INTRODUCCIÓN A LA TRACCIÓN FERROVIARIA

INTRODUCCIÓN A LA TRACCIÓN FERROVIARIA
1. DEFINICIONES PREVIAS:
Durante el curso se han venido desarrollando todos los elementos que componen
la superestructura ferroviaria, así como afectan el paso de composiciones ferroviarias
a ésta. Llegado a estas alturas del curso conviene conocer un poco sobre las
composiciones que circulan sobre ella, de aquí nace la necesidad de exponer, como
bien indica el título, todo lo referente a la tracción ferroviaria.
Antes de entrar de lleno en el asunto, quizá hay que empezar exponiendo tres
definiciones que aparecen en el Diccionario de la Real Academia Española de la
Lengua:
-
Tren: Medio de transporte que circula sobre raíles, compuesto por uno o
más vagones arrastrados por una locomotora.
-
Tracción: Acción y efecto de tirar de algo para moverlo y arrastrarlo, y
especialmente los carruajes sobre la vía.
-
Composición: Conjunto de vagones que forman un tren.
2. MATERIAL:
Estas definiciones sirven para aproximarnos al tema que vamos a tratar, pero
como definiciones de diccionario que son, no son lo suficientemente “ferroviarias” que
deberían ser. En primer lugar cabe destacar que el término carruaje es un término
anacrónico, prosiguiendo que en el argot ferroviario se debe diferenciar entre vagones
de viajeros y vagones de mercancías. Los vagones de viajeros son conocidos como
coches, mientras que los de mercancías sí que conservan este nombre. El remolque o
tracción de los coches y vagones se realiza mediante una locomotora, de aquí surge el
concepto de material remolcado que nos sirve para diferenciarlo del denominado
material autopropulsado, que es un conjunto de coches (ya que este concepto es
exclusivo de composiciones de viajeros) que poseen todos los elementos necesarios
para su propio movimiento en ellos mismos. Así, podemos citar como ejemplo de
ambos:
Material remolcado:
- Cualquier mercancías.
- Arco
- Talgo
- Estrella
Material autopropulsado:
- Cercanías
- Regionales
- Aláris
- Metro
-1-
Continuamos profundizando un poco más en el tema porque cabe preguntarse:
¿De donde proviene
la energía para que las composiciones,
bien sean
autopropulsadas o bien remolcadas, puedan desplazarse a lo largo de la vía? Pues
existe lo que denominamos tracción diesel y tracción eléctrica, aunque como veremos
a lo largo de estos apuntes, en el caso de la tracción diesel, que todo se reduce a
producir energía eléctrica para alimentar los motores de tracción (que son siempre
motores eléctricos), siendo estos motores los que están acoplados a los ejes para
producir el desplazamiento. Así, encontraremos locomotoras diesel y locomotoras
eléctricas que son las encargadas de traccionar el material remolcado, mientras que
en
material autopropulsado si estamos en tracción eléctrica (tomando la energía
mediante catenaria o bien mediante tercer carril) las composiciones se denominarán
unidades de transporte (UT), mientras que si llevan un motor diesel (o varios) se las
denominará automotores.
Debemos conocer qué ventajas e inconvenientes presenta cada material (material
remolcado frente a material autopropulsado):
-
El material autopropulsado posee todos los elementos necesarios para
desplazarse y para frenarse en él, ya que en el remolcado es la
locomotora la que le produce el movimiento y la que genera el aire
comprimido que acciona los frenos.
-
El material autopropulsado tiene una relación peso/eje menor que una
locomotora, o sea, es menos agresivo a la vía pues lleva los elementos
anteriores (tracción/freno) repartidos a lo largo de la composición,
mientras que en una locomotora todo se concentra en ella.
-
El material autopropulsado presenta la ventaja de tener dos cabinas en
una misma composición, con lo cual los procesos de inversión de marcha
(cambios de sentido) se realizan rápidamente, por contra, en material
remolcado hay que pasar la locomotora de cabeza a cola de la
composición para invertir el sentido de la marcha.
-
Otra ventaja que presenta el material autopropulsado es la sencillez del
enganche de varias unidades o de varios automotores entre sí, pues
poseen enganche automático (llamado Scharfenberg), por el contrario, el
material remolcado presenta unas operaciones de enganche manual al
estar formado por un gancho y un tensor el elemento de enganche.
Además, debido a esta forma de engancharse, el material autopropulsado
no necesita topes pues es el Scharfenberg el que además de enganche,
hace de tope entre composiciones.
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Pero hasta ahora hemos estado viendo ventajas de un tipo de material sobre el
otro, analicemos las desventajas:
-
En material autopropulsado, la inutilización de un coche, hace que se
quede inútil toda la composición, mientras que en remolcado, se segrega
el vagón o coche averiado y el tren puede seguir su marcha.
