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Un pilón de una línea eléctrica monofásica de 110 kV CA cerca de Bartholomä en Alemania. Las líneas de este tipo se utilizan en Alemania para suministrar a los ferrocarriles eléctricos CA monofásica a 16,7 hercios . En las subestaciones del ferrocarril, se utilizan transformadores para reducirlo a 15 kV .

Los sistemas de electrificación ferroviaria que utilizan corriente alterna (CA) a 15 kilovoltios (kV) y 16,7 hercios (Hz) se utilizan en los ferrocarriles de transporte en Alemania , Austria , Suiza , Suecia y Noruega . El alto voltaje permite la transmisión de alta potencia con la frecuencia más baja reduciendo las pérdidas de los motores de tracción que estaban disponibles a principios del siglo XX. La electrificación ferroviaria a finales del siglo XX tiende a utilizar sistemas de CA de 25 kV y 50 Hzque se ha convertido en el estándar preferido para las nuevas electrificaciones ferroviarias, pero las extensiones de las redes de 15 kV existentes no son del todo improbables. En particular, el túnel base de San Gotardo (inaugurado el 1 de junio de 2016) todavía utiliza electrificación de 15 kV y 16,7 Hz.

Debido a los altos costos de conversión, es poco probable que los sistemas existentes de 15 kV, 16.7 Hz se conviertan a 25 kV, 50 Hz a pesar de que esto reduciría el peso de los transformadores reductores a bordo a un tercio del de los dispositivos actuales.

Historia

Los primeros ferrocarriles electrificados utilizaron motores de CC de bobinado en serie, primero a 600 V y luego a 1500 V. Las áreas con catenarias de CC de 3 kV (principalmente en Europa del Este) utilizaron dos motores de CC de 1500 V en serie. Pero incluso a 3 kV, la corriente necesaria para impulsar un tren pesado (particularmente en áreas rurales y montañosas) puede ser excesiva. Aunque el aumento del voltaje de transmisión disminuye la corriente y las pérdidas resistivas asociadas para una potencia determinada, los límites de aislamiento hacen que los motores de tracción de voltaje más alto no sean prácticos. Transformadoresen cada locomotora, por lo tanto, se requiere reducir los altos voltajes de transmisión a voltajes prácticos de funcionamiento del motor. Antes del desarrollo de formas adecuadas para transformar de manera eficiente las corrientes de CC a través de la electrónica de potencia, los transformadores eficientes requerían estrictamente corriente alterna (CA); por lo tanto, los ferrocarriles electrificados de alto voltaje adoptaron CA junto con el sistema de distribución de energía eléctrica (ver Guerra de las corrientes ).

La red de CA de 50 Hz (60 Hz en América del Norte) ya se estableció a principios del siglo XX. Aunque los motores devanados en serie pueden, en principio, funcionar tanto con CA como con CC (la razón por la que también se conocen como motores universales ), los motores de tracción de bobinado en serie grandes tenían problemas con frecuencias tan altas. La alta reactancia inductiva de los devanados del motor provocó problemas de descarga disruptiva del conmutador y las piezas polares magnéticas no laminadas diseñadas originalmente para CC exhibieron pérdidas excesivas por corrientes parásitas . El uso de una frecuencia de CA más baja alivió ambos problemas.

En los países de habla alemana, la electrificación de alto voltaje comenzó a las 16+23 hercios , exactamente un tercio de la frecuencia de la red eléctrica nacional de 50 Hz. Esto facilitó el funcionamiento delos convertidores rotativosde la frecuencia de la red y permitió que losgeneradores deenergía ferroviarios dedicadosfuncionaran a la misma velocidad del eje que un generador estándar de 50 Hz al reducir el número de pares de polos en un factor de tres. Por ejemplo, un generador que gira a1000 rpm se enrollaría con dos pares de polos en lugar de seis.

Plantas independientes suministran energía ferroviaria en Austria, Suiza y Alemania, excepto en Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt ; los convertidores alimentados por la red suministran energía ferroviaria en esos dos estados alemanes más Suecia y Noruega. Noruega también tiene dos centrales hidroeléctricas dedicadas a la energía ferroviaria con 16+ Salida de 23 hertz .

