Dr. José M. Aller & Ing. Freddy Campoverde

Transcripción

1 TRACCIÓN ELÉCTRICA Dr. José M. Aller & Ing. Freddy Campoverde Universidad Politécnica Salesiana Carrera de Ingeniería Eléctrica Curso de Capacitación y Actualización Profesional 23 de Febrero de 2015

2 TRAIN A GRAND VITTESSE TGV FIGURA: Tren de alta velocidad

3 TREN DE CONTENEDORES FIGURA: Contenedores

4 TREN METALERO FIGURA: Tren Metalero

5 Tracción T REN DE PASAJEROS F IGURA : Tren de dos pisos

6 Tracción L OCOMOTORA E LÉCTRICA 5.6 MW F IGURA : Locomotora Eléctrica

7 FUTURO TRANVÍA DE CUENCA FIGURA: Tranvía 4 Ríos

8 HISTORIA DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA I 1879 Primera locomotora eléctrica Siemens Halske, Potencia de 2 kw a 150 V cc 1920 Locomotoras de 3000 V CC kw 120 kmh 1930 Locomotoras de CA 10 kv con motores de conmutador 1950 Locomotoras CA a 25 kv con transformador y rectificador de ignitrones. Motores CC de 1500 V 1960 Locomotoras y Metros controlados con Electrónica de Potencia. Uso masivo de Tiristores 1970 Utilización de Motores de Inducción para la tracción de locomotoras, Suburbanos y Metros 1980 Utilización masiva de la electrónica para el Control y Señalización

9 VENTAJAS DE LOS FERROCARRILES En condiciones similares, sus requerimientos energéticos son muy inferiores a los de otros modos de transporte Requieren menor espacio como derecho de vía en comparación con la carretera Es menos intensivo en el uso de mano de obra que otros modos Es susceptible de una mayor automatización Sus costos marginales de operación son muy bajos

10 DESVENTAJAS DE LOS FERROCARRILES El sistema es poco flexible en cuanto a cargas de bajo volumen o condiciones variables de demanda. Los trazados ferroviarios son más rígidos desde el punto de vista de curvas y pendientes que una carretera, lo cual en algunos casos aumenta el costo de las obras civiles. El tráfico es poco flexible ante accidentes menores en la vía. Los costos fijos son elevados, lo que requiere de altos volúmenes de tráfico para justificar una explotación. El transporte no es de puerta a puerta como los camiones

11 UTILIZACIÓN DE LOS FERROCARRILES Ubicación Geográfica km de vía sencilla Europa América del Norte y Central América del Sur Asia y Rusia Africa Oceanía Total CUADRO: Kilómetros de vías férreas por continente

12 COMPARACIÓN DE COSTOS FIGURA: Costos

13 COSTOS DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA La tracción eléctrica es mas económica si el volumen de carga que se debe transportar es alto ya que se prorratean los costos fijos de SE y catenaria. Los costos de operación son mas reducidos si la energía eléctrica y el petróleo diesel se consideran a costos reales. El mantenimiento del equipo eléctrico es bastante menor que el diesel, por personal y repuestos La vida útil del equipo eléctrico es por lo menos un 160 % de la del equipo diesel

14 ESTRUCTURA DE UN SISTEMA DE TRACCIÓN ELÉCTRICA FIGURA:

15 EQUIPAMIENTO DE LA LOCOMOTORA FIGURA:

16 MOTOR DE TRACCIÓN EN CC FIGURA: Máquinas de CC

17 CONTROL DEL MOTOR DE CC - CHOPPER FIGURA: Chopper

18 ESQUEMA AC FIGURA: Tracción AC

19 PUENTE INVERSOR TRIFÁSICO FIGURA: Inversor

20 ESTUDIOS NECESARIOS EN TRACCIÓN TRAFICO Origen-Destino Capacidad Máxima Confort Tarifas DEFINICIÓN DEL SISTEMA Ruta-Perfil Ubicación de Estaciones Capacidad de Trenes Velocidad Máxima y Operacional

21 ESTUDIOS NECESARIOS EN TRACCIÓN ESTUDIOS CINEMÁTICOS Trayectorias Límites Itinerarios ESTUDIOS DINÁMCOS Performance Velocidades-Potencias-Energías SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Alimentación de la vía S/E, Flujo de carga, Desequilibrios

22 ESTUDIOS NECESARIOS EN TRACCIÓN CONTROL Control automático Puestos de control SEÑALIZACIÓN Y SEGURIDAD Detección de trenes Enclavamientos de seguridad

