Optimización energética ferroviaria de frenado

Optimización energética
ferroviaria de frenado
Índice
Eric Maestre Silo.
2º Bach.
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Tutor: Iván Furest
2012-2013
Índice
1. Introducción a elementos ferroviarios
1.1. Elementos
1.2. Que es una subestación?
1.2.1. Partes de la subestación y explicación
1.3. Motor CC
1.4. La dinámica del tren.
1.5. Sistema de frenado
2. Freno regenerativo (eléctrico)
2.1. Recorrido de corriente generada
3. Modelo actual
4. Hipótesis.
4.1. Métodos de almacenamiento
4.2. Devolución a la red por subestación reversible
5. Practica Excel y estudio numérico.
5.1. Desarrollo de las ecuaciones
5.2. Evaluación final
6. Opinión argumentada a favor de un modelo (regenerativo)
7. Practica
8. Respuesta a la hipótesis
9. Conclusión
10. Glosario
11. Agradecimientos
12. Bibliografía
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Presentación
Éste trabajo pretende estudiar la recuperación energética ferroviaria y
su consiguiente aprovechamiento en la red pública, estudiando
distintos modelos y comparando los resultados numéricos obtenidos;
se ha elegido este trabajo porque me gusta la electrónica y creo
poder aportar un modelo eficiente ya que se ha estado estudiando
mucho la forma de mejorar los medios de transporte público en la
reducción de su consumo energético.
El transporte es el primer consumidor de energía del país (por
encima de los “hogares” e “industrias”): 40,7% del consumo final
energético en España (2004). Existe un interés añadido en este
campo ya que abrir nuevas posibilidades para reducir el consumo
energético en España resulta positivo no solo económicamente sino
también a nivel medioambiental
1. Introducción a elementos ferroviarios.
Antes de empezar a proponer modelos de aprovechamiento
energético, presentaremos algunos elementos del tren para hacernos
una idea general de qué factores se deben tener en cuenta para
reducir el consumo energético, así veremos su funcionamiento, y
como se puede empezar su estudio.
Los trenes son máquinas destinadas al transporte de mercancías o
personas. Son de grandes dimensiones y capacidades, que tienen que
recorrer grandes distancias y muchos funcionan gracias a la energía
eléctrica. Los trenes necesitan algunos elementos para poder recibir
esta energía y transformarla de manera eficiente.
3
1.1.
Elementos.
Esquema del recorrido eléctrico ferroviario.
Los trenes reciben la energía eléctrica de las compañías sufriendo unos
tratamientos determinados en unas subestaciones y alimenta al tren gracias a la
catenaria o también conocida como línea aérea de contacto de donde el tren
recibe la energía y su retorno se produce por las vías.
4
Los postes sostienen la catenaria
El elemento de unión de la
catenaria con el tren es el
pantógrafo, que es un sistema
articulado en contacto con la
línea aérea y transmite su energía
al tren.
Pantógrafo.
1.2-¿Qué es una subestación??
Una subestación de tracción es un lugar en
donde la energía eléctrica que viene de la compañía es
tratada para convertirla en continua y así alimentar el tren.
Por cuestiones históricas los trenes siempre funcionan con
energía eléctrica continua (los primeros motores de
tracción) y por motivos económicos no se ha cambiado
pues todas las instalaciones están preparadas para el
funcionamiento ferroviario en CC y saldría más costoso el
cambio de las infraestructuras y material móvil. Por ello se
desarrolla una subestación donde con un sencillo proceso
se trata la corriente alterna proveniente de las centrales en
CC
*Subestación actual.
5
1.2.1.-elementos de la subestación rectificadora de CC
Una subestación recibe inicialmente la energía en un
transformador para tratar la tensión:
Esquema de un transformador.
Ep: tensión proporcionada; Es: tensión inducida.
Np: numero de espiras del primero.
Ns: numero de espiras del segundo.
En el transformador es un maquina
estática reversible que transforma la
energía eléctrica de unas condiciones a
otras, hay dos bobinas aisladas entre si
eléctricamente que permiten elevar o
disminuir la tensión de la corriente
alterna para poder utilizarla mas
adelante, existe una relación para saber
que determinada tensión te proporciona
que se basa en el numero de espiras de
cada bobina (vueltas) y la tensión que le
ofrecemos depende los factores eleva la
tensión o la disminuye
Relación: Ep/Es=Np/Ns (directamente proporcional)
Luego, la corriente llega a un rectificador para hacer el cambio
de CA a CC. El rectificador esta formado por diodos, y, éstos
solo permiten la corriente en una dirección. Por lo tanto, solo
dejan pasar la parte del voltaje positivo y de esa forma se
transforma en CC.
Gráfica de una corriente trifásica.
6
Gràfica de una corriente
Existen distintos tipos de subestaciones rectificadoras. La
característica más determinante es la tensión de salida del lado de la
corriente continua:
- Cercanías Renfe utiliza una tensión de 3.000 Vcc.
- Feve (Ferrocarriles Españoles de Vía Estrecha) utiliza
distintas tensiones pero la más usual es 1.500 Vcc.
- FGC (Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya) utiliza
1.500 Vcc.
- Tram Baix i Tram Besòs (Tranvía de nueva construcción
en Barcelona) utiliza 750 Vcc.
1.3. Motor
En los trenes, el elemento de tracción más importante es el motor,
Históricamente suele ser un motor de corriente continua, ya que
regular la velocidad de este tipo de motores es relativamente fácil. Se
consigue modificando la tensión aplicada, esta tensión se puede
modificar simplemente conectando unas resistencias en serie con los
bornes de conexión. En la actualidad son motores de alterna
alimentados por variadores de corriente en frecuencia i tensión, estos
variadores se alimentan de la catenaria en corriente continua y
ondulan una corriente alterna de frecuencia variable.
Motor de un tren.
7
1.4. La dinámica del tren
Constantemente en un tren están actuando diferentes fuerzas que son
responsables de su movimiento, su dinámica. Se dividirán estas
fuerzas en dos grupos: un primer grupo estará constituido por las
fuerzas que no dependen de la acción del tren y en el segundo de las
que son consecuencia directa de la acción del tren.
Las fuerzas que son independientes del tren son la fuerza de la
gravedad siempre presente en el medio y la acción del aire, así como
la resistencia al avance, estas fuerzas también son denominadas
fuerzas pasivas.
Las fuerzas provocadas por el tren son muy simples. Son dos: la
fuerza de tracción que permite el movimiento y la fuerza de frenado
o retención que permite la parada del tren, estas fuerzas también son
denominadas fuerzas activas.
Para un estudio más claro de la dinámica del tren tomaremos un
sistema de referencia sobre el cual empezar a describir las fuerzas.
Como son las ruedas de tren las que soportan el peso y que a su vez
se apoyan en las vías, tomaremos un sistema de referencia en
relación a las vías en el sentido de la marcha del tren y la dirección
de los carriles. Llamaremos eje positivo (L) y eje transversal (H)
(perpendicular al anterior). Luego tomaremos el tercer eje positivo de
forma vertical coincidente con el sentido de la fuerza de la gravedad.
H
V
L
Carriles
H
Sistema de referencia para la dinámica del tren elaboración propia.
8
Las fuerzas descritas anteriormente son fuerzas que actúan sobre el
eje L que es en el cual nos centraremos ahora, para ello empezamos
explicando la resistencia al avance.
La resistencia al avance esta descrita como la suma de las fuerzas
(resultante) que se oponen al movimiento del tren en la dirección L
distintas a las fuerzas de tracción o de frenado, pues la resistencia al
avance siempre es un vector negativo, dado que siempre se opone a
su movimiento.
Las fuerzas de resistencia al avance que cabe mencionar son las
siguientes:
-Rozamiento entre las ruedas y los carriles.
-Rozamientos internos de las partes móviles y giratorias del
tren.
-Fuerza necesaria para acelerar el aire que entra en el tren
(para la refrigeración)
-Resistencias aerodinámicas, que se componen de las
resistencias de la presión y de la fricción (consideradas de
mayor importancia a alta velocidad.)
-Rozamiento de las pestañas y el plano de rodadura de las
ruedas sobre el carril en las curvas; debida a la propia
construcción del boggie que mantiene paralelos los dos ejes
girando las dos rueda del eje junto con éste de forma sólida.
Rozamiento de las pestañas en curva
Dibujo del rozamiento de las pestañas de las ruedas sobre el carril en las curcas,
elaboración propia.
9
La resistencia al avance en recta varía con la velocidad del tren por
lo que cualquier variación de la velocidad del tren lleva a una
variación de la resistencia al avance total. También es muy
importante tener en cuenta la gravedad que se opone al movimiento
sobre todo en rampas y favorece el movimiento en pendientes.
