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Problema descriptivo
La figura representa una locomotora de tracción eléctrica:
– La toma de corriente alterna es a través del pantógrafo.
– El rectificador transforma la corriente alterna en continua y los inversores, la continua en
alterna
– La tracción se produce mediante motores eléctricos de corriente alterna trifásicos y
asíncronos
Se pide:
a) Describe el circuito eléctrico, sus partes, sus conexiones y sus funciones
b) Compara los motores de corriente alterna asíncronos trifásicos, con los monofásicos y los de
corriente continua, valorando sus ventajas e inconvenientes en esta aplicación.
Solución
Una locomotora eléctrica es una máquina sobre raíles que utiliza como fuente de energía la
energía eléctrica procedente de una fuente externa, para aplicarla directamente a motores de
tracción eléctricos.
Consta de las partes o elementos siguientes, con funciones muy específicas:
El pantógrafo es el aparato encargado de captar la corriente eléctrica de línea desde la
catenaria para proporcionar a la locomotora la fuerza de tracción. Es regulable en altura de forma
automática, es decir, puede bajar o subir en función de la altura del hilo de contacto. Se localiza en
el techo de la locomotora y está aislado de ella mediante aisladores de porcelana. Consta del
seccionador, el bastidor, el sistema articulado, las mesillas, el disyuntor y el mecanismo de
elevación.
El seccionador es un dispositivo interruptor utilizado en instalaciones eléctricas de alta
tensión. Está compuesto por un bastidor metálico sobre el que van los aisladores de apoyo de los
contactos y la cuchilla o elemento móvil que, al accionarla, sirve para abrir o cerrar el circuito. Se
suelen utilizar dos tipos: el de apertura en vacío y el de apertura el carga. Ambos pueden tener o no
tener toma de tierra.
El bastidor es el armazón que soporta el sistema articulado, los muelles y el pistón de aire
comprimido del mecanismo de elevación del pantógrafo.
El sistema articulado está constituido por una estructura tubular articulada de forma
romboidal o semirromboidal.
Las mesillas son los elementos de captación directa de la corriente.
El disyuntor es el elemento que sirve para conectar y desconectar la línea principal de
tensión. Corta la corriente al resto del tren a partir del pantógrafo.
El mecanismo de elevación está formado por cilindro, muelles, resortes y válvulas que hacen
ascender o descender las mesillas.
Los elementos de protección son los pararrayos, los fusibles, la bobina voltimétrica y
amperimétrica, el relé y el interruptor.
Los contactores permiten, a voluntad del maquinista, realizar los diferentes acoplamientos entre
motores..
La electroválvulas son dispositivos electromecánicos que, por acción de un circuito
electromagnético, establecen o interrumpen un circuito neumático que permite el funcionamiento de
un contactor o de un servomotor.
Los servomotores son dispositivos de accionamiento mecánico, provistos
de cilindro,
electroválvulas y pistones unidos entre sí, de forma que, al desplazarse éstos dentro del cilindro,
accionan un árbol de levas que establece o interrumpe circuitos eléctricos.
Las resistencias de arranque se van eliminando conforme el motor adquiere la velocidad normal
de giro.
Los elementos de mando y maniobra son el regulador principal, el regulador de rodillo, el
regulador de árbol de levas, el combinador de motores y el inversor de la marcha.
El soplador es un ventilador que se utiliza para la refrigeración del motor
El compresor se encarga de mantener la presión del aire a un nivel constante. También se
aprovecha para la climatización de locomotoras, trenes de alta velocidad, vagones, trenes de
cercanías y metros.
Locomotora de corriente contínua
línea de cc
pantógrafo
convertidor
cc-ca (inversor)
inversores
auxiliar
motores de ca
transformador
suministro
c.a auxiliar
rectificador
ca-cc
batería
suministro
c.c auxiliar
retorno por raíl
locomotora de corriente alterna
línea de c.a.
Pantógrafo
transformador AT/BT
rectificador
ca-cc
conversor
cc-ca (inversor)
inversor
auxiliar
motores
ca
trafo
rectificador
ca-cc auxiliar
retorno por raíl
suministro
c.a auxiliar
Ambos circuitos detallan un equipo de tracción que posee un conversor o rectificador (de corriente
alterna c.a a corriente contínua c.c) , y un inversor ( de corriente contínua c.c a alterna c.a), con el
fin de obtener la máxima potencia y estabilidad del conjunto de máquinas eléctricas de c.c y ca
utilizadas en el arranque, el remolque del tren, el frenado reostático y la inversión de la marcha.