Los primeros generadores fueron generadores de CA síncronos o transformadores síncronos; sin embargo, con la introducción de los modernos generadores de inducción de doble alimentación , la corriente de control indujo un componente de CC no deseado, lo que provocó problemas de sobrecalentamiento de los polos. Esto se resolvió desplazando la frecuencia ligeramente lejos de exactamente ⅓ la frecuencia de la red; Se eligió arbitrariamente 16,7 hercios para permanecer dentro de la tolerancia de los motores de tracción existentes. Austria, Suiza y el sur de Alemania cambiaron sus centrales eléctricas a 16,7 Hz el 16 de octubre de 1995 a las 12:00 CET. [1] [2] Tenga en cuenta que las secciones electrificadas regionales operadas por generadores síncronos mantienen su frecuencia de 16+23 Hzal igual que Suecia y Noruega todavía operan sus redes ferroviarias a 16+23 Hz entodas partes.

Una de las desventajas de las locomotoras de 16,7 Hz en comparación con las locomotoras de 50 Hz o 60 Hz es el transformador más pesado requerido para reducir la tensión de la línea aérea a la utilizada por los motores y su equipo de control de velocidad. Los transformadores de baja frecuencia deben tener núcleos magnéticos más pesados y devanados más grandes para el mismo nivel de conversión de energía. (Ver efecto de la frecuencia en el diseño de transformadores ). Los transformadores más pesados ​​también conducen a cargas por eje más altas que los de una frecuencia más alta. Esto, a su vez, conduce a un mayor desgaste de las orugas y aumenta la necesidad de un mantenimiento más frecuente de las orugas. Los ferrocarriles checosse encontró con el problema de la potencia reducida de los transformadores de baja frecuencia cuando reconstruyeron algunas locomotoras de 25 kV CA, 50 Hz (serie 340) para operar en líneas de 15 kV CA, 16,7 Hz . Como resultado de usar los mismos núcleos de transformador (originalmente diseñados para 50 Hz ) a la frecuencia más baja, los transformadores tuvieron que ser reducidos a un tercio de su capacidad original de manejo de potencia, reduciendo así el esfuerzo de tracción disponible en la misma cantidad ( hasta alrededor de 1.000 kW ).

Estos inconvenientes, más la necesidad de una infraestructura de suministro separada y la falta de ventajas técnicas con los motores y controladores modernos, ha limitado el uso de 16+23  Hz y 16,7 Hz más allá de los cinco países originales. La mayoría de los demás países electrificaron sus ferrocarriles a la frecuencia de servicio de 50/60 Hz. La electrificación europea más reciente es principalmente de 25 kV de CA a 50 Hz (principalmente en Europa del Este). La conversión a este voltaje / frecuencia requiere aisladores de voltaje más alto y mayor espacio libre entre líneas y puentes y otras estructuras. Esto es ahora estándar para las nuevas líneas aéreas, así como para la modernización de instalaciones antiguas.

La estandarización europea simple con una alineación de voltaje / frecuencia en toda Europa no es necesariamente rentable ya que la tracción transfronteriza está más limitada por las diferentes normas nacionales en otras áreas. Equipar una locomotora eléctrica con un transformador para dos o más voltajes de entrada es barato en comparación con el costo de instalar varios sistemas de protección de trenes [ cita requerida ] y ejecutarlos mediante el procedimiento de aprobación para acceder a la red ferroviaria en otros países. Sin embargo, algunas nuevas líneas de alta velocidad a países vecinos ya están previstas para construirse a 25 kV (por ejemplo, de Austria a Europa del Este). Las locomotoras más nuevas siempre se construyen con motor asíncronosistemas de control que no tienen ningún problema con una gama de frecuencias de entrada, incluida la CC. Sin embargo, el operador del tren Deutsche Bahn todavía usa modelos más antiguos de la serie de locomotoras eléctricas estándar , aunque algunos tienen ahora 50 años. Tan pronto como estos modelos obsoletos sean retirados, será más fácil estandarizarlos, pero esto puede tardar algunas décadas en suceder. Mientras tanto, Deutsche Bahn tiende a encargar trenes que sean capaces de ejecutar múltiples sistemas de electrificación.