Para que el tren acelere, la resultante de la fuerza neta del tren (que
es la suma de todas las resistencias siempre negativas), más las
fuerzas activas, tiene que ser positiva. Para que el tren se mueva a
velocidad contante hay que mantener la resultante de todas las
fuerzas nula, y para que el tren reduzca la velocidad debe de ser
negativa. Siendo todas condiciones, de acuerdo a la segunda ley de
Newton.
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-Ecuación de movimiento de un tren:
La ecuación de movimiento del tren responde a las leyes de dinámica
de Newton donde la fuerza es igual al producto de masa y
aceleración.

F
 =m·a
Omitiremos durante el resto del trabajo la notación vectorial en
fuerzas y aceleraciones.
La fuerza mínima para mover el tren es igual a la fuerza de la
resistencia al avance en recta (Fra) más la resistencia al avance en
curva (Frac) más la fuerza gravitatoria (Fg) debida a las pendientes, si
además buscamos una aceleración positiva se debe sumar la fuerza
cinética (Fc) necesaria para ello.
F=Fra+Fg+Frac+Fc (resultante de las fuerzas)
Los motores que propulsan el tren tienen una limitación física de
potencia, para el caso que estudiaremos (Unidad de tracción serie
112 FGC) la potencia que puede desarrollar entre todos los motores
es de 2160 KW para la masa máxima incluida carga y tara de 197
toneladas (T), puede ejercer una fuerza máxima de empuje de 201,97
KN fuerza que puede mantener hasta los 38,5 Km/h; a partir de aquí
el comportamiento de la potencia en lugar de ser lineal, como hemos
alcanzado la potencia máxima, se convierte en una curva de potencia
contante donde la potencia es igual a fuerza por velocidad.
P=F·V
De donde:
V=P/F
Luego:
V=P/m·a
a=P/V·m
Para las velocidades inferiores a los 38,5 Km/h la potencia nos
permitiría aceleraciones muy elevadas hasta 9 m/s2; esto no seria
confortable para los viajeros que muchos de ellos van de pié y
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acabarían “amontonados” en el fondo del vagón, por ello limitamos
la aceleración máxima admisible a 1 m/s2.
Superada velocidad (38,5 Km/h) con la carga máxima no es posible
mantener la aceleración, se sigue acelerando hasta alcanzar la
velocidad deseada (máximo 90 Km/h) pero con una aceleración cada
vez inferior.
2500,00
250,00
Pot.: 2160 KW
Vel.:38,5 Km/h
201,97 KN
2000,00
1500,00
F [KN]
150,00
100,00
1000,00
50,00
500,00
Potencia [kW]
200,00
F [KN]
Pot. [kW]
0,00
0
4,
50
8,
5
12 0
,5
16 0
,5
20 0
,5
24 0
,5
28 0
,5
32 0
,5
36 0
,5
40 0
,5
44 0
,5
48 0
,5
52 0
,5
56 0
,5
60 0
,5
64 0
,5
68 0
,5
72 0
,5
76 0
,5
80 0
,5
84 0
,5
88 0
,5
92 0
,5
96 0
,5
0
0,00
V [km/h]
*Gráfica de potencia constante en función de la velocidad, elaboración propia
-Ecuación de la Resistencia al avance:
Resistencia al avance en recta:
Utilizamos la formula de Davis que es la que se emplea
habitualmente y la que utilizaremos en el estudio numérico.
F=A+B·V+C·V2
A (KN)
B (KN·(h/Km))
C (KN·(h/Km)2)
Los factores A, B y C son factores experimentales para cada tren en
concreto. El factor A es un factor referido a las resistencias
mecánicas del propio tren; el factor B se refiere a la fricción de las
entradas de aire de refrigeración de motores y renovación de aire de
los viajeros; el factor C son fricciones aerodinámicas. También se
puede incluir otro factor llamado factor túnel debido a la
sobrepresión derivadas del “efecto pistón”, en el nuestros cálculos
12
no lo incluiremos por que consideramos el efecto algo puntual que
simplemente supone un rozamiento más añadido que no supone un
valor añadido para el estudio de la regeneración eléctrica.
En nuestro caso (UT serie 112 FGC) para una ocupación media de
viajeros, la masa total entre tara y viajeros es de 159 toneladas y el
factor A es de 1,73 KN, el factor B es de 0,013 KN· (h/km) y el
factor C es de 0,0013 KN· (h/Km)2, estos parámetros han sido
extraídos del estudio de perdidas de tracción, FGC de J. Rull.
Resistencia al avance en curva:
Responde a una formula experimental que depende del radio de
curvatura (R), del ancho de las vías y de la masa (m).
-ancho internacional de 1435 mm: Fac= m·600/R
-ancho RENFE de 1668 mm: Fac= m·800/R
Resistencia al avance en rampa/pendiente:
La rampa máxima admisible para ferrocarril es de 44 mm por metro
a nivel de rampas superiores falta adherencia y patinan las ruedas, es
necesario ir a otros mecanismos ya sea tracción por cable o por
cremallera como en el caso de Montserrat, funiculares,…
La fuerza que tenemos que superar es la masa (m) por la inclinación
(i).
Fg= m·i
Donde:
i= in g·sin α
in corresponde a la inclinación
y g=9,8m/s2
y α= ángulo de inclinación, expresado en radianes.
1.5. Sistemas de frenado
El freno es uno de los elementos más importantes para la
recuperación energética. Nos servirá para plantear los nuevos
modelos de aprovechamiento energético pues depende del tipo de
frenado que exista la regeneración.
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Existen: frenos neumáticos o mecánicos y frenos eléctricos.
El freno neumático o mecánico es el freno que incide directamente
sobre las ruedas, por ello esta considerado el más simple. Funciona a
cualquier velocidad, es el freno de emergencia. El inconveniente esta
en que este tipo de freno no genera electricidad pero sí nos asegura
detener en cualquier circunstancia; también tiene utilidad de freno de
servicio no solo cuando el freno es regenerativo sino también cuando
el frenado no es suficiente como para poder regenerar eléctricamente
la energía.
El freno eléctrico: Su importancia en este proyecto reside en la
capacidad de reversibilidad de los motores eléctricos, los cuales
pueden funcionar como receptor absorbiendo la corriente eléctrica y
proporcionando tracción al vehículo o como generadores durante el
frenado absorbiendo (y así frenando) la energía mecánica del tren.
2. Freno regenerativo (freno eléctrico)
El freno regenerativo como hemos explicado anteriormente utiliza la
propiedad de reversibilidad de los motores eléctricos para generar la
energía eléctrica durante el frenado. Para que se produzca el frenado
del vehículo, trasformando la energía cinética en eléctrica, el motor
que funcionaba como generador del movimiento se convierte ahora
en generador de la corriente producida por el movimiento. Este
hecho se basa en las propiedades electromagnéticas en las que el
movimiento de las líneas de campo magnético producen un
movimiento de electrones (regeneración) y el moviendo de
electrones produce el de las líneas de campo magnético (tracción).
Para conseguir el frenado eléctrico esta corriente debe ser
consumida, existen distintos caminos de la corriente generada
durante el frenado.
Este último tipo de freno es considerado de mayor eficiencia, pero
por debajo de cierto limite de velocidad es inoperante (5 Km/Hora),
en estas velocidades se debe complementar con el freno neumático o
mecánico, esto se da porque el motor va directamente al reductor sin
cambio de marchas luego el numero de vueltas es directamente
proporcional a la velocidad del tren, a esa velocidad no hay
revoluciones suficientes como para generar la energía, pero presenta
otras partes a favor.
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Las ventajas que el freno eléctrico proporciona son:
-La protección de las ruedas ya que el otro tipo de freno tiende a la
degradación producida por un calentamiento indebido de las zapatas
con las ruedas en situaciones de frenado de largas pendientes y
velocidades elevadas.
-El freno eléctrico presenta una conducción más sencilla del tren y
una comodidad extra para los viajeros ya que no produce ruidos, ni
chirridos o vibraciones.
-Como última característica fundamental que favorece al freno
eléctrico es su capacidad de generar electricidad con su consiguiente
ahorro energético.
2.1. Recorrido de la corriente de frenado generada
Esta corriente generada al frenar eléctricamente tiene que ser
consumida por algún receptor, luego puede tomar caminos
diferentes. En función del consumidor de esta corriente
clasificaremos el frenado de un tipo o de otro:
-El propio tren tiene una serie o conjuntos de resistencias sobre
el vagón que disipa la energía en forma de calor, en este caso
el freno sería Reostático.
-En cambio esta corriente puede ser reutilizada por otros
elementos del sistema ferroviario o incluso se podría enviar de
vuelta a la red pública, siendo esta última una de las
características fundamentales del proyecto, llamado freno
regenerativo.
-También podríamos hablar de un conjunto de consumidores,
es decir, un sistema mixto de freno Reostático y freno
Regenerativo.