Para su funcionamiento , las locomotoras van equipadas con dos motores eléctricos cuya posición
es paralela a los ejes de las ruedas motrices. La transmisión se efectúa por medio de un sistema de
piñones y engranajes.
Los motores se montan en una suspensión elástica, con lo que se consigue un trabajo sin
vibraciones.
Para poner un movimiento el convoy, los motores se acoplan en serie, con lo que se consigue un
gran par de arranque. Una vez en marcha, cuando se ha vencido la inercia del reposo, los motores se
acoplan en paralelo con lo cual se obtiene una mayor velocidad.
En el caso del motor de corriente contínua, la circulación de corriente para accionar los motores de
la locomotora se efectúa por dos conductores. El del polo positivo corresponde a un cable aéreo
(pantógrafo y seccionador) y el negativo son los rieles que se unen a ellos por los cables de cobre
En el caso del motor de corriente alterna, primero se rectifica la corriente y funciona ya como motor
de corriente alterna.
De cualquier manera, en ambos casos, deben estudiarse la pérdida de voltaje en la transmisión de
corriente, ya que no puede sobrepasarse una pérdida de voltaje superior a 5% de la línea.
El control de estos motores pretende conseguir los siguientes objetivos:
– Arranque y regulación de la velocidad de la locomotora, frenado e inversión del sentido de
la marcha. Se consigue por medio de contactos que se abren y cierran, dentro del circuito
eléctrico de potencia.
– Regulación, desde la cabina de una locomotora, de la marcha de varias locomotora en el
caso de estar acopladas entre sí.
– Conducción del tren desde a cabina del coche remolque extremo
– Protección automatizada contra sobretensiones y sobreintensidades
– Obtención de seguridad sin ningún fallo
– Solución a la posibilidad de patinaje
– Provisión de ventilación, iluminación y clinatización
Entre las posibles variaciones que existen en el uso de unos motores y otros, actualmente se utilizan
los circuitos del apartado anterior, regulados por sistemas electrónicos con variadores de potencia.
Sus ventajas son:
– Equipo de tracción de corriente contínua: en este caso, la variación de la tensión de
alimentación de los motores se lleva a cabo de dos maneras diferentes: por excitación shunt
del motor (disposición paralela) o por acopamiento de motores (concatenación)
– Equipo de tracción de corriente alterna monofásica: se consigue variando la tensión de
alimentación de los motores. Se realiza a partir de tomas regulables de la tensión de la
catenaria (15 0 25 kV) a la tensión normal de los motores de la locomotora (algunos
centenares de voltios)
Para el caso de sistemas de transporte como metro, tranvía o tren, se utilizan indistintamente
sistemas de corriente alterna o contínua, si bien el primero es mejor para evitar pérdidas por efecto
Joule.
No obstante, el origen de la corriente de entrada, tal y como se describió en el circuito eléctrico, se
precisa de transformadores y equipos de motores trifásicos finales que son los que mueven las
ruedas de esto medios de transporte. Ello obliga al uso de rectificadores e inversores, sea cual fuere
el sistema empleado de partida,
Sin embargo en la actualidad, la práctica totalidad de las locomotoras utilizan gasóleo para
alimentar un motor que genera electricidad, bien sea contínua o alterna, y esa electricidad es la que
mueve el motor trifásico de corriente alterna, que es el que tracciona verdaderamente a los vagones.
Las razones de esta solución son: eficiencia, consumo, relación potencia/velocidad óptimas y
razones climatológicas, sobre todo en climas muy adversos.
Caso aparte lo ocupa el tren de alta velocidad (AVE) cuyos motores son de corriente altera
alimentándose de una catenaria a alta tensión. La regulación electrónica a través de tiristores y
transistores de potencia de última generación ha procurado una optimización tanto en el control de
la velocidad como en la regulación de los motores de corriente alterna mediante variadores de
frecuencia o cicloconvertidores, obteniéndose velocidades de las locomotoras imposibles de
conseguir mediante motores diesel.