Curso FTV N1 Libro Completo Ed 9 7

Dirección General de Seguridad, Organización y Recursos Humanos. Dirección de Formación. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento.

FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS (Programa para Operadores de Mantenimiento y Fabricación N1) Edición 0.1

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Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 1


Formación Técnica de Vehículos

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Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento de Renfe Operadora. Edita: © Renfe Operadora. Dirección de Formación. Dirección General de Seguridad, Organización y Recursos Humanos. QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

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PRÓLOGO

FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS

La finalidad de este libro es la de aportar un soporte documental en los cursos sobre Formación Técnica de Vehículos Ferroviarios dirigidos a aquellos profesionales que acceden a la categoría profesional de Operador de Mantenimiento y Fabricación N1 del Área Industrial de Renfe-Operadora. Las nuevas tecnologías y sistemas que incorporan los trenes de última generación, precisa del desarrollo de acciones formativas que incluyan todo el conocimiento adquirido a través de la experiencia de los profesionales del mantenimiento y las innovaciones técnicas incorporadas recientemente a los sistemas de los vehículos ferroviarios. Este libro constituye en sí mismo un ejercicio que pretende recoger todas las materias que forman el cuerpo de conocimientos del Operador de Mantenimiento y Fabricación N1 (Con Formación Técnica de Vehículos), que ejerce una especialidad definida con plena responsabilidad y dominio completo teórico y práctico de su oficio, con una capacitación formativa determinada por los diferentes conocimientos de las condiciones técnicas de los vehículos a mantener. Como texto básico contiene una síntesis del cuerpo de conocimientos que estos trabajadores/as manejan en su actividad profesional, utilizando un nivel descriptivo de los sistemas, componentes, órganos y elementos que componen los vehículos ferroviarios. Así como conceptos relacionados con el mantenimiento, terminología, ciclos, documentación y estructura de los planes. Incluye también aspectos a tener en cuenta relacionados con la prevención de riesgos laborales a este nivel. Esta edición se ha realizado para utilizarse como soporte en el itinerario formativo dirigido a este grupo profesional y es impartido por la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento de Renfe-Operadora. Debe considerarse por tanto material de apoyo y/o auxiliar a las clases que se impartan a lo largo del itinerario.

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Cada uno de los integrantes del equipo de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento ha dedicado todo su esfuerzo en la elaboración de este documento y son conscientes de que no pueden alcanzar toda la diversidad que pueda plantearse, pero es un paso que sin duda abre camino en la transmisión del conocimiento.




ÍNDICE DE CONTENIDOS 1.

VEHÍCULOS FERROVIARIOS ....................................................................................................11

2.

MOTORES ELÉCTRICOS DE C.C. Y C.A.......................................................................................45

3.

EVOLUCIÓN DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA ................................................................................79

4.

TRACCIÓN DIESEL (MOTORES TÉRMICOS) .............................................................................. 121

5.

INTRODUCCIÓN AL FRENO FERROVIARIO .............................................................................. 135

6.

SISTEMAS DE SEGURIDAD Y REGISTRADORES JURÍDICOS ....................................................... 153

7.

INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE ALTA TENSIÓN ..................................................................... 175

8.

SISTEMAS DE RODADURA (BOGIES) ...................................................................................... 185

9.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE CLIMATIZACIÓN .............................................................................. 207

10. INTRODUCCIÓN A VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN (COMUNICACIONES) ........................ 221 11. PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES .................................................................................. 249 12. FORMACIÓN COMPLEMENTARIA ........................................................................................... 259

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13. BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................... 343

4


uel aT de écn Ma ica nte Pr nim ofe s ien ion al to ÍNDICE 1.

VEHÍCULOS FERROVIARIOS ................................................................................................................. 11

1.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 11 1.2 TIPOS DE VEHÍCULOS.................................................................................................................... 12 1.2.1 VEHÍCULO REMOLCADO. ........................................................................................................... 12 1.2.2 VEHÍCULO MOTOR. ................................................................................................................... 13 1.2.3 MATERIAL AUXILIAR Y MATERIAL HISTÓRICO .............................................................................. 14 1.3 CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES ........................................................................ 15 1.4 SISTEMAS DE TRACCIÓN ................................................................................................................ 17 1.4.1 TRACCIÓN DIESEL. .................................................................................................................... 17 1.4.2 TRACCIÓN ELÉCTRICA. ............................................................................................................... 17 1.4.3 FRENO DINÁMICO..................................................................................................................... 18 1.4.4 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR ......................................................................................... 18 1.5 COMPONENTES: ÓRGANOS Y ELEMENTOS ..................................................................................... 19 1.5.1 SISTEMAS DIFERENCIADOS EN UN VEHÍCULO FERROVIARIO....................................................... 19 1.5.2 CONDUCCIÓN/CABINA .............................................................................................................. 20 1.5.3 CONTROL DEL VEHÍCULO .......................................................................................................... 21 1.5.4 COMUNICACIONES.................................................................................................................... 21 1.5.5 TRACCIÓN ................................................................................................................................ 22 1.5.6 ALIMENTACIÓN AUXILIAR .......................................................................................................... 23 1.5.7 SISTEMA NEUMÁTICO DE CAJA................................................................................................... 24 1.5.8 CAJA ......................................................................................................................................... 25 1.5.9 CONFORT ................................................................................................................................. 26 1.5.10 CHOQUE/TRACCIÓN .................................................................................................................. 27 1.5.11 FRENO DE EJES ......................................................................................................................... 28 1.5.12 SUSPENSIÓN DE EJES................................................................................................................ 28 1.5.13 BOGIES .................................................................................................................................... 29 1.5.14 TRANSMISIONES ....................................................................................................................... 33 1.5.15 SISTEMAS DE SEGURIDAD ......................................................................................................... 34 1.5.16 REGISTRADORES JURÍDICOS ...................................................................................................... 35 1.6 MANTENIMIENTO DE UN VEHÍCULO FERROVIARIO ......................................................................... 36 1.6.1 CICLOS DE REVISIONES DE MANTENIMIENTO ............................................................................. 36 1.6.2 CLASIFICACIÓN DE LOS ÓRGANOS DE UN VEHÍCULO ................................................................. 36 1.6.3 PLAN DE MANTENIMIENTO (PM) ................................................................................................ 36 1.6.4 CLASIFICACIÓN DE LOS ÓRGANOS DE UN VEHÍCULO ................................................................. 42 1.6.5 DOCUMENTACIÓN TÉCNICA ....................................................................................................... 43 MOTORES ELÉCTRICOS DE C.C. Y C.A. .................................................................................................. 45