El inconveniente del freno Reostático es que, a diferencia del
regenerativo, consume la electricidad generada en forma de
calor haciéndola circular por una serie de resistencias; por lo
tanto presentan claras desventajas:
-No se aprovecha la energía cinética del tren y la capacidad
regenerativa del frenado para otros servicios ni para el
abastecimiento de otros trenes, lo que reduce el porcentaje de
rendimiento del sistema.
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-El propio calor de los resistores puede calentar el interior del
vehiculo, haciendo necesario un gasto energético extra para
poder disipar este calor al exterior.
3. Modelo actual
Si la pendiente del tramo de vía por donde circula un tren es positiva
o no es lo suficientemente negativa como para vencer la resistencia
al avance simplemente los motores del tren actúan como receptores y
consumen energía eléctrica que proviene de la subestación.
Cuando el tren necesita frenar y la energía cinética del tren es
suficiente para poder utilizar el freno regenerativo, el motor pasa a
comportarse como generador, esta energía generada se destina a los
servicios auxiliares del tren y si es mayor que la demandada por estos
servicios se devuelve a la catenaria para que pueda ser aprovechada
por otro tren. Si en esta situación no hay ningún tren que solicite esta
energía simplemente se disipa en forma de calor por las resistencias,
freno Reostático, por efecto Joule.
Pr=R·I2
Donde Pr es la potencia de freno por efecto Joule R es la resistencia y
I es la intensidad generada por los motores al frenar.
Freno reostático.
Resistores situados en la parte superior del tren donde poder consumir la energía generada por los motores y
así frenar el tren.
16
Detalle de las resistencias en el techo de una unidad serie 400 de FGC; foto propia taller de Rubí.
4. Hipótesis
En el actual método, descrito en el anterior apartado, en el momento
de calcular la energía total consumada debemos de restarle a la
energía que el tren recibe de la que el tren produce por el freno
regenerativo. Obviamente no toda la energía que se produce de
frenado se aprovecha, pues en las líneas de corriente continua la
energía que es generada si no es aprovechada por otro tren,
normalmente se consume en las resistencias (Reostático), por ello
para un mayor aprovechamiento de la energía producida por el freno
las líneas de corriente continua podrían estar dotadas de una
subestación reversible que permitiese la devolución a la red pública,
así la energía excedente no se pierde en forma de calor.
Podemos ver que el mayor aprovechamiento del freno regenerativo
no es algo que dependa del tren, sino depende de si las líneas están
dotadas de subestaciones reversibles. Si bien es cierto que
deberíamos considerar la posibilidad del almacenamiento de esta
energía tanto en el propio tren como fuera; para ello explicaremos un
método basado en el almacenamiento dentro del propio tren o fuera y
desarrollaremos el método de la devolución por subestación, objeto
de este trabajo.
La intención de este proyecto es el del dimensionamiento de una
subestación reversible en la cual cuando la energía generada en el
proceso del frenado eléctrico sea mayor que la requerida por los
servicios auxiliares, pueda ser luego aprovechada por un tren
cercano y si no, en lugar de disiparla con el freno Reostático la
devolveríamos a la subestación.
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4.1. Métodos de almacenamiento.
Se pueden estudiar dos modelos de almacenamiento de esta energía
regenerada a través de unos acumuladores: acumuladores
embarcados (alojados en el propio tren), y acumuladores situados en
tierra (en las subestaciones).
Los acumuladores embarcados se entienden por cualquier sistema de
almacenamiento de energía que esté en el tren. La función que
ejercen es la de almacenar la energía eléctrica generada del frenado
ferroviario.
Dos tipos de acumuladores embarcados son las baterías y los
ultracondensadores. Estos tipos de tratados de la energía de frenado
presentan varias ventajas:
-Son capaces de almacenar una gran cantidad de energía, con
relación a su masa.
-El tiempo de respuesta cuando la energía que tiene acumulada
es demandada es casi instantáneo.
-Al ser embarcados dota al tren de traccionar sin catenaria,
puede circular por zonas en las que se dificulta la instalación
de postes de catenaria por culpa de la irregularidad del terreno
u otros factores propios del medio.
-Garantiza una fuente de electricidad, es decir una continuidad
del suministro eléctrico en caso de avería.
Los inconvenientes que presentan:
-El volumen y la masa de los acumuladores que pueden
embarcar en un tren están muy limitados, esto afecta a la
dinámica del tren, supone lastrar un peso considerable
ocasionando un aumento de consumo y modificando
negativamente el rendimiento.
-El incluir objetos tan voluminosos y pesados reduce la
capacidad de tren en mercancía y/o viajeros.
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Por éstos inconvenientes los acumuladores embarcados
normalmente se limitan a abastecer los servicios auxiliares del tren.
Los acumuladores situados en tierra resuelven el problema del peso
y el volumen pues no se lastran y no obstruyen el movimiento y la
dinámica del tren.
En el caso de los acumuladores situados en tierra se utilizan también
los ultracondensadores y las baterías aunque lo más utilizado son los
volantes de inercia.
Los volantes de inercia basan su tecnología en la acumulación de
energía cinética en un disco al que se le hace girar con un rozamiento
casi nulo por levitación magnética y reducción de la presión del
interior. La energía acumulada es muy fiable un volante de inercia
puede ser cargado y descargado indefinidamente sin producir errores
notables, tienen una vida elevadísima y aportan una gran fiabilidad.
La energía almacenada se conoce en todo momento gracias a un
simple medidor de velocidad del disco de inercia.
El problema del volante de inercia es que el disco que gira pesa unas
7 toneladas y gira a unas velocidades muy elevadas, si en algún
momento se diese un error el número de daños que conllevaría serían
muy altos, además es un sistema muy costoso; por ello no es
utilizado con frecuencia.
4.2. Devolución a la red por subestación reversible.
La subestación reversible además de disponer de los elementos
descritos de una subestación convencional, es decir la típica
configuración de transformador y rectificador, entre la catenaria y en
paralelo con el rectificador dispone de un convertidor desde energía
continua a alterna, ya que el tren al frenar y comportarse como
generador eleva la tensión por encima de la nominal, esto lo detecta
el convertidor y la energía excedentaria la convierte a corriente
alterna y la inyecta en el transformador devolviéndola a la red donde
siempre hay consumidores disponibles para utilizar esta energía y el
tren frene.
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*Subestación reversible, imagen tomada de un catálogo Ingeteam.
El sistema de devolución a la red se puede instalar en cualquier
subestación porque permite su instalación sin modificar las
infraestructuras existentes.
La propuesta de mejora consiste en utilizar las ventajas del freno
regenerativo del tren, aprovechando la energía cinética y
trasformándola en energía eléctrica, y devolviéndola a la red gracias
a la subestación reversible que permite este proceso.
Ventajas de la subestación reversible:
-Aprovechamiento total de la energía generada por el freno
eléctrico del tren.
-Reducción del consumo eléctrico de las empresas ferroviarias.
-Mejora del rendimiento del sistema ferroviario.
-Mejora del sistema eléctrico de distribución
Desventajas:
-El sistema de subestación reversible tiene un coste de medio
millón de euros para equipos de 2000 KW, representa un gasto
importante y debe ser siempre considerada la amortización por
los ahorros.
-Otra desventaja es que en la actualidad se requieren permisos
de las empresas distribuidoras para devolver energía a la red y
20
ser descontada de la energía consumida, este proceso
actualmente no esta determinado ni regulado por la
administración, todo queda en manos de las negociaciones y la
buena voluntad de las partes.
-1.000,00
40,0
30,0
-1.500,00
Potencia kW
Km/h
-2.000,00
-2.500,00
20,0
10,0
0,0
metros
*Grafica de un kilómetro conducido plano y sin curvas. Elaboración propia por Excel.
Hemos realizado una simulación de un trayecto plano y sin curvas de
una distancia de un kilómetro con una velocidad máxima de 90
Km/h, esta moralizado para una unidad serie 112 de FGC con una
ocupación intermedia de viajeros.
La Unidad inicia el recorrido con una aceleración limitada a 1 m/s2
por el confort de los pasajeros, alcanzada la potencia máxima de la
tracción del motor esta aceleración se reduce paulatinamente hasta
alcanzar la velocidad máxima de 90 Km/h, una vez en esta situación
dejamos de acelerar y mantenemos el tren a velocidad contante hasta
que alcanzamos la distancia de freno para detener el tren dentro de la
estación y frenamos siguiendo el proceso inverso, al principio a la
deceleración máxima posible de los motores hasta poder llegar al
freno máximo admisible de 1 m/s2.