-
Otro problema que se presenta es la rigidez de las composiciones
autopropulsadas (son indeformables, salvo en taller), ya que siempre
están formadas por un mismo número de coches, mientras que en
material remolcado, se pueden ir agregando coches o vagones
paulatinamente. Ello nos lleva a que ante situaciones puntuales (salida y
retorno
de
vacaciones,
fiestas
nacionales,
etc.),
el
material
autopropulsado no se llegue a adaptar del todo bien a la demanda
existente (overbooking). Este hecho también se puede comprobar a diario
con los trenes de Cercanías o de Metro, donde en hora punta van llenos,
mientras que en horas valle, verdaderamente, sobra composición.
-
También hay que notar que en caso de circular material autopropulsado
en doble o triple composición, están incomunicadas las composiciones, ya
que no hay elementos que permitan el paso de una a otra, bueno sí,
esperar a que pare en una estación, bajarse y subirse en la otra/s.
Actualmente esto no ocurre en las composiciones de TRD (Tren Regional
Diesel, serie 594 Renfe) en las cuales, el frontal (parte delantera o trasera
de la composición) es abatible.
3. ELEMENTOS DEL MATERIAL FERROVIARIO:
Llegado a este punto, describimos a continuación los elementos que componen
todo vagón, coche o locomotora y que son los siguientes:
-
Caja
-
Bogie o carretón
-
Ejes y ruedas
Empezaremos desde los elementos que están abajo hasta llegar al que está
arriba:
-
Ejes (o semiejes) y ruedas: La descripción de estos elementos es muy
intuitiva y de sobra por todos conocida, pero hay que notar que estos
elementos son los que entran en juego directamente con nuestra vía,
estos, y no otros. Aquí cabe recordar los conceptos que se vieron sobre
rueda calada y rueda no calada.
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-
Bogie: Estructura en la que se alojan los ejes y sobre la que se apoya la
caja. La unión entre un eje y el bogie se materializa mediante la caja de
grasa. En el bogie también se encuentran los motores de tracción, el
reductor (elemento que une el motor de tracción con un eje), los
mecanismos de freno, los areneros y la suspensión.
La suspensión la dividimos en:
-Suspensión primaria: que está aplicada entre el bogie y las
cajas de grasa de éste (para no tener una unión rígida y permitir
cierto movimiento entre ambos elementos).
-Suspensión secundaria: que está intercalada entre el bogie y la
caja, y se pone exclusivamente en composiciones de viajeros y
locomotoras para mejorar el confort.
-
Caja: Constituye el esqueleto o soporte en el que están instalados todos
los equipos (colgados o apoyados) que correspondan según el caso,
aparte de ser el lugar donde van los viajeros o las mercancías y donde se
encuentran las cabinas de conducción. Va unida al bogie mediante un
pivote. En las locomotoras y en el material autopropulsado encontramos
en ella los siguientes equipos:
Transformador y/o reactancias
Compresor (para generar el aire comprimido que accione el freno)
Resistencias de freno
Baterías
Ventiladores
Topes
Pantógrafos (en caso de UT’s o locomotoras eléctricas)
4. RESISTENCIAS AL AVANCE:
Una vez descritos los elementos, debemos saber que a una composición también
se le presentan resistencias a su avance, las cuales vamos a analizar:
4.1 Resistencia al avance en línea recta y terreno horizontal:
Está modelizada mediante una ecuación cuadrática con la siguiente forma:
R = A + B*V + C*V2
(N/t)
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donde:
A: representa el rozamiento en las cajas de grasa y el que existe en el
contacto rueda-carril.
B: representa el esfuerzo de rozamiento entre pestaña y carril.
C: representa la resistencia al aire.
V: velocidad (km/h).
4.2 Resistencia en las curvas:
Debida fundamentalmente a dos factores; el primero es el inherente que se
produce entre pestaña y carril y el segundo es debido a los posibles
deslizamientos que puedan ocurrir entre rueda y carril (en rueda calada).
4.3 Resistencia en las rampas:
Este es el típico problema de plano inclinado.