2.1 PRINCIPIOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD ......................................................................................... 45 2.1.1 NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA.................................................................................... 45 2.1.2 MATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORES. (ESTRUCTURA ATÓMICA) ........................................... 46 2.1.3 CORRIENTE ELÉCTRICA .............................................................................................................. 46 2.1.4 SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA ...................................................................................... 47 2.1.5 PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD................................................................................................ 47 2.1.6 FENÓMENOS ASOCIADOS A LA CORRIENTE ELÉCTRICA ............................................................... 48 2.1.7 MAGNITUDES Y UNIDADES ELÉCTRICAS ..................................................................................... 48

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2.




2.1.8 LEY DE OHM ............................................................................................................................. 49 2.1.9 CIRCUITOS ELÉCTRICOS ............................................................................................................. 50 2.1.10 ANALOGÍA HIDRÁULICA PARA CIRCUITOS ELÉCTRICOS ............................................................... 51 2.1.11 TIPOS DE CIRCUITOS ................................................................................................................. 51 2.1.12 SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA ............................................................................................................ 53 2.1.13 APARATOS DE MEDIDA ELÉCTRICA ............................................................................................. 53 2.1.14 MAGNETISMO ........................................................................................................................... 55 2.1.15 BASES MAGNÉTICAS DE UN MOTOR ELÉCTRICO.......................................................................... 57 2.2 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ................................................................................................................ 58 2.2.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 58 2.2.2 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS: TRANSFORMADORES .......................................................... 58 2.2.3 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: GENERADORES Y MOTORES............................................... 59 2.2.4 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO ............................................................................................ 60 2.2.5 CONSTITUCIÓN GENERAL DE LAS MAQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS ......................................... 60 2.2.6 GENERADORES ELECTROMAGNÉTICOS ....................................................................................... 61 2.2.7 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS .......................................................................... 62 2.2.8 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA ......................................................................................... 63 2.2.9 TIPOS DE MOTORES SEGÚN SU CONEXIÓN ................................................................................ 66 2.2.10 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ........................................................................................... 66 2.2.11 CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO ................................................................................................ 67 2.2.12 MOTORES SÍNCRONOS .............................................................................................................. 68 2.2.13 MOTORES ASÍNCRONOS ............................................................................................................ 69 2.2.14 DESLIZAMIENTO........................................................................................................................ 70 2.2.15 CONEXIONADO DE MOTORES TRIFÁSICOS ................................................................................. 72 2.2.16 INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO ............................................................................................ 73 2.3 APLICACIONES FERROVIARIAS ....................................................................................................... 74 2.3.1 GENERALIDADES ....................................................................................................................... 74 2.3.2 FRENADO DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS .................................................................................. 75 2.3.3 RESUMEN ................................................................................................................................. 75 2.4 SEGURIDAD ELÉCTRICA ................................................................................................................. 76 2.4.1 CONTROL DE PROTECCIÓN BÁSICA ............................................................................................ 76

3.

EVOLUCIÓN DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA ............................................................................................. 79 HISTORIA ..................................................................................................................................... 79 MOTOR DE CONTINUA .................................................................................................................. 81 ESTATOR ................................................................................................................................... 81 ROTOR ..................................................................................................................................... 82 ESCOBILLAS .............................................................................................................................. 82 PIÑÓN DE ATAQUE ................................................................................................................... 83 CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA ...................................................................... 83 MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA JAULA ARDILLA ............................................................................ 85 ESTATOR ................................................................................................................................... 85 EL ROTOR ................................................................................................................................. 86 CONVERTIDORES .......................................................................................................................... 88 CONVERTIDORES DE TRACCIÓN ................................................................................................. 88 CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER) ............................................................ 88 CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES) ...................................................... 89 RECTIFICADOR .......................................................................................................................... 89

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3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4

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3.4.5 SERVICIOS AUXILIARES ............................................................................................................. 89 3.4.6 CONVERTIDORES ROTATIVOS .................................................................................................... 91 3.5 SEMICONDUCTORES ..................................................................................................................... 93 3.5.1 DIODOS.................................................................................................................................... 93 3.5.2 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA - POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO. .............................................. 94 3.5.3 TIRISTORES ............................................................................................................................... 96 3.5.4 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO. ............................................... 97 3.5.5 TIRISTOR GTO ........................................................................................................................... 98 3.5.6 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO. ............................................... 99 3.5.7 IGBT ....................................................................................................................................... 100 3.6 FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN......................................................................... 101 3.6.1 CONTINUA CHOPPER 251. ...................................................................................................... 101 3.6.2 ALTERNA GTOS 252 ................................................................................................................ 103 3.6.3 PROTECCIONES ....................................................................................................................... 106 3.6.4 REFRIGERACIÓN ..................................................................................................................... 110 3.7 HISTORIAL IMPLANTACIÓN DE SEMICONDUCTORES EN RENFE ...................................................... 112

4.