Obsérvese el comportamiento de la potencia consumida o
regenerada, podemos ver que inicialmente la potencia consumida
21
Velocidad km/h
990
957
924
891
858
825
792
759
726
693
660
627
594
561
528
495
462
429
-500,00
396
50,0
363
330
60,0
297
500,00
264
70,0
231
1.000,00
198
80,0
165
1.500,00
99
90,0
132
2.000,00
66
100,0
0
2.500,00
33
Potencia kW
Trayecto 1 km Plano
crece hasta llegar al limite de la Unidad (2160 KW), momento en el
cual se comporta como potencia contante teniendo que reducir la
aceleración a la posible hasta alcanzar la velocidad máxima; luego
para mantener la velocidad contante la potencia es la necesaria para
superar la resistencia al avance, y en el momento de freno comienza
a regenerar la energía aportado valores positivos, comportándose
inicialmente a potencia constante para finalmente reducir a la
necesaria por el confort de los viajeros.
La energía consumida en esta simulación ha sido de:
Tiempo
Recorrido
Energia
Consumida
Energia
Regenerada
diferencia
66,2
s.
15,81
(1 Minuto y 6,2
Seg.)
KWh
13,19
-2,63
KWh
KWh
Con este modelo propuesto en la simulación solo se consumiría 2,63
KWh si la energía regenerada no se aprovecha se consumiría 15,81
KWh.
5. practica Excel y estudio numérico.
Se ha realizado un estudio numérico con el modelo de regeneración
propuesto; estos cálculos se han realizado para distintas situaciones:
-1 kilómetro plano y sin curvas (explicado en el apartado anterior).
-1 kilómetro de todo subidas 15 mm por metro.
-1 kilómetro de todo bajada 15 mm por metro.
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; plano y sin curvas.
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; subida los primeros 2,5
kilómetros y bajada los 2,5 kilómetros siguientes.
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando subida y
bajada cada 500 metros.
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando bajadas y
subidas cada 500 metros.
22
-1 kilómetro de todo subidas 15 mm por metro.
-1.000,00
40,0
Velocidad km/h
990
957
924
891
858
825
792
759
726
693
660
627
594
561
528
495
429
462
-500,00
396
50,0
363
330
60,0
297
500,00
264
70,0
198
231
1.000,00
165
80,0
99
1.500,00
132
90,0
66
2.000,00
0
100,0
33
Potencia kW
Trayecto 1 km
2.500,00
30,0
-1.500,00
20,0
Potencia kW
-2.000,00
10,0
Km/h
-2.500,00
0,0
metros
Tiempo Recorrido
Energia Cons.
Energia Reg.
diferencia
66,5. Seg.
-20,13 KWh
11,06 KWh
-9,07 KWh
Esta gráfica simula un trayecto de 1 kilómetro con una pendiente constante
de 15 mm por metro. Al empezar la tracción del tren en subida podemos
ver que la gravedad nos va en contra del movimiento y nos dificulta
alcanzar la velocidad deseada; por ello tardamos más en alcanzarla, y en el
tramo de velocidad constante necesitamos más potencia que en el caso
anterior; por el contrario al frenar lo hace más rápido ya que ahora la
gravedad favorece el freno ayudando a los motores en el tramo de potencia
contante.
Energéticamente vemos que hay un coste superior ya que consumimos más
energía y regeneramos menos, esta simulación tendría un coste energético
de 9,07 KWh frente a los 2,63 KWh del tramo plano.
23
-1 kilómetro de todo bajada 15 mm por metro.
-1.000,00
40,0
Velocidad km/h
986
952
918
884
850
816
782
748
714
680
646
612
578
544
510
476
442
-500,00
408
50,0
374
340
60,0
306
500,00
272
70,0
238
1.000,00
204
80,0
170
1.500,00
136
90,0
68
2.000,00
102
100,0
0
2.500,00
34
Potencia kW
Trayecto 1 km
30,0
-1.500,00
Potencia kW
-2.000,00
Km/h
-2.500,00
20,0
10,0
0,0
metros
Tiempo Recorrido
Energia Cons.
Energia Reg.
diferencia
65,8 Seg.
-12,52 KWh
16,39 KWh
3,87 KWh
Esta gráfica simula un trayecto de 1 kilómetro con una bajada constante de
15 mm por metro. Vemos que cuesta menos alcanzar la velocidad máxima
ya que la gravedad esta a favor del movimiento del tren, por el contrario
cuesta más frenar el tren ya que esta vez la gravedad esta en contra del
freno. Energéticamente es una situación muy favorable ya que la energía
consumida del arranque es menor y la energía regenerada del freno es
mayor.
El coste energético de esta simulación resulta que generamos más energía
de la que consumimos ya que el campo gravitatorio es un campo
conservativo y en este caso nos devuelve la energía que primero se le
entregó, en ambos casos la resistencia al avance es energía perdida de
rozamiento. Finalizando el trayecto con 3,87 KWh a favor.
Si diferenciamos las dos simulaciones en el que el trayecto ha sido todo
subida o todo bajada con la misma pendiente vemos que en el primero sale
un saldo negativo de 9,07 KWh y en el segundo uno menor aunque positivo
de 3,87 KWh. En ambos casos reducimos el coste energético al aprovechar
la energía de frenado en una subestación reversible.
24
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; plano y sin curvas.
Velocidad km/h
4884
4736
4588
4440
4292
4144
3996
3848
3700
3552
3404
3256
3108
2960
2812
2664
2516
2368
2220
2072
1924
-500,00
1776
50,0
1628
1480
60,0
1332
500,00
1184
70,0
888
1.000,00
1036
80,0
740
1.500,00
592
90,0
444
2.000,00
296
100,0
0
2.500,00
148
Potencia KWh
Trayecto 5 Km
40,0
-1.000,00
30,0
-1.500,00
20,0
-2.000,00
10,0
-2.500,00
metros
Tiempo Recorrido
Energia Cons.
332,0 Seg.
-78,86 KWh
Energia Reg.
diferencia
65,95 KWh
-12,91 KWh
0,0
kW=kJ/S
Km/h
El comportamiento es análogo al modelo del trayecto plano de un
kilómetro sin pendientes ni curvas, pero queremos llamar la atención que si
no se dispone de una subestación reversible según como esté fijado el
itinerario en lugar de aprovechar la energía podríamos desperdiciarla; si
dos trenes iniciaran el recorrido desde los extremos a la vez en el arranque
después de cada estación se consumiría el doble de potencia y al frenar se
perdería la energía; y solo si los sincronizas uno de ellos puede aprovechar
la energía del otro; en cambio disponiendo de la subestación reversible se
aprovecha el total de energía generada por los dos trenes dejando el coste
final de esta simulación en 12,91 KWh y no los 78,86 KWh que consume.
25
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; subida los primeros
2,5 kilómetros y bajada los 2,5 kilómetros siguientes.
40,0
-1.000,00
30,0
-1.500,00
20,0
-2.000,00
10,0
-2.500,00
0,0
metros
Tiempo
Recorrido
Energia
Cons.
Energia
Reg.
diferencia
velocidad Km/h
4867
4710
4553
4396
4239
4082
3925
3768
3611
3454
3297
3140
2983
2826
2669
2512
2355
2198
2041
-500,00
1884
50,0
1727
1570
60,0
1413
500,00
1256
70,0
942
1.000,00
1099
80,0
785
1.500,00
628
90,0
471
2.000,00
314
100,0
0
2.500,00
157
potencia KW
Trayecto 5 km
kW=kJ/S
Km/h
336,0 Seg.
-83,40 KWh
70,93 KWh
-12,47 KWh
En los tramos de subida y de bajada el tren se comporta como en las
simulaciones descritas anteriormente con excepción del cambio de rasante
donde no logramos llegar al tramo de potencia constante para mantener la
velocidad porque llegamos a la distancia de frenado. Aunque la gravedad
sea un campo conservativo la resistencia al avance siempre son perdidas y
aunque bajamos lo mismo que subimos el coste final es de 12.47 KWh si
aprovechamos la regeneración, en caso contrario el coste energético
quedaría en los 83,40 KWh.
26
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando subida y
bajada cada 500 metros.
40,0
-1.000,00
30,0
-1.500,00
20,0
-2.000,00
10,0
-2.500,00
0,0
Posición m
Tiempo
Recorrido
Energia
Cons.
Energia
Reg.
diferencia
Velocidad Km/h
4930
4760
4590
4420
4250
4080
3910
3740
3570
3400
3230
3060
2890
2720
2550
2380
2210
-500,00
2040
50,0
1870
1700
60,0
1530
500,00
1360
70,0
1190
1.000,00
850
80,0
1020
1.500,00
680
90,0
510
2.000,00
340
100,0
0
2.500,00
170
Potencia KW
Trayecto 5 Km
kW=kJ/S
Km/h
342,0 Seg.
-91,27 KWh
79,23 KWh
-12,04 KWh
En los tramos de subida y de bajada el tren se comporta como en las
simulaciones anteriores con excepción de los cambios de pasante en los que
no llegamos al punto de potencia constante con velocidad constante porque
en ese momento ya hemos superado la distancia de frenado y necesitamos
que el tren empiece a frenar antes.
