Apuntes control de tracción eléctrica (II)

A principios de los 70, ABB Tracción apostó por la tecnología trifásica de corriente alterna (AC), frente a la convencional o chopper de corriente continua (DC), llegando a ser a día de hoy la única tecnología aplicada en la gran mayoría de vehículos de nueva construcción.

El coeficiente de fricción entre rueda y carril en condiciones de vía en buenas condiciones, limpia y seca se sitúa entre un 40% y un 45%, para cualquier tipo de vehículo ferroviario sobre carriles. La característica de adherencia que presenta una unidad o locomotora, depende de la capacidad del equipo de tracción y su control de convertir el coeficiente de fricción rueda carril disponible en utilizable en cada momento. Esta capacidad de adhesión rueda carril disponible, varía drásticamente entre las distintas unidades en función del equipo de tracción y control que incorporen, llegando a pasar de entre el 18% y el 20% de las primeras unidades con control y equipo de tracción DC sin sistema antipatinaje hasta valores de entre el 37% y el 40% en unidades dotados de cadena de tracción trifásica controlados por microprocesador. Existen tres razones fundamentales por los que las cadenas de tracción trifásicas ofrecen valores tan altos de adherencia:

• Si en una cadena de tracción DC estándar ocurre un patinaje, existe la tendencia del motor de corriente continua con excitación serie a embalarse, debido a la reducción de corriente y flujo que sufre, llegando incluso a velocidades de rotura mecánica, si no se reduce la carga o esfuerzo rápidamente. Esto es debido a que durante este proceso de patinaje en rueda, la velocidad de la misma se incrementa rápidamente, el coeficiente de fricción cae drásticamente a valores inferiores al 10% y como los motores están conectados entre sí, la única opción de corregir es la reducción de esfuerzo. La máxima adherencia se consigue operando con unos márgenes de seguridad en adherencia considerables muy por debajo de los valores teóricos posibles. Por esta razón, los valores de adherencia máximos disponibles, dados por las normas como la UIC parecen tan conservadores hoy en día.

• Los sistemas de corriente alterna AC, operan de un modo muy distinto, con resultados mucho mejores. La velocidad de la máquina asíncrona viene impuesta por la frecuencia que el control establece en el convertidor de tracción (velocidad de sincronismo) menos el pequeño deslizamiento del entorno del 2% que ésta precisa para dar par. Como la máquina asíncrona, funcionando como motor, en ningún caso puede exceder la velocidad de sincronismo impuesto desde el convertidor, cualquier patinaje que se produzca es mínimo (del valor del deslizamiento). Además se detecta muy rápidamente y se realiza una corrección casi instantánea. Las cadenas de tracción de corriente continua (DC) típicamente operan con un número de muescas en el combinador de mando que imponen una serie de modos y puntos de funcionamiento que corresponden a unos determinados niveles de potencia para cada uno. Este sistema que es sencillo y efectivo a la hora de operar, no produce un par constante del motor de tracción, dado que la potencia es el producto de par por velocidad. El esfuerzo de tracción varía significativamente para cada uno de las posiciones del combinador de mando, o puntos de potencia, dependiendo de la velocidad, haciendo imposible obtener la máxima adherencia. Los equipos de tracción de corriente alterna (AC) pueden controlar el par de motor a un nivel concreto establecido por el control, permitiendo que el esfuerzo de tracción en rueda sea prácticamente constante, obteniendo unos rangos de adherencia los más elevados posibles.

• La tercera razón por la cual los equipos de tracción de corriente alterna (AC) proveen mejoras en la adherencia, sobre todo en las locomotoras y cabezas tractoras, es a través de la compensación de transferencia de peso entre bogies. Cuando una locomotora está arrastrando una carga, el peso tiende a transferirse desde los ejes del bogie delantero hacia los ejes del bogie trasero, debido al momento que ejercen los motores de tracción sobre el total de la estructura del bastidor. Cuando se alcanzan los valores máximos del esfuerzo de tracción, el peso en el bogie delantero puede ser reducido sobre un 20%. El esfuerzo de tracción aplicable, es proporcional al peso adherente disponible en las maquinas, luego en un sistema DC donde los motores son alimentados por una fuente común, el esfuerzo de tracción será limitado por la capacidad de adhesión del bogie más ligero. El peso equivalente de la locomotora es reducido en más o menos un 20%. La combinación de la eliminación del patinaje en rueda junto con la compensación de la transferencia de peso provee al sistema AC de tracción, una adherencia de entre el 37% y el 39% contra el 18% al 20% del viejo sistema DC. Las cadenas de tracción AC pueden garantizar el mismo esfuerzo tractor que las cadenas DC con la mitad de peso adherente o dicho de otro modo con la misma carga por eje, pueden ofrecer el doble de esfuerzo tractor.