TRACCIÓN DIESEL (MOTORES TÉRMICOS) ........................................................................................... 121

4.1 4.1.1 4.1.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.4 4.5 4.6

INTRODUCCIÓN AL FRENO FERROVIARIO .......................................................................................... 135

5.1 UNIDAD DE FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE ........................................................ 135 5.1.1 EL COMPRESOR ...................................................................................................................... 135 5.1.2 RADIADORES REFRIGERADORES DEL AIRE. .............................................................................. 138 5.1.3 FILTROS Y DESENGRASADORES. .............................................................................................. 138 5.1.4 VÁLVULAS DE SEGURIDAD. ..................................................................................................... 139 5.1.5 DEPÓSITOS. ............................................................................................................................ 139 5.1.6 SECADOR. .............................................................................................................................. 140 5.2 ACTUADORES Y VÁLVULAS EN CIRCUITOS FRENO. ........................................................................ 141 5.2.1 VÁLVULA DE FRENO DIRECTO.................................................................................................. 141 5.2.2 VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA. ................................................................................................ 141 5.2.3 VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE. ................................................................. 141 5.2.4 VÁLVULA DE DOBLE EFECTO.................................................................................................... 141 5.2.5 LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y T.D.P. .............................................................................. 141 5.2.6 VÁLVULAS DE RETENCIÓN. ...................................................................................................... 141

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5.

APUNTES DE TRACCIÓN DIESEL ................................................................................................... 121 LOCOMOTORAS ...................................................................................................................... 122 AUTOMOTORES ....................................................................................................................... 123 TIPOS DE MOTORES UTILIZADOS ................................................................................................. 124 MOTORES DIÉSEL DE DOS TIEMPOS ......................................................................................... 124 MOTORES DIESEL DE CUATRO TIEMPOS ................................................................................... 125 ELEMENTOS QUE COMPONEN EL MOTOR ..................................................................................... 126 BLOQUE DE CILINDROS .......................................................................................................... 126 CILINDROS, BIELAS Y PISTONES .............................................................................................. 127 EL CIGÜEÑAL .......................................................................................................................... 128 CULATAS................................................................................................................................. 129 ACCESORIOS........................................................................................................................... 130 LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN ................................................................................................ 131 ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE ............................................................................................... 132 TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA ................................................................................................... 133




5.2.7 VÁLVULA DE FLUJO. ................................................................................................................ 142 5.2.8 VÁLVULAS REGULADORAS. ...................................................................................................... 142 5.2.9 MANÓMETROS. ....................................................................................................................... 142 5.2.10 ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA. ................................................................................... 142 5.2.11 ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS. ............................................................................................ 143 5.2.12 PRESOSTATOS. ........................................................................................................................ 143 5.2.13 TRANSDUCTORES. ................................................................................................................... 143 5.2.14 DISTRIBUIDOR DE FRENO. ...................................................................................................... 144 5.2.15 RELÉS DE FRENO (AMPLIFICADORES DE VOLUMEN). ................................................................ 145 5.2.16 RELÉS DE FRENO VARIABLES (AMPLIFICADORES DE VOLUMEN). ............................................... 146 5.2.17 CILINDROS DE FRENO. ............................................................................................................ 146 5.3 DIFERENTES FORMAS DE FRENAR. ............................................................................................... 147 5.3.1 FRENO DIRECTO. .................................................................................................................... 147 5.3.2 FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO. ............................................................................................ 148 5.3.3 FRENO ESTACIONAMIENTO. .................................................................................................... 150 5.3.4 FRENO AUXILIO. ..................................................................................................................... 151 5.3.5 FRENO URGENCIA................................................................................................................... 151 5.4 ANTIBLOQUEO. .......................................................................................................................... 152

6.

SISTEMAS DE SEGURIDAD Y REGISTRADORES JURÍDICOS .................................................................... 153

6.1 REGISTRADORES JURÍDICOS ........................................................................................................ 153 6.1.1 REGISTRADOR JURÍDICO TELOC®2500 .................................................................................... 154 6.1.2 REGISTRADORES JURÍDICOS CESIS 3G y 4G ............................................................................. 156 6.1.3 REGISTRADOR JURÍDICO DEUTA .............................................................................................. 161 6.1.4 REGISTRADOR JURÍDICO MEMOTEL .......................................................................................... 162 6.2 ASFA DIGITAL ............................................................................................................................. 164 6.2.1 DESCRIPCIÓN ......................................................................................................................... 164 6.2.2 SEÑALES DE ASFA DIGITAL ...................................................................................................... 166 6.2.3 COMPONENTES....................................................................................................................... 167

7.

INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE ALTA TENSIÓN .................................................................................. 175

7.1 EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN ........................................................................................................ 175 7.1.1 PANTÓGRAFO ......................................................................................................................... 176 7.1.2 DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN .................................................................... 178 7.1.3 SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA ...................................................................................... 179 7.1.4 DISYUNTOR PRINCIPAL ........................................................................................................... 180 7.1.5 TRANSFORMADORES ............................................................................................................... 181

8.

SISTEMAS DE RODADURA (BOGIES) ................................................................................................... 185 FUNCIONES PRINCIPALES DEL TREN DE RODADURA Y TERMINOLOGÍA .......................................... 185 VEHÍCULOS SIN BOGIE................................................................................................................ 186 VEHÍCULOS CON BOGIE .............................................................................................................. 187 COMPONENTES DEL BOGIE ......................................................................................................... 188 EJE MONTADO ........................................................................................................................ 190 CAJAS DE GRASAS ................................................................................................................... 192 RUEDAS.................................................................................................................................. 195 SUSPENSIÓN .......................................................................................................................... 197 ELEMENTOS ELÁSTICOS (RESORTES) ........................................................................................ 197 AMORTIGUADORES ................................................................................................................. 199 TOPES DE LOS ELEMENTOS DE RODADURA .............................................................................. 200

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8.1 8.2 8.3 8.4 8.4.1 8.4.2 8.4.3 8.4.4 8.4.5 8.4.6 8.4.7

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CONEXIÓN DE LA CAJA CON EL BOGIE..................................................................................... 203


8.4.8

9.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE CLIMATIZACIÓN ........................................................................................... 207

9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.1.4 9.1.5 9.2 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 9.4.5 9.4.6 9.4.7 9.4.8 9.5 9.5.1 9.6