Con relación al coste energético vemos que hay más potencia consumida
pero también más regenerada lo que resulta una compensación elevada
como en todos los trayectos dejando el coste final a unos 12.04 KWh y no
los 91.27 KWh que ha consumido el tren durante el trayecto.
27
-5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando bajadas y
subidas cada 500 metros.
40,0
-1.000,00
30,0
-1.500,00
20,0
-2.000,00
10,0
-2.500,00
Posición m
Tiempo
Recorrido
Energia
Cons.
Energia
Reg.
diferencia
Velocidad Km/h
4896
4743
4590
4437
4284
4131
3978
3825
3672
3519
3366
3213
3060
2907
2754
2601
2448
2295
2142
1989
1836
1683
1530
50,0
1377
-
-500,00
1224
60,0
918
500,00
1071
70,0
765
1.000,00
612
80,0
459
1.500,00
306
90,0
0
100,0
2.000,00
153
2.500,00
Potencia KW
Trayecto 5 Km
0,0
kW=kJ/S
Km/h
327,0 Seg.
-70,35 KWh
57,07 KWh
-13,29 KWh
En esta última simulación podemos ver que el tren se comporta en las
subidas y bajadas como habíamos descrito anteriormente a excepción que
esta vez sí que logramos llegar a la velocidad deseada y al momento de
potencia contante y velocidad contante, incluso una parte de la potencia
contante es de freno regenerativo ya que como es bajada y la gravedad
favorece el movimiento si no lo frenamos no iría a velocidad contante por
otra parte esto nos suma energía regenerada al sistema.
El coste energético quedaría con un valor de 13,29 KWh con nuestra
propuesta de mejora y sin ella se quedaría a los 70,35 KW/h que es o que
ha consumido el tren en todo este trayecto.
28
Podemos observar que en todos los casos de simulaciones que hemos
planteado siempre el coste energético final es mucho más rentable y
siempre queda reducido al valor inicial de consumo que se debería pagar,
incluso en un caso nos resultan valores positivos es decir generamos más
energía como bien hemos explicado antes.
5.1. Desarrollo de las ecuaciones y el informe Excel.
El estudio se ha realizado utilizando los datos reales y
comportamiento de la Unidad de tren serie 112 (UT 112) de los
FGC; las características de ésta se indican en las pestañas del archivo
Excel “definiciones”, “pot. Constante 197 T”, y “pot. Constante 159
T”.
Pestaña de definiciones:
Las características principales son:
-Tara: 142,9 toneladas
-Viajeros sentados: 232 personas
-Viajeros de pie a una ocupación máxima de 6 viajeros por m2:
492 personas.
-Viajeros totales: 724 personas.
-Velocidad máxima: 90 Km/h
-Aceleración máxima: 1 m/s2
-Potencia máxima: 2160 KW
-Motores de tracción: 12 motores de 720 KW cada uno.
-Factores formula resistencia al avance Davis:
Ocupación Massa A (KN)
B (KN·h/Km)
C (KN·h2/Km2)
Alta
191 T
2,08
0,017
0,0013
Media
159 T
1,73
0,013
0,0013
Baja
150,5 T
1,64
0,013
0,0013
29
Pestaña de modelo completo y sucesivos.
Columna posición.
Para tener una idea más clara estudiamos el comportamiento
del tren en cada metro por ello fabricamos las graficas y los
estudios numéricos en base a la posición, concretamente a
cada metro del recorrido.
Columna Conducción.
La conducción de las Unidades es por velocidad prefijada de
forma que el maquinista únicamente selecciona la velocidad
objetivo y la unidad hace lo necesario para llegar a esa
velocidad y mantenerla, por tanto no realiza derivas
(circulando sin tracción, es decir, por inercia). Este sistema es
típicamente utilizado en las cercanías y metros por la
proximidad de las estaciones de forma que se magnifica la
recuperación. En el modelo se ha definido una columna de
conducción donde si se deseaba traccionar y la velocidad era
inferior a 90 Km/h el valor de la columna era 1, si era igual a
90 Km/h es 0, y en el caso de frenar el valor es -1.
Columna tiempo.
Existen dos tipos de movimiento: constante o acelerado; las
formulas de las cuales aparece el tiempo están sujetas a esta
condición, por lo tanto en la formula del estudio hemos
prefijado este suceso diciendo que:
Si, la aceleración es distinto de 0 (acelerado), entonces el
tiempo en el que se ha avanzado ese metro es:
T=Tanterior + (V-Vant) / A
Siendo:
T, tiempo
V, Velocidad
A, aceleración
30
Si, la aceleración es 0 (constante), entonces el tiempo en
el que se avanza ese metro es:
T=Tanterior +1metro /V
Siendo:
T, tiempo
V, Velocidad
Utilizamos 1 metro porque
corresponde al desplazamiento de 1 metro.
cada
fila
Estas formulas han sido despejadas de las formulas típicas de
movimiento uniforme y movimiento uniformemente
acelerado.
Columna Velocidad
En esta columna se condiciona por la aceleración, si la
aceleración es 0 la velocidad se mantiene contante, es decir la
velocidad de la fila anterior.
Cuando hay aceleración la velocidad responde a una ecuación
combinada de la formula típica de posición en los
movimientos uniformemente acelerados y formula de
velocidad respecto a tiempo en el mismo tipo de movimiento
donde:
X=X0+Vo·T+ 1/2·a·T2
V=Vo + a·T
Despejada en nuestro estudio para la velocidad queda así:
V2= 2·a·(X-Xo) + Vo2
V= [2·a·(X-Xo) + Vo2] ½
31
Columnas de aceleraciones
Para poder desarrollar el modelo comprendiendo como afectan las
distintas fuerzas a la aceleración cinética final hemos diferenciado
las aceleraciones derivadas de cada una de las fuerzas según sea:
-De la resistencia al avance que siempre resta y nos impide
utilizar esta porción de fuerza del motor para acelerar
cinéticamente.
-La aceleración debida a la gravedad que en caso de subida
nos impide la tracción y nos favorece el frenado; y en cambio
en la bajada se suma a la tracción del motor y dificulta el
frenado del tren, por otro lado favorable al freno eléctrico
permitiendo una mayor regeneración.
-La aceleración cinética es la que finalmente resulta del
comportamiento cinético del tren teniendo que responder a los
límites prefijados.
-Como la aceleración cinética no coincide con la máxima que
permite el motor a titulo informativo se ha incluido una
columna donde se indican las aceleraciones que puede dar el
motor a cada metro.
Las aceleraciones de la resistencia al avance y la gravedad son
extraídas de la segunda ley de Newton.
F=m·a
-Gravedad.
La aceleración debida a la gravedad responde a:
a=i·g
Siendo:
a, Aceleración derivada de la gravedad.
i, Inclinación de la pendiente o la rampa.
g, Gravedad terrestre.
32
-Resistencia al avance.
La aceleración derivada de la resistencia al avance:
a=Fra/m
Siendo: a, Aceleración derivada de la resistencia al
avance.
Fra, Fuerza de la resistencia al avance.
m, Masa.
-Aceleración cinética.
Ha sido necesario hacer una formula de condicional un tanto
compleja que pasamos a explicar:
Si no frenamos, es decir aceleramos o mantenemos la
velocidad, y la suma de aceleraciones junto con la aceleración
máxima del motor resulta mayor que 1 luego aceleramos a la
máxima permitida: 1 m/s2
La máxima del motor se calcula:
a= P/ (m·V)
Donde;
a, Aceleración máxima del motor.
m, Es la masa.
V, La velocidad.
P, Potencia máxima del motor.
Si esta suma es menor de 1 la aceleración será o 0 si la
conducción es 0 (constante) o si la conducción es 1 será:
a= P/ (m·V) + ara + ag
Donde;
a, Aceleración máxima del motor.
m, Es la masa.
V, La velocidad.
33
P, Potencia máxima del motor.
ara, Aceleración derivada de la resistencia al avance.
ag, Aceleración derivada de la gravedad.
Si es la conducción -1, es decir frenamos, y la suma de
aceleraciones es menor de -1 la deceleración cinética
imponemos que sea de -1, en caso contrario:
a= -P/ (m·V) + ara + ag
Donde;
a, Aceleración máxima del motor.
m, Es la masa.
V, La velocidad.
P, Potencia máxima del motor.
ara, Aceleración derivada de la resistencia al avance.
ag, Aceleración derivada de la gravedad.
Columnas de fuerza, potencia y trabajo.
Primero consideramos la fuerza de la resistencia al avance en
recta utilizando la formula de Davis explicada en el apartado
1.4. Dinámica del tren “ecuación de la resistencia al avance”;
y la fuerza de resistencia al avance en curva explicada en el
mismo apartado.
Luego estudiamos la energía potencial gravitatoria con:
Ep=mgh
Siendo la h la inclinación ya sea subida o bajada.