5. MOTORES. EVOLUCIÓN DEL SISTEMA:
Como bien sabemos, el comienzo de la tracción ferroviaria se basó en la utilización
de la máquina de vapor, pero este tipo de tracción era incapaz de resolver problemas
específicos y puntuales, como eran fuertes rampas y largos túneles. En España se
electrificó por primera vez en 1911 la línea comprendida entre Gergal y Santa Fe
(Almería) y en 1925 la línea del Puerto de Pajares (Asturias-León), y desde aquí quiero
transmitir que es una de las grandes obras de ingeniería de nuestro Estado debido a la
complejidad que supuso el poder salvar el desnivel existente entre el Cantábrico y la
Meseta con los medios técnicos y humanos existentes por aquel entonces. Esta línea
se electrificó en corriente continua (C.C.) a 3000 V (como el resto de líneas (de ancho
ibérico) que se electrificaron después), el porqué, vamos a intentar entenderlo, pues
como vemos, la medida adoptada llega hasta nuestros días (supuso un hito). En
Electrotecnia se vio que existen tres tipos de motores, motor de corriente continua,
motor síncrono y motor asíncrono (estos dos últimos alimentados por un sistema de
corriente alterna (C.A.)), y como recordamos, los motores de corriente continua se
regulaban variando tensión e intensidad, mientras que los otros dos se regulaban
variando tensión y frecuencia, siendo por aquellos entonces imposible variar la
frecuencia para alimentar a un elemento que tiene que estar arrancando y frenando
continuamente, y aparte, como recordamos, el motor de corriente continua con
excitación serie (que es el que se ha utilizado y se utiliza todavía) presentaba un gran
par en el arranque, además de adaptarse perfectamente su característica par-
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velocidad a la característica esfuerzo-velocidad (esto se explicará al final de estos
apuntes) necesaria en tracción ferroviaria.
Una vez elegido el tipo de corriente cabe preguntarse porqué se eligieron 3000 V, y
no otro valor de tensión. Como no se sabía transformar de manera simple la tensión
de una corriente continua, fue necesario adoptar sobre la catenaria una tensión de
transporte igual a la tensión de funcionamiento de los motores instalados, pero si
tenemos en cuenta que el rango de tensión de alimentación de un motor C.C. para
tracción ferroviaria varía entre 500 y 1500 V (a más tensión, la velocidad del motor se
dispara) observamos que en la catenaria tenemos el doble, pero debemos entender
que por una vía no solo circula una composición, sino que circulan varias, así, para
poder dar abasto a todas, es necesario aumentar la tensión porque recordemos que la
potencia en C.C. es directamente proporcional a la tensión y a la intensidad:
P=U*I
pero también, la potencia es directamente proporcional a la resistencia del hilo
conductor por la intensidad al cuadrado:
P=R*I2
luego, al demandarse más potencia en un tramo, las pérdidas se aumentan con el
cuadrado de la corriente que circula por él, por ello se llegó a una solución de
compromiso y se adoptaron los 3000 V ya que es una tensión que se comprobó que
se adaptaba muy bien a las necesidades ferroviarias de aquel entonces.
Recordando el rango de tensiones de alimentación de un motor C.C. (500-1500 V),
la forma de no “sobrepasar” los 1500 V se consiguió mediante la introducción de
elementos electromecánicos y resistencias para poder arrancar los motores y permitir
combinarlos (por ejemplo, si ponemos los motores de tracción en serie, se divide la
tensión de alimentación entre el nº de ellos).
6. LA TÉCNICA CHOPPER:
Esta situación se mantuvo hasta los años 70 del pasado siglo (aunque aún quedan
unidades y locomotoras con este sistema) donde aparece la técnica “chopper” para
regular la tensión de alimentación del motor C.C. sin necesidad de utilizar elementos
electromecánicos para combinar motores de tracción ni resistencias en el arranque. La
técnica “chopper” se basa en estos dos elementos, bueno, más bien en el segundo, ya
que es un avance del primero:
-Diodo: dispositivo eléctrico que permite el flujo de la intensidad en una sola
dirección. El diodo bloquea la intensidad que intenta fluir en la dirección opuesta a la
permitida.
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-Tiristor: es un desarrollo del diodo que deja, al igual que este, a la intensidad fluir
en un solo sentido, pero difiere en que lo hará cuando nosotros lo digamos (disparo del
tiristor) pues tenemos mando sobre él, con lo cual podremos obtener el valor de
tensión que queramos en cada momento mediante la combinación y disparo de varios.
Quiero transmitir desde aquí que la introducción de los tiristores ha supuesto una
verdadera revolución tecnológica en el campo de la tracción ferroviaria unido ello a la
propia evolución de la electrónica de potencia. La técnica “chopper” ha supuesto un
increíble ahorro de energía (al prescindirse de las resistencias de arranque), una
disminución de las labores de mantenimiento ya que carece de elementos móviles
sujetos a desgaste (en contraposición a los elementos electromecánicos) y sobretodo,
de cara al viajero, ha mejorado el confort, pues se mejora la calidad de la marcha al
suprimir los escalones de velocidad y conseguir unos arranques y frenadas más
suaves. (Nota: el sistema gobernado por elementos electromecánicos lo podemos
experimentar en las unidades 3600 de FGV o en las 440 (Cercanías) – 470
(Regionales) de Renfe).