CONCEPTOS BÁSICOS EN REFRIGERACIÓN ................................................................................... 207 CALOR Y TEMPERATURA .......................................................................................................... 207 PRESIÓN................................................................................................................................. 208 TEMPERATURA DE SATURACIÓN .............................................................................................. 209 DIAGRAMA DE MOLLIER .......................................................................................................... 210 ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE ............................................................................................. 211 FLUIDOS FRIGORÍFICOS (REFRIGERANTES)................................................................................... 212 ACEITES USADOS EN REFRIGERACIÓN ......................................................................................... 213 COMPONENTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN ................................................................... 214 COMPRESOR. .......................................................................................................................... 214 CONDENSADORA. ................................................................................................................... 214 DEPÓSITO DE LÍQUIDO. .......................................................................................................... 215 FILTRO DESHIDRATADOR......................................................................................................... 215 MIRILLA O VISOR DE LÍQUIDO. ................................................................................................ 215 VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA ................................................................................. 216 EVAPORADOR. ........................................................................................................................ 216 PRESOSTATOS ......................................................................................................................... 217 FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN. .............................................................. 218 ANÁLISIS DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN. ................................................................................ 219 ZONA DE CONFORT. ................................................................................................................... 220

10. INTRODUCCIÓN A VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN (COMUNICACIONES) ..................................... 221

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10.1 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES ................................................................................... 221 10.1.1 HARDWARE ............................................................................................................................ 221 10.1.2 SOFTWARE.............................................................................................................................. 222 10.2 TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN ............................................................................................ 223 10.2.1 RED ........................................................................................................................................ 223 10.2.2 RED INFORMÁTICA .................................................................................................................. 223 10.2.3 NODO .................................................................................................................................... 223 10.2.4 PROTOCOLOS ......................................................................................................................... 223 10.3 TOPOLOGÍAS DE RED .................................................................................................................. 224 10.3.1 TIPOS DE REDES ..................................................................................................................... 225 10.3.2 COMPOSICIÓN DE LAS REDES.................................................................................................. 225 10.4 TRANSMISIÓN DE DATOS ............................................................................................................ 226 10.5 BUSES DE DATOS ........................................................................................................................ 227 10.5.1 BUS RS-485............................................................................................................................ 227 10.5.2 CAN-BUS ................................................................................................................................ 229 10.5.3 TCN (MVB/WTB) ...................................................................................................................... 230 10.6 CONEXIÓN CON UN PC A TRAVÉS DE RS-232 .............................................................................. 233 10.7 CONEXIÓN DE UN PC A TRAVÉS DE RS-485 .................................................................................. 234 10.8 CONEXIÓN DE UN PC A TRAVÉS DE ETHERNET .............................................................................. 235 10.9 SISTEMAS INFORMÁTICOS EMBARCADOS ..................................................................................... 237 10.9.1 CAF (COSMOS) ........................................................................................................................ 237 10.9.2 ALSTOM (TCMS) ...................................................................................................................... 239 10.9.3 BOMBARDIER (MITRAC) ........................................................................................................... 241 10.10 MANTENIMIENTO........................................................................................................................ 246 Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 9



10.10.1 MANTENIMIENTO PREVENTIVO ................................................................................................ 246 10.10.2 MANTENIMIENTO CORRECTIVO ................................................................................................ 247 10.11 RESUMEN................................................................................................................................... 248

11. PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES............................................................................................... 249 11.1 INTRODUCCIÓN A LA PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES......................................................... 249 11.1.1 PRINCIPIOS GENERALES DE PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES .......................................... 249 11.1.2 EL TRABAJO Y LA SALUD .......................................................................................................... 249 11.1.3 LOS RIESGOS LABORALES........................................................................................................ 249 11.1.4 CONSECUENCIA DE LOS RIESGOS ............................................................................................ 249 11.2 RIESGOS ESPECÍFICOS EN EL MANTENIMIENTO DEL MATERIAL FERROVIARIO ................................. 251 11.2.1 ATROPELLOS, ATRAPAMIENTOS Y ARROLLAMIENTOS CON VEHÍCULOS/TRENES.......................... 251 11.2.2 EXPOSICIÓN A CONTACTOS ELÉCTRICOS (DIRECTOS O INDIRECTOS) ......................................... 252 11.2.3 EXPOSICIÓN A SUSTANCIAS NOCIVAS O TÓXICAS. ................................................................... 253 11.2.4 RUIDO, EXPLOSIONES, VIBRACIONES Y RADIACIONES ............................................................. 255

12. FORMACIÓN COMPLEMENTARIA ........................................................................................................ 259 12.1 PBL-3 - INTRODUCCIÓN AL PANEL DE MANDO ............................................................................. 259 12.1.1 ASPECTOS GENERALES ............................................................................................................ 259 12.1.2 ELEMENTOS QUE LOS FORMAN ............................................................................................... 260 12.1.3 GESTOR DE OPERACIONES DE TFA ........................................................................................... 268 12.2 DISTRIBUIDOR SW4 .................................................................................................................... 275 12.2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL. ......................................................................................................... 275 12.2.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES. .............................................................................................. 276 12.2.3 COMPONENTES QUE LO FORMAN............................................................................................ 277 12.2.4 FUNCIONAMIENTO.................................................................................................................. 285 12.3 BOBINADO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS ...................................................................... 299 12.3.1 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS ......................................................................................... 299 12.3.2 BOBINADOS. GENERALIDADES ................................................................................................ 314 12.3.3 BOBINADOS DE CORRIENTE CONTINUA ................................................................................... 324 12.3.4 BOBINADOS DE CORRIENTE ALTERNA ...................................................................................... 330 12.3.5 ENSAYOS Y AVERÍAS COMUNES............................................................................................... 335

13. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................. 343

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Este libro ha sido elaborado por la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento de Renfe Operadora. Es propiedad de Renfe Operadora. Queda prohibida su reproducción total o parcial por cualquier medio sin la autorización expresa del propietario.