La fuerza cinética que es la que nos permite avanzar la
calculamos bajo las leyes de Newton:
F= m·a
34
Como este estudio numérico se ha realizado en base a cada
metro la posición de avance en los cálculos siempre es 1m, y
la formula del trabajo:
W=F·X
Siendo x la distancia 1m, queda la formula:
W=F
Hecho que nos permite calcular la resultante como la suma de
las cuatro: las resistencias al avance en recta y en curva la
fuerza cinética y la gravitatoria.
ΣF= Fra+Frac+Fg+Fc
Columna de energía consumida y regenerada.
Estas dos columnas son las columnas en las cuales se calcula
el balance de energía tanto consumida como regenerada en
cada metro siguiendo la condición siguiente:
Si el trabajo resultante pasado a Wh es positivo la energía
es negativo la potencia es consumida y si es positiva la
potencia es regenerada.
En el balance final se suman las dos columnas por separado
para obtener las resultantes y se calcula la diferencia para
conocer el valor final.
5.2. Evaluación final.
En todos los modelos de conducción hemos sido capaces de reducir
notablemente el consumo energético de los trenes.
Pongamos por caso un modelo con los datos y características
estudiadas en el modelo de conducción de 5 Km alternando 500m de
bajadas y de subidas con parada en cada kilómetro:
35
-Tiempo de recorrido: 508 s (328s movimiento y 180s de
paradas).
-Potencia consumida en un recorrido: 70,35 KWh
-Potencia regenerada en un recorrido: 57,07 KWh
-Diferencia resultante a pagar: 13,29 KWh
-Precio energético medio: 0,12 €/KWh
-Coste de un recorrido aprovechando regeneración: 1,595 €
-Coste de un recorrido sin regenerar: 8,44 €
-ahorro por viaje: 6,84€
Pongamos este recorrido a lo largo del día con el tiempo medio de
actividad en un día de 19h de servicio y el número de ocupantes
medio: resultando un total de 135 viajes diarios.
Considerando el servicio anual tenemos 49.275 viajes, resultando un
coste de energía de tracción con aprovechamiento energético de
78.581€, en el caso de no aprovechar la energía esta estación costaría
un servicio de 416.007€ la diferencia que supone este modelo
propuesto nos permitiría un ahorro anual de 337.426€.
Considerando la instalación muy costosa de hasta 500.000€ y el
ahorro energético amortizaríamos la instalación en un año y medio
aproximadamente.
6. Opinión argumentada a favor de un modelo.
Vistos los resultados obtenidos en la práctica de los modelos con la
propuesta de mejora de devolución a la red por subestación
reversible, es muy eficiente y tiene una amortización considerable en
tan solo un año y medio aproximadamente.
El modelo propuesto de devolución a la red permite una instalación
sin modificar la ya existente, como hemos visto el problema de la
inversión económica es un asunto que se resuelve en un periodo de
tiempo relativamente corto, quedando este modelo como el más
eficiente, según nuestra opinión.
Este proyecto requiere un estudio previo de las características
técnicas y del tramo del trayecto, para poder tener una idea más clara
de la amortización, ya que en cada caso es diferente; en nuestros
36
casos planteados y estudiados la amortización no superaba el año y
medio en ningún caso.
7. Práctica
-Material:
-dos motores corriente continua a 3V
-tren casero de madera hecho con madera de balsa.
-leds
-ejes de metal
-kit neumáticos de plástico
-placa de soporte donde estañar el circuito
-dos relés de 8 contactos excitación 6V
-interruptor normalmente cerrado (paro) / interruptor normalmente abierto
(marcha)
-tres soportes para pilas, uno de 6V (relés), otro de 3V y otro de 4,5V
(motores)
- dos conmutadores
-estaño
-pistola de soldar
-dos placas de metal de 2 metros cada una para la pista, y otras dos para el
pie de altura
-cables de diferentes colores para diferenciar los circuitos. (marcha/paro),
(motor/leds), (2º motor/inversor).
-alicate de corte
-alicate de punta fina
-tester, multímetro (necesario para verificar tensiones y continuidades del
circuito así como polaridades)
-alicate pelacables.
-serrucho
-cinta adhesiva de dos caras
-Fastons (piezas metálicas donde estañar conexiones de cables con mayor
facilidad.
-Objetivos:
En esta práctica se pretende poner de manifiesto el efecto del freno
regenerativo para estudiar más detenidamente la regeneración eléctrica
gracias a la iluminación por led, de este modo se puede aprender mejor y de
forma más clara el objetivo final del proyecto, que consiste en el
37
aprovechamiento de dicha energía generada siendo devuelta a la red
pública.
Otro objetivo que se plantea es el de mecanizar un tren y hacer los diseños
eléctricos y mecánico oportunos, al hacer una parte del proyecto de ésta
forma se consolidan los conceptos aprendidos y se aprende a ver todos esos
símbolos a los que nos acostumbramos a ver en un plano pero no en una
maqueta real, utilizar los símbolos estándares que conviene saber tanto para
aprender más como para poder expresar los resultados.
-Práctica:
La práctica consiste evidenciar el funcionamiento del freno regenerativo de
los trenes para ganar eficiencia y reducir consumos, para poder estudiar si
es viable mi propuesta de mejora sobre el actual método eléctrico
ferroviaria.
En primer lugar se realizó la construcción del tren para servir de base
donde poder empezar a plantear el dimensionamiento del circuito, el tren se
hizo a base de madera de balsa, utilizada en modelos y escalas por su
ligereza y cualidades mecánicas; la parte más importante de la construcción
del tren es la inferior, es decir el lugar donde irán los motores bien sujetos
con dos tornillos; es importante porque para conseguir un correcto
movimiento de subida y de bajada se necesita una buena alineación de los
ejes.
Los ejes están conectados con los dos motores, el eje trasero esta pensado
para ser el de tracción principal y el eje delantero sirve de apoyo para ganar
velocidad de bajada y así conseguir una regeneración del otro motor más
visual, porque para una optima frenada eléctrica se requiere cierta
velocidad, aunque también funciona como apoyo al motor de tracción
gracias a un circuito diseñado con un inversor simple.
Los motores están constituidos por una pieza metálica que cumple dos
funciones: sujetar el motor y transmitir la energía cinética del motor al eje
de forma directa, para ello tienen orificios donde poder colocar una serie de
engranajes.
Estos engranajes tienen distintas formas, de manera que según sus
colocación o si la trasmisión es más directa o menos ,con o sin reductor, se
consigue más o menos velocidad y de igual forma más o menos fuerza par,
en el caso de ésta práctica, como el tren tiene que subir una altura
38
considerable y su peso en comparación con la capacidad del motor es
elevada se necesita la combinación de engranajes que de mayor fuerza par;
por otra parte necesitamos velocidad de bajada porque sino como ya
sabemos no se da el freno eléctrico, causa que ha dado alguna
complicación que se ha resuelto aumentando la tensión del motor de 3V a
7,5V, y elegir la combinación de engranajes de mayor fuerza par, de esta
forma tenemos el motor subministrando mayor velocidad al eje y las ruedas
dentadas proporcionan la fuerza necesaria de tracción.
39
El dimensionamiento del circuito eléctrico:
7,5V
6V
Paro
Marcha
M
1Ω
M
10Ω
1Ω
En el circuito eléctrico se encuentran dos circuitos marcha-paro
autoalimentados por los propios relés, de modo que el paro de el primero
funciona de marcha del segundo en inversión, es decir, en tracción
(marcha) los dos motores están en funcionamiento, y en el final de carrera
se encuentra el interruptor paro que acciona el motor delantero que estaba
en tracción invirtiendo el sentido, solo del motor delantero, como ayuda al
descenso, quedando el motor trasero como generador encendiendo las
cargas de frenado simbolizada por los leds que se han colocado en la parte
40
superior del tren de madera emulando el freno eléctrico reostático
ferroviario.
En el circuito se hizo un añadido paralelo a los leds que consiste en un
potenciómetro de 10 Ohms para regular el frenado y dos resistencias en
paralelo de 1 Ohm cada una para conseguir medio Ohm. Con este circuito
conseguimos darle potencia de frenado al tren simulando el freno eléctrico
tal y como se realiza, consumiendo la energía que genera el motor,
llegando a los 18W de frenado aproximadamente.
Más tarde se hizo la rampa por donde se pondrá en marcha el tren de
manera que suba y baje frenando eléctricamente.
Para la construcción de la rampa se utilizaron varios perfiles de estanterías
de metal, por su forma resulta más sencillo darle forma y montar un plano,
la rampa tiene una longitud de 2 metros y se soporta sobre un pie de las
mismas características, los topes situados al lateral izquierdo son de madera
y están enganchados con cinta adhesiva de doble cara de forma que hacen
de principio y final de carrera con los interruptores laterales del tren de
marcha y par, para amortiguar la bajada como método de seguridad se ha
pegado un rectángulo de porexpan.