Redes de distribución

líneas monofásicas (dos hilos) que salen de una planta convertidora

En Alemania (excepto Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt ), Austria y Suiza, existe una red de distribución de energía monofásica separada para energía ferroviaria a 16,7 Hz ; la tensión es de 110 kV en Alemania y Austria y de 132 kV en Suiza. Este sistema se denomina suministro de energía ferroviario centralizado. Una red de distribución de energía monofásica separada hace que la recuperación de energía durante el frenado sea extremadamente fácil en comparación con el sistema de 25  kV 50 Hz conectado a la red de distribución trifásica.

En Suecia, Noruega, Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt, la energía se toma directamente de la red trifásica ( 110 kV a 50 Hz ), se convierte en monofásica de baja frecuencia y se alimenta a la línea aérea. Este sistema se denomina suministro de energía ferroviario descentralizado (es decir, local).

Generación y conversión

El sistema centralizado es alimentado por centrales eléctricas especiales que generan 110 kV (o 132 kV en el sistema suizo) AC a 16,7 Hz y por convertidores rotativos o convertidores AC / AC que se alimentan de la red eléctrica nacional (por ejemplo, 110 kV , 50 Hz ), lo convierten a 55-0-55 kV (o 66-0-66 kV) AC a 16,7 Hz . El punto de 0 V está conectado a tierra a través de una inductancia de modo que cada conductor de la línea de alimentación de CA monofásica tenga un voltaje de 55 kV (o 66 kV ) con respecto al potencial de tierra. Esto es similar a la energía eléctrica de fase dividida.sistemas y da como resultado una línea de transmisión equilibrada . La inductancia a través de la cual se realiza la puesta a tierra está diseñada para limitar las corrientes de tierra en caso de fallas en la línea. En las subestaciones transformadoras, el voltaje se transforma de 110 kV (o 132 kV ) CA a 15 kV CA y la energía se alimenta a la línea aérea.

Convertidores asincrónicos

La frecuencia de 16,7 Hz depende de la necesidad de evitar sincronismos en partes de la máquina rotativa, que consiste principalmente en un motor asíncrono trifásico y un generador síncrono monofásico. Dado que el sincronismo se establece en una frecuencia de 16+23 Hz(según los detalles técnicos) en el sistema monofásico, la frecuencia del sistema centralizado se estableció en16,7 Hz.

Las plantas de energía que proporcionan 110 kV , 16,7 Hz , se dedican a generar esta CA monofásica específica o tienen generadores especiales para ese propósito, como la central nuclear de Neckarwestheim o la central hidroeléctrica de Walchensee .

Convertidores síncronos

La energía para el sistema descentralizado se toma directamente de la red eléctrica nacional y se transforma y convierte directamente en 15 kV , 16+23 Hzmediante convertidores síncronos-síncronos o convertidores estáticos. Ambos sistemas necesitan transformadores adicionales. Los convertidores constan de un motor síncrono trifásico y ungenerador síncrono monofásico. El sistema descentralizado en el noreste de Alemania fue establecido por la Deutsche Reichsbahn en la década de 1980, porque no había un sistema centralizado disponible en estas áreas.

Instalaciones para electrificación ferroviaria de 15 kV AC en Alemania, Austria y Suiza

Alemania, Austria y Suiza operan el mayor sistema de CA de 15 kV interconectado con generación central y plantas convertidoras centrales y locales.

Alemania

Subestaciones

En estas instalaciones, la electricidad se reduce de 110 kV al nivel de DB de 15 kV. No hay conversión ni generación de energía.

Cambio de estaciones

Estaciones para conectar / aislar partes del sistema.