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Vehículos ferroviarios

1. VEHÍCULOS FERROVIARIOS

1.1

INTRODUCCIÓN

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La evolución del transporte por ferrocarril, desde la época de la tracción a vapor, ha estado marcada por el desarrollo y perfeccionamiento de los motores de combustión y los motores eléctricos, lo que ha permitido crear nuevas locomotoras y automotores capaces de desarrollar mayores potencias y alcanzar velocidades más elevadas. Así como los vehículos remolcados también se han visto mejorados con el tiempo. Coches, vagones, material rodante auxiliar, material especial y material histórico han ido adoptando las mejoras tecnológicas para tener mejor funcionamiento, mayor seguridad y mejor rendimiento de cara a la explotación.



TIPOS DE VEHÍCULOS


1.2

Dentro del sistema ferroviario, se puede establecer una clasificación de vehículos en dos apartados generales, atendiendo a su finalidad: o Vehículos remolcados. o Vehículos motores.

1.2.1 VEHÍCULO REMOLCADO.

Un vehículo remolcado es una unidad inerte, susceptible de ser arrastrada por un vehículo motor, individualmente o formando parte de una composición de varios vehículos remolcados. Se pueden diferenciar dos grupos de vehículos remolcados: o Coches: Son vehículos remolcados destinados al transporte de viajeros. o Vagones Son los destinados al transporte de mercancías.

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Figura 1-1. Vehículos remolcados.

12




1.2.2 VEHÍCULO MOTOR.

Un vehículo motor es una unidad tractora capaz de circular por la línea férrea, bien sea independientemente o remolcando una composición, impulsada por el par motor que le proporciona su propio sistema de tracción. En este apartado se pueden considerar dos grupos: o Automotores o autopropulsados. o Locomotoras.

Figura 1-2. Vehículo motor.

Figura 1-3. Vehículo motor.

1.2.2.1

AUTOMOTOR O AUTOPROPULSADO.

Esc

Es un vehículo motor propulsado en el que la distribución de su planta motriz permite el transporte de viajeros en el interior del habitáculo que delimita la caja o carrocería. Tiene capacidad tractora y puede llevar carga comercial. Un automotor puede estar formado por diversas combinaciones de vehículos independientes que constituyen un conjunto indivisible de cara a la explotación. Se distingue entre coches motores y coches remolques, siendo los primeros los que se encargan de generar la tracción del conjunto.

Figura 1-4. Automotor diésel.

Figura 1-5 Automotor eléctrico. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 13


LOCOMOTORA.


1.2.2.2

Es un vehículo motor, que puede ser propulsado mediante motores eléctricos, diésel o una combinación de ambos. A diferencia del automotor, este es un vehículo independiente, que se utiliza para remolcar vagones o coches. Tiene capacidad tractora y no puede llevar carga comercial. Además de estos cuatro grandes grupos, también se encuentran una serie de vehículos, con propósitos o funcionalidades especiales, pero que asimismo requieren de un mantenimiento periódico. Este es el caso de los vehículos calificados como material auxiliar y el material histórico. Por material auxiliar se concibe todo aquel vehículo que sirve tanto para el remolcado de unidades de tren averiadas como el destinado a realizar labores de mantenimiento en vías.

Figura 1-6. Locomotora eléctrica.

Figura 1-7. Locomotora diésel.

1.2.3 MATERIAL AUXILIAR Y MATERIAL HISTÓRICO

Esc

Son vehículos, con propósitos o funcionalidades especiales, pero que asimismo requieren de un mantenimiento periódico. Por material auxiliar se concibe todo aquel vehículo que sirve tanto para el remolcado de unidades de tren averiadas como el destinado a realizar labores de mantenimiento en vías.

14

Figura 1-8. Material auxiliar.



CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES


1.3

Las locomotoras actuales tienen todos los ejes motores. Sin embargo, en los vehículos automotores se disponen tanto de ejes motores como de ejes portadores distribuidos según soluciones técnicas del fabricante. En tal caso, y a efectos de tracción, podemos diferenciar dos conceptos en función de la localización de los ejes motores: o Tracción concentrada. Todos los ejes motores se agrupan en vehículos llamados motrices. Ejemplo S100, S102, S130... o Tracción distribuida. Son aquellos automotores en los que los ejes motores están repartidos a lo largo de toda la composición. Ejemplo S104, S465, S490... La tracción distribuida ofrece ventajas sobre la tracción concentrada, siendo las más importantes: o Mayor aprovechamiento del espacio sobre bastidor, incrementando el número de plazas. o Mejor distribución de masas y aprovechamiento de la tracción. Y como inconveniente: o Construcción y mantenimiento más complejo.

Existen vehículos automotores que comparten bogies o rodales entre dos cajas consecutivas, son los considerados como articulados. Algunas características de esta disposición podrían ser: o En el caso de producirse descarrilamiento, la composición permanecerá solidaria, siendo imposible el vuelco individual de una caja. o Al disponer de menos bogies que una composición no articulada, se mejoran los efectos aerodinámicos y los costes de mantenimiento. o Al tener menor número de ejes, obliga a utilizar materiales más ligeros para no incrementar el peso por eje.

Esc

Figura 1-9. Composición articulada.




A efectos de composición según el número de unidades acopladas, podemos hablar de: o Composición sencilla. Formada por un único conjunto motriz (locomotora o automotor). o Composición múltiple. Formada por dos o más unidades motrices (locomotoras o automotores). Hablamos de doble tracción (dos vehículos), triple tracción...

Figura 1-10. Composición múltiple.

Esc

En este último caso, podemos diferenciar dos situaciones respecto al control sobre la composición: o Mando múltiple: Toda la composición se controla desde una sola cabina de conducción. o Tracción múltiple: Cada vehículo de la composición se controla de forma independiente.

16



SISTEMAS DE TRACCIÓN


1.4

En la actualidad existen vehículos basados en dos sistemas generales de tracción, como son: o Tracción diésel. o Tracción eléctrica.