-Problemas solventados:
-Deslizamiento de las ruedas en la rampa: Se ha utilizado un adhesivo en
forma de lija utilizado como antideslizante en las escaleras para aumentar
la adherencia.
-Deslizamiento de las ruedas sobre el eje: al aumentar la adherencia con la
pista patinaban las ruedas sobre el propio eje, por ello se han apretado las
ruedas con cinta americana y bridas de plástico apretadas fuertemente sobre
el eje y la rueda gracias a unos alicates de corte u de sujeción.
-Deslizamiento de los engranajes: las sucesivas pruebas habían desgastado
la presión de los engranajes de transmisión en el conjunto reductor
haciendo que las trasmisión no llegara al motor en descenso y dejando
inutilizado el motor de regeneración, al principio se puso cianocrilato de
metilo, cianocrilato de metilo para plásticos especiales y resina de dos
componentes utilizada en taller ferroviario, ninguno de estos sirvió y se
opto por cambiar el conjunto de engranajes por unos nuevos y de igual
forma el eje de transmisión con la rueda por otro de un tamaño
41
inapreciablemente superior pero suficiente como para crear la presión
adecuada para que no deslizara.
-Escasa velocidad de descenso y escasa fuerza de subida: En las
inclinaciones que el primer motor podía subir el conjunto de bajada no era
suficiente para que bajara, dado que la propia retención mecánica era
suficiente como para frenar, al aumentar la inclinación descendía
encendiendo los leds pero era imposible subir, para ello añadimos un
segundo motor de apoyo en subida y en bajada para dar velocidad al
conjunto en ambas situaciones inicialmente alimentados a 3V siendo la
velocidad resultante suficiente para subir y bajar pero a una velocidad que
no llegaba a generar suficiente energía, por ello se aumento la potencia a
4,5V con lo que se mejoró muchísimo la velocidad pero seguía sin ser
suficiente, por ultimo se puso en serie la base de pilas de 3V más la de
4.5V para sumar los 7,5V (considerando motores de 3V) dando la
velocidad más que suficiente como para subir a una velocidad notable y
bajar con la suficiente velocidad para que el generador alcance tensiones
suficientes para encender los leds y recrear el efecto de frenado
regenerativo eléctrico.
-Error de diseño: El primer circuito diseñado fue montado de forma
correcta pero sin conseguir el resultado esperado de forma que la auto
alimentación de los relés no se daba como deseábamos, se pensó que era un
error de conexiones y se volvió a conectar el circuito, revisando todas las
soldaduras, pero todo estaba correcto al final optamos por estudiar el
circuito que se había diseñado primeramente y se vio que la
autoalimentación del segundo led y del primero quedaba sujeta al primer
interruptor marcha de forma que cuando se ponía en marcha en un primer
momento el relé hacia contacto pero perdía la continuidad, se rediseño el
circuito de forma correcta y se volvió a estañar consiguiendo el efecto que
se buscaba de forma satisfactoria.
-error de montaje: Al principio no se localizó de forma correcta el lugar
físico a el cual correspondía el diseño en el plano y se hicieron conexiones
en lugares erróneos. Se solucionó el problema dimensionando en un plano
lo que se había conectado paso a paso y se vio que no coincidían con lo que
debía ser y se corrigió el error.
42
-Imágenes de la práctica:
Esta hecha a base de
perfiles de estantería de
metal, su longitud son
dos metros, los topes de
principio y final de
carrera son de madera y
están enganchados con
una cinta adhesiva de
doble cara, y al
principio
se
ha
colocado un rectángulo
de
porexpan
para
amortiguar la caída por
seguridad.
Rampa.
Motores.
Motores
de
3V
situados en la base
del tren de madera el
de
la
izquierda
funciona de subida y
de bajada y el de la
derecha es el de solo
tracción se subida en
la
bajada
no
funciona porque es
el
motor
que
regenera la energía
eléctrica
43
El freno Reostático de
los trenes se producen
consumiendo
la
energía que genera el
motor
por
el
movimiento del tren
en forma de calor en
unas resistencias que
se sitúan en el techo,
se ha querido simular
de alguna manera
situando los leds en la
parte superior del tren
aunque finalmente no
irán situadas en el
techo, sino en la placa
estañadas al lado de
los relés, al principio
se hizo de esta manera
porque así resulta más
sencillo hacer pruebas
de frenado conectando
y desconectando los
leds a esa placa sin
estañar pero una vez
configurada
y
estudiado
el
comportamiento
se
puede soldar en la
placa definitiva.
44
Instrumento utilizado para
medir tensiones, y saber si
hay continuidad en algún
componente, función que ha
sido muy útil para el
correcto entendimiento de
los interruptores y los relés,
también
para
localizar
errores en el circuito físico.
Tester multímetro
Estos son los alicates de corte utilizados a
lo largo de toda la práctica, con se ha
podido cortar infinidad de cables, bridas de
plástico, placas,…
Alicates de corte
Estos alicates de punta fina se han
utilizado sobretodo para sujetar cosas que
estaban a una elevada temperatura, y
también para coger cosas que requerían
más precisión.
Alicates de punta fina
45
El soldador y el estaño son
los
instrumentos de soldadura básicos con los
cuales se han hecho las conexiones de los
cables y los elementos del circuito
diseñado.
Para hacer una buena soldadura es
importante que este bien caliente para que
el estaño se pegue bien y que fuerte y
uniforme, porque en una soldadura fría el
contacto es malo y puede traer problemas.
Soldador y estaño
Los fastons son una pieza de soldadura
muy útil, es como un soporte donde
estañar los cables y permite hacer las
conexiones de cables de forma directa y
poder ir desconectando y conectando sin
tener que desestañar, es una pieza ideal
para hacer pruebas y prácticas de este tipo.
*http://digilander.libero.it/nick47/au01.htm
:Figura2
Diciembre/12
fastons
46
Este interruptor tiene tres
posiciones y se ha
utilizado de interruptor
general para poner en
marcha
el
circuito
eléctrico y para pararlo.
Un interruptor
El interruptor trasero es el
interruptor marcha que
acciona los dos motores en
forma de tracción y el
interruptor paro es el
primero que cuando se
acciona para el segundo
motor para que regenere y
el motor delantero le
invierte la polaridad para
darle velocidad al tren y
permitir regenerar la energía
de forma más sencilla y
visual.
Interruptores marcha y paro
Estos son los leds que se han
utilizado son leds que
funcionan a 20 miliamperios
(mA) y 3V
leds
47
En estas imágenes se muestra
un parte del circuito físico
muy importante en el cual
vemos
las
pilas
que
alimentan este circuito, los
relés y el interruptor que
están conectados a la placa,
también se puede ver que las
conexiones
no
son
soldaduras directas, sino que
los cables están conectados
mediante los fastons que han
aparecido anteriormente, esas
piezas de metal doradas
donde poder estañar el cable
y así poder conectar y
desconectar con facilidad, se
puede ver que los fastons han
sido envueltos en cinta
aislante negra para que no
pudiera
haber
alguna
conexión o algún contacto
entre ellos que provocara que
el
circuito
dejara
de
funcionar correctamente.
Circuito físico
48
Los relés son los elementos del
circuito a los cuales va sujeto el
sistema de marcha y paro del tren,
el primer relé queda conectado de
un extremo al interruptor paro y por
el otro al marcha, de ese último
extremo lo conectamos también a
un conector común del propio relé,
la pila se conecta por un polo al
paro y por el otro al conector
normalmente abierto del relé que al
conectar coincida justamente con el
común anterior, este mismo polo de
pila se conecta también al
interruptor marcha para acabar de
cerrar el circuito de esa forma se
consigue la autoalimentación del
relé, como aparece anteriormente
en el diseño gráfico del circuito.
Los relés.
Estos engranajes tienen
distintas combinaciones
para poder transmitir al
los ejes la energía cinética
del motor de una forma
más directa y con un
efecto de incremento de
velocidad de una forma
más indirecta perdiendo
velocidad
e
incrementando su fuerza.
Motor de 3V y engranajes.
*todas las fotos han sido tomadas de la practica real y no de Internet.
49
8. Respuesta a la hipótesis.
Gracias a los datos numéricos obtenidos en este proyecto, la práctica y los
objetivos marcados de la recuperación energética ferroviaria de frenado y
su consiguiente aprovechamiento, nos a permitido aprender que si es
posible reducir el coste energético de los trenes y que además salgan datos
rentables.
El llevar acabo este tipo de proyecto, ya no queda sujeto al estudio de su
eficiencia, ya que se ha argumentado lo suficiente, el único punto en contra
son las negociaciones posteriores que cada compañía quiera acordar para
saber donde reconducir esta energía, las compañías eléctricas deben estar
dispuestas a comprar esta energía o a pactar otros tipos de acuerdos, y este
hecho junto con el coste, es lo que dificulta las incorporaciones de mejoras
en los sistemas de ahorro energéticos.
