron estos elementos, definiendo sus parámetros el diseño de los nuevos convertidores de tracción. También determinan que se debe conservar la tensión de 3.5 kV del enlace de CC.

Se consideraron dos posibles topologías de convertidor, ambas con IGBT. La primera variante correspondía a una topología de nivel dos, de 6.5 kV nominales. La segunda era una topología de nivel tres en la que los niveles superior e inferior transportan la mitad de la tensión total del enlace con relación al nivel central. Esta es la tecnología preferida por ABB para remodelar las locomotoras con los convertidores de tracción basados en IGBT y fue elegida para su uso en las Re460.

La topología de nivel tres de traduce en una circulación de corriente de tracción que refleja más aproximadamente la deseada forma de onda sinusoidal. El sistema original GTO incorporaba asimismo una topología de tres puntos. El bajo nivel de armónicos resultante influía en el diseño de los motores de tracción y el transformador. Conseguir el mismo nivel de armónicos con una topología de dos puntos exigía una alta frecuencia de conmutación. Esto implica mayores pérdidas por conmutación y mayor solicitación de los materiales aislantes. Además de las ventajas eléctricas y energéticas, la solución adoptada presenta bajas emisiones acústicas.

La adopción de una topología de nivel tres evita asimismo la necesidad de conectar IGBT en paralelo. En concreto, el convertidor del lado de la red (hay un convertidor de ese tipo para cada uno de los bogies) está compuesto por un total de cuatro unidades fase-módulo. Los dos convertidores del lado del motor tienen tres cada uno de ellos. No se precisa la correspondencia de los módulos IGBT, necesaria en la conexión en paralelo.

Topología de conmutación y formas de onda de los convetidores IGBT de niveles dos y tres.

Circuitos eléctricos y construcción mecánica

Encluyendo el uso de tecnología IGBT, la topología del circuito eléctrico es en gran modo idéntica a la del original. Los módulos de fase IGBT refrigerados por agua se basan en la plataforma de convertidor de tracción BORDLINE de ABB. Los módulos de fase empleados en el convertidor del lado de la red son idénticos a los del lado del motor. El tipo se había también usado en otros proyectos de remodelación incluyendo el ICE1 alemán.

El transformador tiene cuatro bobinas en el lado del secundario, dos de las cuales se conectan con cada unos de los dos convertidores correspondientes. Cada bobina conecta con una unidad rectificadora, que se saca energía del transformador pero que asimismo puede devolverla a la red cuando la locomotora frena.

La tensión del lado de CC de los convertidores se conecta con los condensadores de conexión a CC que la suavizan con ayuda de un circuito resonante ajustado a 33.4 Hz. Este paso es necesario porque la red monofásica de 16.7 Hz del ferrocarril no suministra energía eléctrica continuamente. La energía eléctrica es suministrada a los convertidores del lado del motor en pulsos al doble de la frecuencia de la red.

La tensión de enlace de CC es rectificada a la trifásica de CA por el convertidor de nivel tres del lado del motor, creando las formas de onda de tensión precisas para controlar la velocidad y el par. Cada unos de los dos convertidores de tracción alimenta los dos motores de un bogie en conexión en paralelo. Los nuevos medios de separación del motor permiten que uno que haya sufrido una avería pueda ser desconectado.

Convertidor IGBT con módulo-fase de nivel tres del tipo empleado para la remodelación de la Re460.

Estructura mecánica

Los nuevos convertidores IGBT compactos están refrigerados por agua. El sistema anterior de circulación de aceite está siendo sustituido por un sistema refrigerado por agua. El nuevo sistema reduce el consumo de energía además de ser ecológico y seguro.

El nuevo equipo de refrigeración es más ligero y requiere menos espacio, dejando sitio libre para otros componentes o para futuras remodelaciones. Se utiliza lastre para compensar la desventaja del menor peso en la adherencia en la tracción.

Esquema del circuito convertidor.

Tecnología de control

El nuevo convertidor emplea la plataforma de control AC800 PEC de ACC, uno de los sistemas de control más potentes disponibles. En términos de unos interfases, MVB (bus multifuncional para vehículos) es idéntico al que viene a sustituir. Las adaptaciones funcionales son mínimas (uno de los pocos cambios es el apoyo para la desconexión, anteriormente descrita, de los motores de tracción individual).

No obstante, internamente el PEC ofrece potentes capacidades de cálculo. Se utilizan para ofrecer funciones avanzadas de control para el comportamiento dinámico de los motores de tracción y el uso de la energía.

Se creó el software de control empleando Matlab Simulink, apoyando una aplicación eficiente e intuituva al tiempo que se facilitaba cualquier adaptación funcional futura en las locomotoras.

Pruebas

Se llevaron a cabo amplias pruebas y mediciones en los laboratorios de ABB en Turgi, Suiza. Con ellas se obtuvo una simulación precisa de las condiciones operativas y se verificó la configuración de diseño al tiempo que se aseguraba la compatibilidad con los componentes existentes.

Puesto que los motores de tracción actuales se han desarrollado para corresponderse con los convertidores GTO originales de las locomotoras, los nuevos convertidores IGBT tienen que probarse con dichos motores. La compatibilidad de la nueva tensión de salida con el aislamiento existente en el motor es crítica. La topología de tres puntos genera una configuración de armónicos similar a los convertidores originales y por lo tanto no presenta problemas. Se llevaron a cabo evaluaciones en el laboratorio de pruebas de ABB para asegurar que no se producían sobretensiones como consecuencia de la pendiente mayor de la tensión de conmutación de los IGBT. Estas pruebas se llevaron a cabo con éxito. Los primeros dos convertidores se instalaron con éxito en una locomotora Re460 en los talleres de SBB en Yverdon-les-Bains. Esta locomotora se está probando actualmente en las líneas de ferrocarril de SBB. Las pruebas continuarán durante un año. Un total de 202 convertidores de IGBT refrigerados por agua, con una opción de 38 unidades más, será suministrado por ABB y montados por SBB. El programa de remodelación concluirá en 2022.

Estator de una locomotora Re460 en el dinamómetro del laboratorio de ABB en Turgi, sometido a pruebas para determinar la tensión en la bobina durante las operaciones de conmutación.

Listos para el futuro

Los sistemas de accionamiento del tren de CA de nivel tres presentados hace más de 25 años continúan demostrando su eficiencia energética y sus costes de mantenimiento mínimos. Como la propia Re460, estos sistemas reflejan una elocuencia de diseño básica y permanecen en buen estado mecánico, suficiente para seguir funcionando durante otros 20 años. Sin embargo, en caso de no abordarse, las dificultades técnicas asociadas con convertidores anticuados, los mayores tiempos de inmovilización, los mayores costes de mantenimiento y las dificultades para conseguir piezas de repuesto amenazan con afectar negativamente a su funcionamiento. La sustitución completa de los convertidores GTO empleando los nuevos convertidores de tracción basados en IGBT es una forma eficiente y económica de ampliar la vida operativa de estas locomotoras. La tecnología IGBT eleva el sistema a la de un material rodante moderno por lo que se refiere a eficiencia energética, la regulación de la potencia de tracción y la facilidad de mantenimiento.

Anuncios

Acerca de franerandio

No dejo de aprender día a día.
Esta entrada fue publicada en Locomotoras eléctricas, Revista ABB y etiquetada , , , , . Guarda el enlace permanente.

Una respuesta a Los convertidores IGBT prolongan la vida de las locomotoras Re460

  1. Antonio dijo:

    Gran página, muy interesante.

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s