El esfuerzo de freno disponible en llanta de las unidades, también es función de la adherencia disponible. El freno electrodinámico en locomotoras y unidades de tracción dotados de cadenas de tracción de alterna (AC) pueden garantizar el mismo esfuerzo de freno que las cadenas DC con la mitad de peso adherente o dicho de otro modo, con la misma carga por eje pueden ofrecer el doble de esfuerzo de frenada. Las cadenas de tracción AC permiten ir decelerando hasta velocidad 0 con freno electrodinámico, cosa que era imposible con las cadenas de tracción DC.

En el caso de de las cadenas de tracción en corriente continua (DC), se precisan una serie de contactores de potencia que maniobren para permitir cambiar el sentido de la corriente de excitación del motor de tracción DC, cada vez que la unidad deba frenar con freno electrodinámico, con la perdida de fiabilidad que ello supone. La energía recuperada en la frenada, habitualmente es disipada en las resistencias de freno, dado que el equipo de tracción DC, no puede imponer una tensión constante a lo largo de todo el proceso de frenada en Bornes de las máquinas. Las cadenas de tracción en corriente continua se desconectan o aíslan de la catenaria durante dicho proceso de frenado. En las cadenas de tracción trifásicas de corriente alterna, la energía cinética del tren es trasformada en energía eléctrica a través de los motores de tracción y el convertidor asociado a los mismos, sin la necesidad de ningún dispositivo electromecánico que maniobre. Con solo modificar la consigna de frecuencia y par impuestas a las máquina de tracción en el control del convertidor de tracción, el equipo cambia el signo de la potencia y comienza a frenar. El tren tiene la capacidad de devolver toda la energía regenerada durante el frenado a catenaria si la catenaria pueden absorber dicha energía. En una unidad de tren dotado de una cadena de tracción de corriente alterna trifásica, aproximadamente el 66% de la energía de tracción es regenerada en la frenada, en forma de energía devuelta a la red. La recuperación de la energía de frenado y su reutilización por otras unidades, supone una significativa mejora del rendimiento energético de los trenes dotados de sistemas de tracción de corriente alterna (AC).

En cuanto a la Fiabilidad, Disponibilidad, Mantenibilidad, Seguridad y costes del ciclo de vida en los vehículos ferroviarios dotados de cadenas de tracción de corriente alterna trifásica (AC), la ventaja es considerable frente a los vehículos dotados de cadenas de tracción de corriente continua (DC). Las cadenas AC ofrecen:

• Mayores índices de fiabilidad dado que los sistemas AC tienen muchos menos componentes electromecánicos, carecen de árbol de levas, motores con dispositivos de conmutación mecánicos, etc., cuya fiabilidad es muy inferior a los componentes de estado sólido utilizados en tecnologías de corriente alterna.
• Mayores índices de disponibilidad de unidades puesto que el mantenimiento es más simple y la reparación de averías es mucho más rápido debido a los sistemas de diagnostico que disponen y que apoyan y centran al mantenedor de un modo eficaz.
• Menores costes de mano de obra de mantenimiento y piezas de parque dado que desaparecen la mayoría de contactores, árboles de levas motores con colector y dispositivos de conmutación mecánica, etc., frente a los motores asíncronos que apenas tienen más mantenimiento que un engrasado de rodamiento cada 500.000 o 1.000.000 de kilómetros.
• Mayor seguridad.

Las cadenas de tracción de corriente alterna (AC) pueden mantener altas prestaciones en largos periodos de tiempo a bajas velocidades, mientras que las cadenas de tracción DC se recalientan seriamente si operan largos periodos de tiempo a baja velocidad. Las cadenas de tracción DC pueden trabajar en régimen continuo a partir de velocidades de entorno a 20km/h y las DC prácticamente desde 0 km/h.

El hecho es que los sistema AC de tracción eliminan en gran medida la posibilidad de producirse patinajes en rueda, junto con la compensación de la transferencia de peso, que los controles de dicha tecnología realizan entre los ejes delanteros y traseros, se provee a los vehículos con adherencias rueda-carril de entre el 37% y el 39% contra el 18% al 20% de los vehículos dotados con el viejo sistema de tracción DC. Los vehículos dotados de tracción AC son más ligeros que los vehículos dotados de tracción DC, para dar las mismas prestaciones, hace que en la vida útil de 30 años, se ahorren cantidades de energía enormes, por el simple hecho de no consumir en acelerar y decelerar masas adicionales, incrementando y incrementando su energía cinética inútilmente.

Los vehículos dotados de cadenas de tracción de corriente continua, raras veces son capaces de devolver la energía cinética que recuperan en la frenada a catenaria, esta tecnología queda en clara desventaja frente a la trifásica de corriente alterna.