9. Conclusiones.
Las conclusiones extraídas después de realizar todo el proyecto son las
siguientes:
Una forma de optimizar el consumo eléctrico ferroviario es incorporar
sistemas como el propuesto de aprovechamiento energético.
Gracias a los cálculos podemos ver que el nivel de aprovechamiento
energético esta relacionado por una parte con el número de estaciones que
tengamos, es decir, cuanto menor sea la distancia entre las estaciones
mayor energía de frenado se podrá aprovechar.
Las pendientes negativas pronunciadas afectan de manera muy positiva en
el aprovechamiento energético del sistema de frenado ferroviario; ya que si
aun no ha llegado a la distancia de frenado, donde también se beneficia el
aprovechamiento, puede que el tren llegue a superar el limite de velocidad
de los 90 Km/h y necesite un freno constante, en esa situación el freno
eléctrico aportaría todo su potencial.
50
10. Glosario.
Elementos ferroviarios: infraestructura que capacita a las unidades
móviles.
Subestación: Recibe la energía de la compañía la transforma y la
envía al tren.
Dinámica: La dinámica es la parte de la mecánica que se ocupa del
estudio del movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de las
fuerzas.
Fuerzas pasivas: Fuerzas que no dependen de la acción del tren.
Fuerzas activas: Fuerzas que son consecuencia directa de la acción
del tren.
Fuerza de frenado: Fuerza activa del tren para retener su avance
Fuerza de tracción: Fuerza activa del tren para avanzar
Pestañas (1): reborde de la rueda que mantiene el tren entre los
carriles.
Plano de rodadura (2): parte de la rueda donde se soporta el peso del
tren apoyándose en el carril.
1
2
*pestaña y plano de rodadura.
http://www.google.es/imgres?um=1&hl=es&safe=off&tbo=d&rlz=1C1GGGE_esES413ES417&biw=2133&bih=1067&t
bm=isch&tbnid=QkSFgGzBgiwoKM:&imgrefurl=http://www.skyscrapercity.com/showthread.php%3Ft%3D805412%2
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dsp=63&ved=1t:429,r:2,s:0,i:85
Boggie: Carro situado debajo del vehiculo donde se fijan los ejes del
tren y permite el giro respecto a la caja del tren.
51
*Boggie http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Bettendorf_truck_at_Illinois_Railway_Museum.JPG
Efecto pistón: Efecto producido cuando el tren se desplaza dentro de
un túnel moviendo así el aire equivalente a su volumen hacia delante
creando una sobre presión que se opone al movimiento.
Frenos neumáticos o mecánicos: Frenos de servicio que bloque el
movimiento de las ruedas por simple presión de unas pastillas de
freno sobre la rueda o disco de freno fijado al eje.
Frenos eléctricos: Freno de servicio que desacelera el movimiento
del tren utilizando la energía generada por los motores en
funcionamiento como generadores.
Receptor: Recibe energía eléctrica y la transforma en otro tipo de
energía, sea bien cinética, térmica,…
Generador: genera energía eléctrica a través de otro tipo de energías
sea bien cinética,…
Reostático: Freno eléctrico que consume la energía en resistencias.
Regenerativo: Freno que aprovecha las propiedades del freno
eléctrico para optimizar el rendimiento.
Servicios auxiliares: Servicios eléctricos del tren que no sean
responsables del movimiento de este, como bien pueden ser la
iluminación, las puertas, etc.
Acumuladores: almacenan energía eléctrica.
Acumuladores embarcados: situados en el propio tren.
Acumuladores situados en tierra: situados fuera del tren.
Baterías: Almacena la energía eléctrica utilizando enlaces químicos.
52
Ultracondensadores: Almacena la energía eléctrica utilizando la
capacidad entre dos placas separadas por dieléctricos. La
característica de ultra se debe a la gran velocidad de carga y
descarga.
Volantes de inercia: Acumuladores de energía eléctrica mediante
discos de inercia, almacenan esta energía en forma de energía
cinética girando sobre un eje.
Ecuación de la resistencia al avance: Extraída de la formula de
Davis mencionada en la descripción de las columnas de Excel en la
columna de fuerza, potencia y trabajo.
Fastons: Piezas metálicas que facilitan las conexiones eléctricas.
Inversor simple: esquema eléctrico que permite el cambio de
polaridad de un motor. Se indica como simple porque no incorpora
elementos más complejos como temporizadores, arrancadores, ni
freno, etc.
Reductor: Adaptación de la velocidad para el buen funcionamiento
de la maquina y su transmisión.
Interruptor final de carrera: Interruptor que acciona una parte del
circuito al llegar final del recorrido.
Interruptor principio de carrera: Interruptor que acciona una parte
del circuito al iniciar el recorrido.
Leds: Diodo emisor de luz que solo permite la corriente en una
dirección.
Relés: elemento del circuito que permite accionar circuitos de altos
valores con un circuito de menor tensión e intensidad, y permite la
autoalimentación mediante la posición de las conexiones.
Porexpan: Material utilizado en la construcción del tren como
amortiguador.
53
11. Agradecimientos.
Me gustaría expresar mi gratitud a todas las personas que han hecho
posible este trabajo, sin ellas no hubiera llegado al final de éste
proyecto. Para mis padres Antonio Miguel y Begoña por su interés,
trabajo y apoyo incondicional y a mi tutor Iván Furest por su apoyo,
ideas y consejos que le han dado al trabajo la lucidez y calidad que
no podría haber dado solo. También agradecer a Juan Martínez
López porque sin su experiencia y calidad habría resultado imposible
la construcción del tren de la parte experimental y a los “Ferrocarrils
de la generalitat de Catalunya” por toda la información. Espero que
este trabajo pueda dar los resultados deseables, como manera de
devolverles el favor, muchas gracias.
12. Bibliografía.
-Elecrail http://www.investigacion-ffe.es/documentos/elecrail/M13-ElecRail_InformeFinal.pdf Diciembre/12
-http://digilander.libero.it/nick47/au01.htm :Figura2 Diciembre/12
-Curso de eficiencia energética en ferrocarriles urbanos e
interurbanos, Ingeteam. Noviembre/12
-Determinación de las condiciones optimas de conducción como
forma de reducir el consumo energético de los trenes, Eduardo
Aragón Gurría. Noviembre/12
-“Desenvolupament d’activitats adreçades al diagnòstic energètic de
tracción i identificación de mesures d’estalvi i eficiència energètica”,
FGC, J. Rull. Octubre/12
-Ficha técnica de locomotoras de tracción dual diesel/eléctricas,
EuskoKargo, Ingeteam. Septiembre/12
-Ficha técnica de los Equipos de tracción ferroviaria Euskotren,
Ingeteam. Septiembre/12
-Metodología de evaluación de la eficiencia energética del material
móvil ferroviario, Fundación de los ferrocarriles Españoles. Enero/13
-Plano eléctrico de un tren, FGC. Septiembre/12
54
-“Subestacions i electrificacions”, FGC. Octubre/12
-Plano eléctrico de un tren II, FGC. Octubre/12
-Plano eléctrico de un tren III, FGC. Octubre/12
-Diseño y topología de convertidor para la recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, Ingeteam. Noviembre/12
-Sistemas
regenerativos
Noviembre/12
eléctricos
ferroviarios,
Ingeteam
-Manual de conducción, cremallera de Monserrat. Noviembre/12
-Manual descriptivo, Monserrat. Noviembre/12
-“Maquinaria de treball”. FGC Noviembre/12
-Material móvil histórico. FGC Octubre/12
-Normativa para la reglamentación de los materiales, FGC.
Noviembre/12
-Unidad de trenes línea Barcelona Vallès, FGC. Octubre/12
-Unidad de trenes línea Llobregat Anoia, FGC. Octubre/12
-Unidad de trenes línea de mercaderías Llobregat Anoia, FGC.
Octubre/12
-Unidad de trenes línea Ribes Núria, FGC. Octubre/12
-Ficha técnica A10 y A11, FGC. Octubre/12
-Web
de
Tecnología
Eléctrica
“Tu
verás”
http://www.tuveras.com/maquinaselectricas.htm Noviembre/12
-Master en sistemas ferroviarios. Módulo de material rodante. El
Freno Eléctrico”.Instituto de Postgrado y Formación Continua de la
Universidad Pontificia Comillas de Madrid. Noviembre/12
55
-Transparencias sobre Ferrocarriles. Centro Politécnico Superior
Universidad de Zaragoza. Departamento de Ingeniería Mecánica.
Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes.
http://www.cps.unizar.es/~transp/Ferrocarriles/INDICE.html
Noviembre/12
-"Design of Control Systems for DC Drives", Springer Verlag.
Noviembre/12
56