1.4.1 TRACCIÓN DIESEL.

Un motor de combustión diésel es el que genera la potencia. Según la forma en el que se transmita el esfuerzo a los ejes motores, distinguimos tres tipos: o Tracción diésel-mecánica. o Tracción diésel-eléctrica. o Tracción diésel-hidráulica. 1.4.1.1

TRACCIÓN DIESEL – MECÁNICA.

La potencia desarrollada por un motor diésel se transfiere a los ejes de forma mecánica, es decir, mediante sucesivos acoplamientos de piñones, generalmente ubicados en una caja de cambios, y árboles de transmisión de giro, unidos por juntas fijas o articuladas, que enlazan el cigüeñal del motor con la caja de cambios, y de ésta, por medio de la transmisión, a la reductoras de los ejes motores. 1.4.1.2

TRACCIÓN DIESEL – ELÉCTRICA.

En la cual la potencia desarrollada por un motor diésel, se aplica a un generador eléctrico, y la energía eléctrica producida por este es la que, a través de un circuito de control de potencia, se dirige a los motores eléctricos, los cuales transmiten el movimiento a los ejes. De este tipo son las locomotoras, Loc. S310; S319, S333 Y S334 con motores de tracción de corriente continua y la Loc. S311, con un sistema de control de potencia basado en un conjunto rectificador-ondulador y motores de tracción de corriente alterna trifásica. 1.4.1.3

TRACCIÓN DIESEL – HIDRÁULICA.

La transferencia del par motor a las ruedas se efectúa a través de uno o varios convertidores de par hidráulicos. Por ejemplo, los automotores de las series S592, S594 y S596.

1.4.2 TRACCIÓN ELÉCTRICA.

En estos vehículos, la energía que alimenta los motores eléctricos de tracción se obtiene de un sistema de suministro de energía eléctrica fijo a través del hilo de contacto de la catenaria. Se pueden distinguir varios grupos, atendiendo el modo de controlar la potencia de tracción, y al tipo de motores eléctricos que lleven incorporados. Con esta clasificación, básicamente, podemos distinguir cuatro tipos: o Alimentación CC – Control reostático – Motores CC. o Alimentación CC – Control Semiconductores Chopper CC – Motores CC. o Alimentación CC – Control Semiconductores – Motores CA Trifásica. o Alimentación CA monofásica – Control Semiconductores – Motores CA Trifásica. 1.4.2.1

ALIMENTACIÓN CC – CONTROL REOSTÁTICO – MOTORES CC.

Es la que está compuesta por un sistema de control reostático clásico, y motores de tracción de corriente continua. (UT S440; Loc. S269.4)

Esc

Pantógrafo CC → Disyuntor extrarrápido → Control reostático → Motores CC.




1.4.2.2

ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES CHOPPER – MOTORES CC.

En la que se combina un sistema de control chopper con motores de corriente continua (UT S446; Loc. S251). Pantógrafo CC → Disyuntor extrarrápido → Convertidor CC / CC (Chopper) → Motores CC. 1.4.2.3

ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA.

La tensión Consta de un sistema ondulador y motores trifásicos. (Loc. S252; S253; UT S447, Civias).

Pantógrafo CC → Disyuntor extrarrápido → Convertidor CC / CA (Ondulador) → Motores CA trifásicos. 1.4.2.4

ALIMENTACIÓN CA MONOFÁSICA – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA

Dispone de un transformador reductor para adaptar la tensión alterna monofásica de catenaria de 25 kV. Consta de un sistema rectificador-ondulador y motores CA trifásicos. (AVE S100, S102; S103, S104; S120; etc.). Pantógrafo CA → Disyuntor extrarrápido → Transformador → Convertidor CA / CA (Rectificador - Ondulador) → Motores CA trifásica.

1.4.3 FRENO DINÁMICO

Se entiende por freno dinámico aquel que origina el propio sistema de tracción al generar un esfuerzo contrario al de arrastre; llegando a ser, en el caso de freno eléctrico, la propia inercia del movimiento de los ejes motores la que induce la retención al avance. Diferenciamos según el tipo de tracción:  Tracción Diésel:  Diésel-mecánica: Freno motor.  Diésel-eléctrica: Freno eléctrico reostático.  Diésel-hidráulica: Freno hidrodinámico.  Tracción Eléctrica:  Freno reostático.  Freno regenerativo.

1.4.4 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR

Esc

La alimentación auxiliar es aquella que suministra electricidad a todos los sistemas del vehículo que necesitan dicha energía. En los vehículos con tracciones eléctricas y diésel-eléctrica, distinguimos entre alimentaciones de tracción y auxiliar, donde la primera se limita al circuito eléctrico de potencia o alta tensión. Como componentes distinguimos:  Convertidores auxiliares.  Generadores auxiliares.  Cargadores de batería.  Baterías. Tipos de alimentación auxiliar:  Trifásica 400 V / 50 Hz.  Monofásica 240 V / 50 Hz.  Continua 24 V, 72 V, 110 V.

18



COMPONENTES: ÓRGANOS Y ELEMENTOS


1.5

1.5.1 SISTEMAS DIFERENCIADOS EN UN VEHÍCULO FERROVIARIO

Aunque cada uno de los componentes que integran un vehículo ferroviario se puede encuadrar en un sistema funcional concreto, en ciertas ocasiones, no está tan definida la frontera entre los diversos sistemas, pues, por ejemplo, un dispositivo del sistema neumático puede interactuar en el sistema eléctrico o viceversa. 1.5.1.1

VEHÍCULOS MOTORES

El conjunto de equipos que componen un vehículo motor se pueden englobar en los siguientes grupos: o Estructuras de caja y bogies. o Sistemas mecánicos. o Sistemas neumáticos. o Sistemas electrónicos. o Sistemas eléctricos. o Sistemas hidráulicos.