Existe una clara supremacía de los sistemas de tracción trifásico de corriente alterna frente a los sistemas de tracción de corriente continua convencionales. Se han analizado los rendimientos de los distintos motores de tracción de corriente alterna (síncrona convencional, asíncrona de jaula de ardilla y síncrona de imanes permanentes) entre sí y frente a la tradicional máquina de corriente continua en función de las potencia en eje. Por otro lado se analizan también los rendimientos del transformador principal de los equipos alimentados con catenarias en alterna, tanto para 15 kV 16 2/3 Hz así como las catenarias de 25 kV 50 Hz, realizando una comparativa.

Las máquinas de corriente continua, en cuanto a principio de funcionamiento y control, son simples y de alta fiabilidad. Ofrecen muy altos pares de arranque, sobre todo en la topología en la que la excitación de la máquina se conecta en serie con el inducido (habitualmente utilizada en tracción ferroviaria). Por otro lado y en los inicios de la tracción ferroviaria, se utilizó esta máquina, porque podía conectarse directamente a las catenarias de corriente continua y también en las de alterna, en combinaciones serie paralelo diversas, sin ninguna conversión ni transformación de energía adicional a la simple utilización de grupos de resistencia en serie entre los motores y la catenaria de modo que éstas limitasen su corriente máxima. Sus principales inconvenientes frente a otros tipos de máquinas destinadas a la tracción ferroviaria son las siguientes:

• Tienen un colector de delgas desnudas sobre las que conmutan las escobillas y sobre las que a menudo se producen flashes si mecánicamente no está todo muy bien ajustado: Exige mucho mantenimiento.
• Muy sensible a la polución y sobre todo al polvo de grafito que se acumula en los colectores, porta escobillas y zonas próximas a estas, facilitando la producción y conducción de la corriente durante los flashes.
• Máquinas muy pesadas y voluminosas, donde la relación potencia/peso y potencia/volumen es muy inferior que en las máquinas síncronas y asíncronas de corriente alterna.
• Muy sensibles a los calentamientos y sobrecargas temporales, que deforman los colectores degradando la calidad de la conmutación.
• Ante las pérdidas de adherencia entre rueda y carril, tienden a embalarse, provocando los flashes en colector e incluso llegando al deterioro mecánico por sobre-velocidad en colectores y delgas.
• Rotor bobinado y con salida a cada delga del colecto => Rotor costoso y complejo.
• Elevados costes de mantenimiento, debido en gran parte al desgaste de escobilla, reposición de éstas, requieren limpieza y rectificado de colectores periódicamente.
• Rendimientos inferiores frente a las máquinas síncrona y asíncrona. En cuanto a los rendimientos, estos valores oscilan entre el 90% y el 94%.

La máquina síncrona convencional permite avanzar con respecto a la máquina de corriente continua, porque por un lado es fácil de controlar, permite tener el control de la excitación por separado y por otro lado tiene un devanado estatórico trifásico de corriente alterna totalmente aislado, alimentado por un convertidor de tracción, cuyos algoritmos de control son relativamente simples. Esta máquina no tiene colector, aunque sigue teniendo dos anillos rozantes a través de los que se alimenta la bobina de excitación ubicada en el rotor, pero su problemática y mantenimiento es muy inferior al de la máquina de corriente continua. Por principio de funcionamiento intrínseco de la maquina, es imposible que su velocidad supere la velocidad de sincronismo impuesto por la frecuencia del convertidor de tracción. Sus principales inconvenientes frente a la maquina asíncrona son las siguientes:

• Sigue manteniendo unas escobillas y unos anillos rozantes, aunque su coste de mantenimiento es muy inferior al de la máquina de corriente continua.
• Sensible a la polución y humedad (aunque menos que la máquina de corriente continua).
• Máquinas pesadas y voluminosas, donde la relación potencia/peso y potencia/volumen es inferior que la de la máquina asíncrona.
• Sensibles a los calentamientos y sobrecargas temporales, sobre todo el rotor y los devanados de éste.
• Rotor bobinado con salida del devanado rotórico a los anillos rozantes.
• Costes de mantenimiento, inferiores a las de la máquina de corriente continua, pero mayores que la máquina asíncrona.
• Rendimientos inferiores que el de la maquina asíncrona. En cuanto a los rendimientos, estos valores oscilan entre el 92% y el 94%.

Los principales factores intrínsecos por los que en las aplicaciones ferroviarias actuales se está utilizando el motor asíncrono son las siguientes:

• La ausencia de colector o elementos de paso de corriente por contacto al rotor
  
• Insensibilidad frente a la polución, humedad etc. por carecer de elementos desnudos bajo tensión en el interior del motor.
  
