Sistemas de Tracción Ferroviaria: Topologías, Ventajas y Control

Topología de Catenaria DC

Ventajas:

• Topología muy simple.
• Emplea inversor binivel de 6 IGBTs y 6 Diodos.
• Bus de condensadores para reducir el rizado de tensión.
• Choque inductivo para limitar los armónicos de corriente vertidos hacia la catenaria DC.
• Sintonía del filtro LC a la frecuencia empleada en la señalización de la infraestructura ferroviaria (p.e. Adif 10, 50 u 800 Hz).
• Un circuito crowbar para proteger la entrada del inversor de sobretensiones en el bus.

Desventajas:

• El bus DC depende directamente de las variaciones de la tensión de catenaria.
• Tensiones de catenaria mínimas pueden reducir el flujo nominal de la máquina, reduciendo prestaciones de potencia.

Control:

• Regulación del par de las máquinas de tracción.
• Límites de par y velocidad, lo que implica limite de potencia.
• Limitación de la tensión máxima del bus mediante el crowbar.
• Frecuencias de conmutación en inversor: ≈ 1500 Hz IGBT 1700V ≈ 1000 Hz IGBT 3300V ≈ 500 Hz IGBT 6500V

Topología de Catenaria AC: Rectificador Reversible + Inversor Binivel

Ventajas:

• Convertidor de entrada regula la tensión del bus DC, control de las máquinas de tracción desacoplado de las variaciones de catenaria.
• Consumo de la catenaria AC con factor de potencia unitario.
• Capacidad de regeneración hacia catenaria AC.
• Inversor binivel para control de máquinas eléctricas.

Control:

• Inversor binivel implementa lazos de regulación del par y velocidad de las máquinas de tracción.
• Convertidor de entrada implementa lazos de regulación de tensión de bus DC y factor de potencia unitario de la catenaria AC.
• Un crowbar para limitar tensión máxima de bus DC.

Ventajas de la Eliminación de la Reductora

1. Reducción de ruido y de vibraciones: al ser un mecanismo más simple, tiene menos piezas que puedan vibrar y la emisión global de ruido es normalmente menor.
2. Mejor rendimiento: se eliminan las pérdidas de potencia en la reductora (el rendimiento típico oscila entre el 95 y el 97%).
3. Mayor vida útil: el tener menos partes móviles también implica tener menos partes propensas a deteriorarse.
4. Menor coste de mantenimiento: el mantenimiento de la reductora requiere, entre otras cosas, la reposición de aceites. Además, se elimina el riesgo de posibles contaminaciones ambientales por fugas de aceites.
5. Mayor par a bajas revoluciones.
6. Poder aprovechar mejor los espacios libres del bogie (aunque puede que el volumen de la máquina direct-drive sea mayor que el conjunto reductora+motor).

Desventajas de la Eliminación de la Reductora

1. El uso de acoplamientos directos requiere motores de mayor par (de mayor volumen activo) para la misma fuerza de tracción. En el caso de la tracción ferroviaria, para dar alto par a muy bajas revoluciones, es necesario el direct-drive de motores de imanes permanentes.

Comparativa entre Reductora y Direct Drive

1. Los accionamientos con reductora tienen un peso elevado, pero utilizan un volumen/coste reducido de los motores.
2. Los accionamientos directos permiten reducir el peso global, pero el tamaño del motor o el número de motores aumenta.
3. El uso de motores síncronos de imanes implica la necesidad de tener un inversor por cada motor (por motivos de costo, sale más rentable alimentar varios motores con un solo convertidor de mayor potencia. Un convertidor de 200kVA es más barato que dos convertidores de 100kVA).
4. En algunas configuraciones, el accionamiento directo permite ahorrar espacio (e.j., tranvías de piso bajo).

Mantenimiento de Tensión Vbus

El objetivo es mantener cierta tensión en el bus, impidiendo que se descargue completamente cuando el pantógrafo de forma transitoria se despega (desconecta) de la catenaria. El algoritmo de control se activa cuando detecta que la tensión de bus cae por debajo del valor de referencia al que se quiere mantener la tensión de bus en caso de despegue de pantógrafo. Obviamente, este valor debe estar por debajo del mínimo de la tensión de catenaria. Si en el momento del despegue el equipo se encuentra en frenado, la tensión de bus tenderá a subir y, por tanto, este algoritmo no se activará. En ese caso, el control del chopper de freno se encargará de mantener el bus en los niveles preestablecidos. Sin embargo, si en el momento del despegue el equipo se encuentra en tracción, la tensión de bus tenderá a disminuir y, por tanto, el bloque de mantenimiento de la tensión de bus se activará reduciendo el par de tracción y llegando incluso a hacerlo ligeramente negativo (par de frenado). De esta forma, se extrae energía de la velocidad cinética del tren, y se logra mantener con ella la tensión de bus al valor prefijado. Este control es de tipo PI, con la tensión de bus como entrada y el par de consigna como salida.