Por último, comentar que con la técnica “chopper” se consigue mejorar la
adherencia rueda-carril, al tener una transición más suave el proceso de aceleración y
el de frenado.
Por extensión, al conjunto de tiristores utilizados para lograr lo anteriormente
expuesto, se les denomina directamente chopper.
7. LA LLEGADA A LA ACTUALIDAD:
El siguiente paso de gigante ha sido utilizar el motor asíncrono (con rotor en jaula
de ardilla o en cortocircuito) en tracción ferroviaria, motor que se inventó en el siglo
XIX, pero que no había encontrado su hueco en la tracción ferroviaria. Si pensamos en
el motor de C.C. vemos que aparece en él el colector de delgas, siendo este elemento
el que presenta más problemas ya que es un dispositivo móvil que está continuamente
rozando con las escobillas, y por ello, las láminas de cobre que forman el conjunto se
desgastan, ocasionando que haya que reemplazarlo (pero era y es un coste asumido)
Así, se utiliza en las composiciones de nueva construcción (a partir de 1990) el motor
asíncrono pues sus gastos de mantenimiento son aún menores ya que se trata de un
motor muy simple (funciona hasta que se degradan los aislantes), sin escobillas (como
los de C.C.) , ni anillos rozantes (como los síncronos) además de ser muy robusto y
resistente, tener una mayor fiabilidad que le permite integrarse en las transmisiones,
gran capacidad de sobrecarga (es cuestión de refrigerarlos más), mayor rendimiento
energético, un menor peso y volumen, permitiendo ello instalar mayor potencia por
bogie y ser menos agresivo a la vía.
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Para alimentar el motor con un sistema trifásico de tensiones es necesario la
presencia de un ondulador que está también formado por tiristores (se encargan de
crear un sistema trifásico de tensiones y frecuencias, partiendo de C.C., de valor el
que en ese momento necesiten los motores de tracción para su correcta marcha).
Entenderemos esto mejor si nos fijamos en los siguientes sistemas de alimentación de
los motores de tracción de cualquier composición o locomotora:
CASO DIESEL
CASO ELÉCTRICO
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Notamos que el último caso es que el que se utiliza en las líneas de nueva
construcción (líneas de Alta Velocidad) y analizando elemento por elemento, vemos
que aparece un chopper y un ondulador cuando cabría la posibilidad de preguntarse
de porqué no se alimentan los motores de tracción directamente desde el secundario
del trafo, y es porque mediante el chopper establecemos un valor de la tensión
constante que será independiente de las posibles oscilaciones de la tensión de
catenaria y que nos permitirá alimentar todos los sistemas auxiliares de la composición
o de la locomotora (por ejemplo: el compresor de aire comprimido, los ventiladores de
los motores, los ventiladores de las resistencias de frenado (frenado reostático), el
equipo de carga de baterías o el aire acondicionado).
8. CURVAS ESFUERZO-VELOCIDAD:
Por último, nos había quedado pendiente explicar las curvas de esfuerzo-velocidad
que desarrollan los motores de tracción, siendo este un sistema de curvas paralelas
entre sí que nos permiten determinar el esfuerzo necesario para alcanzar una
determinada velocidad o viceversa, partiendo de una velocidad que queramos
alcanzar, nos indicará el esfuerzo que deben desarrollar por los motores de tracción,
pero se debe tener en cuenta que aquí es donde entra en juego lo que ya se ha
explicado sobre resistencias al avance, pues la combinación de las curvas de
resistencia al avance y las de esfuerzo-velocidad nos indican, por ejemplo, la
velocidad máxima a la que podrá circular una composición, según sus toneladas y el
valor de rampa que exista por donde circule la composición.
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Curva límite esfuerzo-velocidad, corresponde a
la potencia de régimen continuo (máxima que pueden
dar los motores de tracción en condiciones normales).
Si observamos la forma de la curva (hipérbola) y recordamos la forma de la curva
par-velocidad del motor C.C. resulta que son semejantes, de aquí extraemos uno de
los motivos de porqué el motor de C.C. era muy bueno en tracción ferroviaria. En los
motores asíncronos la forma de la curva par-velocidad no sigue este patrón, pero
regulando tensión y frecuencia gracias a los tiristores, se consigue que su curva
característica par-velocidad se adapte estupendamente a la tracción ferroviaria
(recordamos: necesitamos siempre gran par en el arranque para desplazar
inicialmente la composición y una vez conseguida la puesta en marcha, hay que poder
ganar velocidad).
Texto preparado por:
Diego Javier Delgado Yelul
para la asignatura de Ferrocarriles
DICIEMBRE DE 2003 MODIF. 02/2004
E.T.S. INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA
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