• Mayor relación potencia/peso y potencia /volumen que otro tipo de motores.
  
• Posibilidad de mayores sobrecargas sin que ello suponga deterioros en la vida útil de la maquina.
  
• Alta fiabilidad de funcionamiento.
  
• Diseño adecuado para soportar los armónicos producidos por los convertidores de tracción.
  
• Gran robustez mecánica para las más altas solicitaciones requeridas.
  
• Alta capacidad térmica para soportar los ciclos de trabajo especificados con amplio margen para operación en emergencia.
  
• Construcción compacta protegida de las condiciones ambientales.
  
• Ruido mínimo conseguido por un diseño adecuado de los circuitos magnético y de refrigeración.
• Mínimo mantenimiento.
• Mayor rendimiento que la máquina de corriente continua o la máquina síncrona convencional.

El factor determinante que ha posibilitado utilizar la máquina asíncrona como tracción de las cadenas de corriente alterna trifásica, ha sido el gran avance de la microelectrónica y la posibilidad de disponer de Procesadores de Señal Digitales (DSP) que pudiesen controlar los principales variables de la máquina en tiempo real. Para ello se han implantado algoritmos de control, con estrategias matemáticas que permiten independizar las corrientes que generan el par y el flujo entre sí y también el resto de parámetros de la máquina que son función de la posición angular de ésta, haciendo que no dependan de la rotación angular. Obviamente se trata de un control más complejo que el de las máquinas de corriente continua e incluso que el de las máquinas síncronas convencionales con excitación en rotor bobinado. Pero debido a la gran capacidad de procesamiento de los DSPs y astucias matemáticas, hoy en día es posible beneficiarse de las bondades de la máquina asíncrona y su excelente rendimiento en las cadenas de tracción trifásica. Estos valores oscilan entre el 93% y el 95%. La combinación con un control optimizado permite un control de par lineal y uniforme con un control de patinaje y deslizamiento óptimos.

Se está observando que incluso la máquina de tracción asíncrona puede ser superado en eficiencia por la máquina síncrona con rotor a imanes permanentes, tal y como han demostrado cadenas de tracción experimentales o prototipos como la del AGV de Alstom utilizado para batir el récord mundial de velocidad sobre raíles. Esta máquina, al igual que la asíncrona, no tiene ningún elemento desnudo bajo tensión en su interior y tampoco precisa de elementos de conmutación o de contacto por fricción, por lo que se puede afirmar que tiene todas las ventajas que ofrecía la máquina asíncrona, con costes de mantenimiento reducidos, pero con unos rendimientos bastante superiores. Mecánicamente y desde el punto de vista constructivo, el problema de la fragilidad de los imanes de tierras raras ha sido resuelto satisfactoriamente así como los problemas de la desmagnetización de los mismos, por lo que todo indica que esta tecnología ya está disponible para dar paso más y superar el estado del arte de la tecnología trifásica con motores asíncronos. Por supuesto, el hecho de que la máquina tenga un flujo permanente en el rotor, con su par reluctante adicional y tomando en cuenta toda la casuística que se da en una explotación ferroviaria, también presenta otros problemas que en este documento no se procede a analizar, pero requieren ciertamente que los algoritmos de control de la maquina síncrona con imanes permanentes sean aún más complejos que los de la maquina asíncrona. Se trata en definitiva de modelizar correctamente las funciones e implantarlos, dado que la tecnología en microelectrónica y control está disponible y lo permite con creces. Los valores de rendimiento de estas máquinas a imanes permanentes, oscilan entre el 97,2% y el 97,6%, superando incluso los valores de los transformadores de potencia.

En cuanto a máquinas de tracción ferroviaria se refiere, y teniendo en cuenta la importancia que día a día está adquiriendo la eficiencia energética en nuestra sociedad, está claro que el futuro apunta claramente hacia equipos de tracción ferroviaria de corriente alterna trifásica con motores síncronos de imanes permanentes.

La comparativa de la eficiencia energética, no deja lugar a dudas de cuál es el camino correcto a seguir, pero además existe otro factor determinante que es la relación de pesos entre los distintos tipos de motores, que acaba por disipar cualquier rastro de duda que pudiese quedar. La comparativa de pesos para una maquina del entrono de 400 kW en eje, arroja los siguientes resultados por tipo de maquina (no se incluye la de continua por estar completamente fuera de rango):

• Máquina Síncrona convencional: 1300 kg.
• Máquina Asíncrona de jaula: 1050 kg.
• Máquina Síncrona de imanes permanentes: 650 kg Como conclusión, el futuro apunta claramente hacia equipos de tracción ferroviaria de corriente alterna trifásica con motores síncronos de imanes permanentes.

Datos extraídos de monográficos realizados por Francisco Javier Olea Unamuno