Es sorprendente saber que en los trenes eléctricos, la potencia recogida de las líneas aéreas termina en el cable de puesta a tierra de la vía después de pasar por una conversión trifásica de frenado regenerativo y líneas aéreas en zigzag. Todo esto hace que la tecnología de los trenes eléctricos sea bastante única. Vamos a entender todos los secretos de ingeniería detrás del tren eléctrico, comenzando desde el diseño más simple posible.
El diseño más simple de un tren eléctrico
El diseño más simple de un tren eléctrico muestra una sola línea deslizante que recoge la potencia eléctrica de las líneas aéreas. Esta potencia se alimenta a un motor de inducción monofásico cuyo rotor está conectado a las ruedas para completar el circuito. El otro terminal del motor de inducción está conectado a tierra a través de un cepillo de eje conectado a las ruedas. Las ruedas están siempre en contacto con la vía, que también está conectada a tierra. De esta manera, se puede ver cómo la corriente de la línea aérea pasa a través del motor de inducción, los cepillos de eje, las ruedas y finalmente a la vía y a tierra.
Cuando la corriente pasa a través del rotor del motor de inducción, este gira junto con las ruedas. Sin embargo, una rueda giratoria se moverá hacia adelante, lo que significa que el siguiente circuito de puesta a tierra debe estar disponible a una distancia muy corta del anterior.
Detalles del cepillo de eje
Los cepillos de eje están colocados en las ruedas giratorias y la corriente se transfiere a las ruedas a través de estos cepillos de carbono que se deslizan sobre el disco adherido al eje de las ruedas. Una vez más, este es el diseño más simple de un tren eléctrico.
Mejorando el diseño del tren
La tensión utilizada en la línea aérea es de 25 kilovoltios, que es una tensión muy alta. Los motores requieren una tensión mucho menor para funcionar. Por esta razón, necesitamos alimentarla a un transformador de reducción de tensión que transforma la tensión al nivel deseado. La alimentación de la línea aérea pasa inicialmente a través del primario del transformador y aquí se completa el circuito debido a la puesta a tierra. Debido a la acción del transformador, se induce corriente en el devanado secundario y se alimenta energía de menor voltaje al motor.
Para obtener una alta tracción, como en el caso de los trenes, el motor debe suministrar un par de torsión alto y uniforme, incluso si la velocidad del motor varía. Los motores de inducción trifásicos son la elección perfecta para cumplir con los requisitos de par uniforme y alto. Estirar un cable trifásico para alimentar este motor no es una buena idea, ya que es muy poco económico. Por eso se utiliza un rectificador y un inversor para convertir la alimentación monofásica en una alimentación trifásica.
En este punto, el motor que hemos construido parece perfecto. Sin embargo, si hacemos un tren completo conectando varios vagones a este motor, queda claro que el motor de un solo motor no tiene suficiente potencia para tirar de todos estos vagones. Por eso agregamos más pares de motor-rueda para hacer el motor más potente. En un motor de tren, se construye un bogie del motor con tres motores de inducción trifásicos, cada uno para conducir tres pares de ruedas. Generalmente, se utilizan dos de estos bogies de motor en un tren completo. También se pueden ver la posición del transformador y los rectificadores hasta ahora.
Transferencia de potencia al tren
Hasta ahora, hemos mostrado cómo transferir la potencia al tren utilizando una única línea suspendida. Sin embargo, este método no es práctico. A veces no es posible mantener la misma distancia entre el tren y la línea aérea, lo que significa que se debe utilizar un mecanismo de altura variable para una correcta recogida de potencia. Esto se logra mediante pantógrafos. Un pantógrafo moderno puede ajustar su altura basado en la presión de un sistema neumático. Durante este ajuste de altura, el colector de corriente permanece siempre horizontal. El colector de corriente debe estar perfectamente horizontal para evitar problemas en la transmisión de energía.
Ahora, veamos el pantógrafo en acción. Si por alguna razón el pantógrafo pierde su conexión con el cable, el tren continuará su recorrido libre durante varios kilómetros debido a su gran impulso.
Líneas aéreas en zigzag
¿Alguna vez te has preguntado por qué las líneas aéreas se estiran en zigzag? Este arreglo asegura que la cabeza del colector del pantógrafo no toque el cable aéreo en un punto de contacto constante. Debido a este arreglo, el desgaste es mínimo.
Control de velocidad y frenado
Para controlar la velocidad, podemos cambiar la frecuencia de suministro de energía del motor de inducción. Esto se logra mediante el rectificador y el inversor. El conductor ajusta la palanca a una posición diferente para cambiar la frecuencia y, por lo tanto, la velocidad del motor.
Después de la aceleración, el aspecto más importante para el tren es detenerse. Esto se logra aplicando un frenado eléctrico. En un motor de inducción normal, la velocidad del rotor es menor que la velocidad del campo magnético rotatorio (RMF). Sin embargo, al disminuir la frecuencia de suministro, podemos invertir esta condición. Curiosamente, cuando la velocidad del RMF es menor que la velocidad del rotor, la dirección de la corriente inducida en las barras del rotor se invierte. Esto genera un par de frenado. Durante esta fase, el motor funciona en modo generador. Sin embargo, este método de frenado no puede detener el tren por completo.
Después de ralentizar el tren utilizando el frenado regenerativo, es necesario aplicar los frenos neumáticos para detener el tren por completo. Este tipo de freno utiliza fuerzas de aire comprimido y resortes para aplicar presión sobre los pistones y las ruedas.
Suministro de energía a los vagones
Una forma de suministrar energía a los dispositivos de cada vagón es mediante la autogeneración. Se monta un alternador debajo del bastidor del vagón y es impulsado por un eje acoplado a una caja de cambios montada en el eje. La salida se rectifica y carga una batería de 110 voltios de cc, creando un suministro continuo de energía a los vagones. Sin embargo, este método de autogeneración no es eficiente, ya que produce una salida de potencia muy fluctuante.
La forma más común de suministrar energía a los vagones es mediante la generación en cabeza. En este método, se agrega un devanado adicional en el transformador de la locomotora que suministra energía a todos los vagones.
Gracias por ver el video. Nos vemos la próxima vez.