23 DINÁMICA DE TRENES FIGURA: Ecuaciones Fundamentales

24 PERFILES DE LA LÍNEA FIGURA: Perfil de la ruta

25 ESFUERZOS RESISTENTES Esfuerzo por pendiente F p = m g p g = 9, 82 m, p = pendiente pu s2 Esfuerzo resistente F r = f (m, v, r c ) v = velocidad [ m s ], r c = radio de la curva [m]

26 CARACTERÍSTICA DE TRACCIÓN F T = N m T e n e r r ( ) v ne T e (ω m ) = T e r r donde: N m es el número de motores, T e es el par eléctrico n e es la relación del engranaje y r r es el radio de la rueda

27 CARACTERÍSTICAS DE TRACCIÓN Y FRENADO FIGURA:

28 RESISTENCIA AL RODADO - LOCOMOTORA FIGURA:

29 LÍMITES POR ADHERENCIA - LOCOMOTORA FIGURA: Adherencia

30 ACELERACIÓN MÁXIMA Aceleración máxima en plano, despreciando la resistencia al rodado m T a = F Tmax = M L g C adh a = 9, 81 0, [ m ] = 0, 33 s 2 Pendiente negativa máxima para poder desacelerar p = C adh M L M T a g 85 = 0, , 1 9, 8 = 0, 0237

31 EFECTO DE LA PENDIENTE Aceleración máxima en pendiente M T a = F Tmax F PE = M L g C adh M T g p a = g ( ) M L C adh p = 0,33 9,8 0,03 = 0,036 m M T s 2 Pendiente negativa máxima para poder desacelerar p = C adh M L M T a g = 0, ,1 9,8 = 0,0237

32 EFECTO DE LA PENDIENTE Aceleración máxima en pendiente M T a = F Tmax F PE = M L g C adh M T g p a = g ( ) M L C adh p = 0,33 9,8 0,03 = 0,036 m M T s 2 Pendiente negativa máxima para poder desacelerar p = C adh M L M T a g = 0, ,1 9,8 = 0,0237

33 CINEMÁTICA DE LAS TRAYECTORIAS DE LOS TRENES Cinemática v = a t ; d = 1 2 a t 2 = 1 2 v a Con la aceleración de bajada del ejemplo anterior v = 100 km h = 27,7 m s ; d = 1 27,7 0,039 = 9837 m 2 Esto indica la necesidad de utilizar freno mecánico en cada vagón

34 POTENCIA ELÉCTRICA EN LA RUTA FIGURA: Potencia

35 ALIMENTACIÓN DE ENERGÍA FIGURA: Alimentación

36 SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN POR CATENARIAS A 25 KV AC FIGURA: Pantógrafo y Catenaria

37 SISTEMA DE TRACCIÓN MONOFÁSICO FIGURA: Sistema Monofásico

38 SISTEMA DE TRACCIÓN MONOFÁSICO FIGURA: Sistema de Alimentación Tercer Ríel

39 BLOQUES DE CONTROL Y SEGURIDAD FIGURA: Control y Seguridad

40 SISTEMAS DE CONTROL Y SEÑALIZACIÓN FIGURA: Control

41 CONTROL DE TRENES VÍA SATELITAL FIGURA: Sistema de Posicionamiento Satelital

42 ITINERARIOS FIGURA: Esquema de Itinerarios

43 CIRCUITOS DE RETORNO FIGURA: Circuito de Retorno

44 CIRCUITOS DE TRACCIÓN - METROS FIGURA: Esquema de Tracción en Metros

45 TREN URBANO CON MOTORES LINEALES DE INDUCCIÓN FIGURA: Tren Lineal

46 MOTORES DE TRACCIÓN LINEAL AC FIGURA: Motor Lineal

47 TROLEBUS ARTICULADO FIGURA: Trolebus articulado

48 CIRCUITO DE TRACCIÓN PARA TROLEBUS FIGURA: Sistema de Tracción del Trolebus

49 Excelente Dinámica, buena autonomía, incremento de la vida de las bateróas, reducción de la emisión de gases, contrucción modular. AUTOMÓVIL ELÉCTRICO HÍBRIDO FIGURA: Vehículo Híbrido