1.5.1.2

VEHÍCULOS REMOLCADOS

Esc

En los remolcados, distinguimos entre los dos subgrupos. Coches: o Estructuras de caja y bogies. o Sistemas mecánicos. o Sistemas neumáticos. o Sistemas electrónicos. o Sistemas eléctricos. Vagones: o Estructuras de caja y bogies. o Sistemas mecánicos. o Sistemas neumáticos. o Sistemas eléctricos.




1.5.2 CONDUCCIÓN/CABINA

 Pupitre.  Manipuladores:   



Tracción/Freno dinámico. Velocidad prefijada. Freno directo (accionamiento directo sobre cilindros de freno - solo locomotora).  Freno automático (freno indirecto – presión de control sobre el distribuidor). Indicadores:  Velocidad real/Velocidad prefijada.   



Esfuerzos de tracción/freno dinámico. Tensión de línea. Testigos luminosos.

 Revoluciones de motores diésel. Manómetros:   

TDP. TFA. Cilindro de freno.

Esc

 Presión control o pilotaje.  Interruptores/Conmutadores/Pulsadores.  Setas de urgencia.  Pantallas.  Tren tierra.  Asfa.  Hombre muerto.  Paneles de mandos de cabina.  Armarios eléctricos de baja tensión (BT).

20

Figura 1-11. Cabina de conducción.




1.5.3 CONTROL DEL VEHÍCULO    

Sibas (Siemens) TCMS (Alstom) MITRAC – DCPU (Bombardier) Cosmos (Caf)

Figura 1-12. Sibas.

Figura 1-14. MITRAC.

Figura 1-13. TCMS.

Figura 1-15. COSMOS.

1.5.4 COMUNICACIONES

Esc

      

RS 232 RS 422 RS 485 Ethernet CAN bus MVB WTB




1.5.5 TRACCIÓN

 Diésel:  Depósito de combustible.  Cajas de cambio.

  

 Caja de cambios por engranajes.  Caja de cambios hidráulica. Generadores eléctricos. Convertidores eléctricos. Motores eléctricos.

Figura 1-16. Motor diésel.

Figura 1-17. Caja de cambios por engranajes.

Esc

 Eléctrica:  Pantógrafo.  Aisladores.  Pararrayos.  Seccionadores.  Dispositivo de puesta a tierra.  Disyuntor extrarrápido.  Sensores de tensión y corriente.  Transformadores.  Convertidores.  Resistencias de freno.  Motores eléctricos.

Figura 1-18. Elementos de alta tensión en techo.

22


Figura 1-19. Motor eléctrico de tracción.



1.5.6 ALIMENTACIÓN AUXILIAR    

Convertidores auxiliares. Generadores auxiliares. Cargador de batería. Batería.

Figura 1-20. Convertidor auxiliar y cargador de batería.

Figura 1-23. Panel de magnetotérmicos.

Esc

Figura 1-22. Batería.

Figura 1-21. Generador.




1.5.7 SISTEMA NEUMÁTICO DE CAJA    

Esc

Equipo de producción y tratamiento de aire. Circuito de TDP. Circuito de freno TFA. Circuitos neumáticos auxiliares:  Pantógrafos.  Capota frontal del enganche.  Enganche automático.  Suspensión neumática.  Señales acústicas (bocinas).  Espejos retrovisores.  Puertas.  Estribos.  Arenado.  Engrase de pestaña.  WC.  Componentes:  Conjunto de control electrónico/neumático.  Sistema antibloqueo.  Tiradores de urgencia (con megafonía).  Indicadores de freno Apretado/aflojado.  Compresor principal.  Compresor auxiliar.  Secador de aire.  Válvulas.  Electroválvulas.  Presostatos.  Transductores.  Depósitos.  Llaves de aislamiento.  Tuberías.  Mangueras flexibles.

Figura 1-24. Equipo de producción de aire.

24


Figura 1-25. Compresor auxiliar.



Figura 1-26. Torres de secado.

Figura 1-27. Panel neumático.

1.5.8 CAJA

Esc

       

Bastidor. Estructuras de cabina. Paredes laterales. Testeros. Techos. Puertas. Ventanas. Pintura.

Figura 1-28. Estructura de caja.

Figura 1-29. Cabina.




1.5.9 CONFORT      

Audio-video. Megafonía (IRIS). Climatización. Asientos. Restauración. WC.

Esc

Figura 1-30. Cafetería.

26

Figura 1-31. Asientos.

Lista de componentes: 1 – Depósito de líquido y filtro deshidratador 2 – Válvula de cierre del conducto de líquido 3 – Mirilla 4.1 – Válvula de expansión 4.2 – Sonda de la válvula de expansión 5.1 – Mezclador de gas caliente 5.2 – Válvula by-pass de gas caliente 5.3 – Sonda de la válvula by-pass 5.4 – Válvula electromagnética de by-pass 6 – Evaporador 7 – Sensor de baja presión 8.1 – Válvula de cierre del conducto de gas – lado succión compresor 8.2 – Válvula de conexión de presión de succión 9 – Presostato de seguridad por baja presión 10 – Compresor 11 – Protección térmica del motor 12 – Presostato de seguridad por alta presión 13.1 – Válvula de cierre del conducto de gas – lado presión compresor 13.2 – Válvula de llenado de refrigerante 14 – Ventilador del condensador 15 – Condensador 16 – Sonda térmica del aire externo 17 – Sonda térmica para temperatura ambiente (externa) 18 – Motor accionamiento de la trampilla 19 – Filtro de aire 20 – Calefactor 21 – Protección térmica del calefactor 22 – Ventilador del aire acondicionado 23 – Protección térmica del ventilador 24 – Manómetro diferencial 25 – Sonda térmica del aire acondicionado

Figura 1-32. Climatización.



CHOQUE/TRACCIÓN


1.5.10

   

Conjunto gancho de tracción. Topes. Acoplamientos automáticos (Scharfenberg). Acoplamientos semipermanentes.

Figura 1-33. Elementos de choque y tracción.