Plantas convertidoras centrales

En estas instalaciones, la CA de la red pública se transforma y convierte en CA monofásica y se alimenta a la red de distribución de corriente ferroviaria. En algunas instalaciones, la energía también se alimenta a la línea aérea. La conversión se realiza mediante convertidores rotativos o inversores electrónicos.

Plantas convertidoras locales

En estas instalaciones, la CA de la red pública se transforma y convierte en CA monofásica y se alimenta a la línea aérea. La conversión se realiza mediante convertidores rotativos o inversores electrónicos.

Plantas de energía

Puntos donde dos líneas eléctricas para la corriente de tracción se cruzan sin interconexión

Líneas eléctricas que cruzan la frontera

Alemania - Austria

Antigua frontera entre Alemania Occidental y Oriental

Suiza

Subestaciones

En estas instalaciones, la electricidad se reduce de 132 kV o 66 kV a 15 kV. No hay conversión ni generación de energía.

Plantas convertidoras centrales

En estas instalaciones, la CA de la red pública se transforma y convierte en CA monofásica y se alimenta a la red de distribución de corriente ferroviaria. En algunas instalaciones, la energía también se alimenta a la línea aérea. La conversión se realiza mediante convertidores rotativos o inversores electrónicos.

Cambio de estaciones

Estaciones para conectar / aislar partes del sistema.

Plantas de energía

Puntos, donde dos líneas eléctricas para la corriente de tracción se cruzan sin interconexión

Líneas eléctricas que cruzan la frontera

Alemania – Suiza

Austria

Subestaciones

En estas instalaciones, la electricidad se reduce de 110 kV a 15 kV. No se produce ninguna conversión o generación de energía.

Plantas convertidoras centrales

En estas instalaciones, la CA de la red pública se transforma y convierte en CA monofásica y se alimenta a la red de distribución de corriente ferroviaria. En algunas instalaciones, la energía también se alimenta a la línea aérea. La conversión se realiza mediante convertidores rotativos o inversores electrónicos.

Plantas de energía

Puntos, donde dos líneas eléctricas para la corriente de tracción se cruzan sin interconexión

Noruega

En Noruega, todos los ferrocarriles eléctricos usan 16 kV 16 23 Hz CA [3] (excepto el ferrocarril del museo Thamshavnbanen que usa 6.6 kV 25 Hz CA). El T-bane de Oslo y los tranvías utilizan una potencia de 750 V CC.

Suecia

En Suecia, la mayoría de los ferrocarriles eléctricos utilizan CA de 15 kV 16 23 Hz. Las excepciones incluyen: Saltsjöbanan y Roslagsbanan (1,5 kV DC), el metro de Estocolmo (650 V y 750 V DC) y tranvías (750 V DC). El puente de Oresund que une Suecia y Dinamarca está electrificado a 25 kV , estándar danés; la división se encuentra en el lado sueco cerca del puente. Solo los trenes de dos sistemas (o trenes diésel; poco común) pueden pasar por el punto.

Ver también

  • Lista de sistemas de electrificación ferroviaria
  • Categoría: Locomotoras de 15 kV AC
  • Sistema de transmisión de energía de 25 Hz
  • Electrificación ferroviaria de 25 kV AC
  • Convertidor de fase rotatorio
  • Ensayo de electrificación ferroviaria de Seebach-Wettingen
  • Red de potencia de tracción

Referencias

  1. ^ Sistemas de electrificación ferroviaria Bahnstromsystem (alemán)
  2. ^ C. Linder (2002). "Umstellung der Sollfrequenz im zentralen Bahnstromnetz von 16 2/3 Hz auf 16,70 Hz" [Cambio de la frecuencia en la red de suministro de energía eléctrica del tren de 16 2/3 Hz a 16,70 Hz]. Elektrische Bahnen (en alemán). 12 . ISSN 0013-5437 . 
  3. ^ "Bane Energi" . jernbaneverket . Archivado desde el original el 5 de octubre de 2015 . Consultado el 29 de julio de 2015 .

Enlaces externos

  • DB Energie soll Durchleitung von Bahnstrom ermöglichen (en alemán)