50 Tracción M APA DEL T RANVÍA DE C UENCA F IGURA : Mapa del tranvía 4 Ríos

51 CAPACIDAD DE UN TRANVÍA FIGURA: Capacidad de los sistemas de transporte

52 DATOS DEL TRANVÍA DE CUENCA I Longitud: 14 km; Estaciones 20; Líneas: 1; Pasajeros por día; 14 unidades (12 operativas y 2 en reserva); recorrido 35 min; Velocidad 22 km/h. Para proteger Centro Histórico, por las avenidas Mariscal Lamar y Gran Colombia no se usarán líneas de energía aéreas y además la calzada recibirá un tratamiento especial para reducir vibraciones y no afectar edificios históricos Alstom ofrece la tecnología del tercer riel o APS, es decir un tranvía que fuera del centro de la urbe tiene catenaria y adentro se baja el brazo y los cables y es alimentado por un riel instalado en el suelo y funciona con electricidad en un trayecto de tres kilómetros

53 DATOS DEL TRANVÍA DE CUENCA II Si el tranvía no pasa, la riel no está alimentada por electricidad; y en el caso de suspensión de energía eléctrica tiene una batería de respaldo.

54 EL CITADIS - ALSTOM I El CITADIS es una familia de tranvía de piso bajo construido por Alstom en La Rochelle (Francia) y Barcelona (España). Un diseño estándar y modular le permite incrementar la capacidad de transporte de pasajeros aumentando su longitud de 30 a 50 metros Potencia: 720 kw Velocidad máxima: 70 km/h (En Cuenca 22 km/h) Convertidor de tracción asíncrona ONIX basado en tecnología IGBT,1 alimenta los tranvías Citadis y el material rodante desde: La electricidad suministrada por la catenaria aérea APS a nivel del suelo Baterías para distancias cortas

55 TOPOLOGÍA DEL VEHÍCULO DE TRACCIÓN FIGURA: Topología de los vehículos

56 TERCER RIEL - APS FIGURA: Tercer ríel

57 TERCER RIEL -APS I El APS (Alimentation Par le Sol, alimentación por el suelo) es un sistema de alimentación eléctrica por un tercer raíl cuya cara superior está enrasada con la calzada y que está centrado entre los otros dos. El raíl está formado por segmentos conductores de una longitud de 8 metros, separados por tramos aislados de 3 metros. Un segmento del raíl está bajo tensión, con corriente continua de fase (750 V) solamente cuando el tranvía lo cubre completamente: la alimentación de corriente está controlada por cajas enterradas cada 22 metros.

58 TERCER RIEL -APS II Conforme avanza, el tranvía activa automáticamente la alimentación eléctrica del tercer raíl, enviando una señal a las cajas de control por medio de una antena inductiva. El coche toma la corriente por medio de dos patines situados bajo los módulos intermedios de la composición y separados más de tres metros, de modo que siempre hay al menos un patín en contacto con el raíl conductor. En los cambios de vía la alimentación se interrumpe para evitar los cortocircuitos entre los patines (con potencial de fase) y los raíles (con potencial neutro).

59 TERCER RIEL -APS III Un disyuntor de puesta a tierra (interruptor diferencial) asegura la seguridad de las personas si, por fallo, un segmento de raíl sigue alimentado sin estar cubierto por un tranvía. La caja de alimentación de un segmento puede desactivarse en caso de anomalía. Por otra parte, los disyuntores dispuestos en cada salida de subestación puede cortar la alimentación de secciones en caso de fallo. Si alguno o varios tramos se encuentran fuera de servicio, los tranvías pueden recorrer 150 metros a 3 km/h gracias a la energía acumulada en unas baterías auxiliares.

60 TERCER RÍEL - PELÍCULA lastframe

61 POSIBLES TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN Control óptimo de vehículos en un Sistema de Transporte Análisis de desequilibrios en la red por carga monofásica variable Diseño de un sistema eléctrico de un trolebús Estudio de alimentación en CA monofásica a un sistema de trolebuses Control óptimo de la energía en un carro eléctrico con motoroes de CA

62 DESARROLLOS FUTUROS Dinámica de tren metalero con múltiples locomotoras Simulación del control antideslizamiento de locomotoras con control vectorial Conversión de autobuses antiguos a trolebuses y redes económocas (impacto social)

63 CONCLUSIONES La tracción eléctrica es la solución moderna a los problemas de transporte de pasajeros y carga. Es una solución óptima en lo económico si el volumen de bienes o personas a transportar es de gran magnitud. Permite trayectorias óptimas y resuelve problemas de itinerarios. Es ecologicamente "limpia".