Figura 1-36. Acoplamiento automático (Scharfenberg).

Esc

Figura 1-35. Acoplamiento semipermanente.

Figura 1-34. Elementos de choque y tracción.



FRENO DE EJES


1.5.11

Neumático.

     

Cilindros de freno. Volantes para freno de estacionamiento. Regulador. Timonería. Portazapatas Zapatas.

Figura 1-37. Cilindro de freno y timonería.

Figura 1-39. Timonería de eje.

1.5.12

SUSPENSIÓN DE EJES

Esc

    

28

Ballestas. Anillas. Carretes. Bulones. Pasadores.


Figura 1-38. Regulador y distribuidor neumático.

Figura 1-40. Zapata, portazapatas y suspensión.


BOGIES


1.5.13

 Bastidor.

Figura 1-41. Bastidor de bogie.

 Rodaje.  Ejes motores (eje, rueda, discos, reductoras).  Ejes portadores o remolques (eje, rueda, discos).

Esc

Figura 1-42. Ejes motores – Transmisión por engranajes.

Figura 1-44. Ejes portadores o remolques.

Figura 1-43. Ejes motores – Transmisión por cardan.

Figura 1-45. Ejes portadores o remolques.




 Cajas de grasa:  Cuerpo.  Rodamientos.  Tapas:  

Simple. Con dispositivo de retorno de tierra.

  

Con dispositivos para captadores de sentido y velocidad. Con dispositivos para captadores de bloqueo de ruedas. Con dispositivos para captadores de temperatura.

Figura 1-46. Caja de grasa.

Esc

Figura 1-47. Tapa de caja de grasa con captadores.

Figura 1-49. Dispositivo para captadores de velocidad.

30


Figura 1-48. Tapa de caja de grasa con Retorno de tierra.

Figura 1-50. Dispositivo para retorno de tierra.



 Sensores o transductores en bogie:  Velocidad.  Sentido de movimiento.  Antibloqueo.  Revoluciones de motores.  Acelerómetros.  Temperatura de caja de grasa.  Freno:  Neumático:   



Cilindros sin freno de estacionamiento. Cilindros con freno de estacionamiento. Timonería.

 Discos/pastillas.  Portazapatas/zapatas. Patín electromagnético.

Figura 1-51. Disco, mordazas y pastillas de freno.

Esc

Figura 1-53. Freno de disco en velo de rueda.

Figura 1-52. Cilindro de freno de disco.

Figura 1-54. Patín electromagnético.




 Suspensión:  Primaria (acción directa sobre el eje).





 Muelles helicoidales de tara.  Muelles helicoidales de carga.  Ballestas / anillas / carretes / bulones / pasadores. Secundaria (unión caja-bogie)  Muelles helicoidales.  Balonas neumáticas. Amortiguadores:  Horizontales.  

Verticales. Antilazo.

Esc

Figura 1-55. Amortiguación primaria.

32

Figura 1-56. Amortiguación secundaria por muelles.

Figura 1-57. Amortiguación secundaria por balonas neumáticas.




 Arenado.  Engrase de pestaña.

Figura 1-58. Conjunto arenero.

1.5.14

Figura 1-59. Engrasador de pestaña.

TRANSMISIONES

 Acoplamientos elásticos con engranajes.  Cardan.

Esc

Figura 1-60. Situación de los acoplamientos elásticos.

Figura 1-62. Transmisión cardan.

Figura 1-61. Semiacoplamiento elástico en reductora.

Figura 1-63. Unión transmisión cardan-reductora.



SISTEMAS DE SEGURIDAD


1.5.15

   

Hombre muerto Asfa LZB ERTMS

Figura 1-64. Selectores de los equipos de seguridad.

Esc

Figura 1-65. Distribución bajo bastidor de antenas.

34

Figura 1-66. Diagrama de bloques de las antenas de los equipos de seguridad.



REGISTRADORES JURÍDICOS


1.5.16

   

Teloc. Cesis. Deuta. Memotel.

Figura 1-67. Teloc.

Figura 1-68. Cesis.

Esc

Figura 1-69. Deuta.

Figura 1-70. Memotel. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 35


MANTENIMIENTO DE UN VEHÍCULO FERROVIARIO


1.6

1.6.1 CICLOS DE REVISIONES DE MANTENIMIENTO

Cada tipo de vehículo lleva asociado en general un determinado conjunto de ciclos de mantenimiento, necesitándose una habilitación especial para la realización de cada uno de ellos. Dependiendo del vehículo, podrán ser requeridos otros ciclos menos estándar cómo I, US, RB, RC, PT…; o incluso dividir un ciclo en varios intermedios: IM1, IM2, IM3, R1, R2, R3…. Vagones: VS, RF, RSI, RS, R. Coches: IS, IB, IMX, R, (VS, RS, material Adif) Locomotoras: CN, IS, IB, IMX, R Automotores: IS, IB, IMX, R

1.6.2 CLASIFICACIÓN DE LOS ÓRGANOS DE UN VEHÍCULO

La clasificación de las distintas partes de un vehículo se hace en base al Clavero General de Órganos de RENFE, el cual establece y clasifica todas las partes susceptibles de ser mantenidas en un vehículo, asignándoles una codificación estándar que será utilizada para identificarlos en los documentos generados.

1.6.3 PLAN DE MANTENIMIENTO (PM) 1.6.3.1

INTRODUCCIÓN

Esc

El Plan de Mantenimiento (PM) es un documento que elabora el operador con criterios del fabricante, y que es encargado al mantenedor para su cumplimentación. Detalla aquellas operaciones a realizar en cada intervención sobre los vehículos de una determinada serie y la documentación de referencia del titular. Tiene un formato definido por la Dirección de Seguridad en la Circulación, y se definen las siguientes secciones: o Portada. o Página de Firmas. o Lista de páginas efectivas. o Registro de Revisiones-Ediciones. o Índice de Contenidos. o Introducción. o Abreviaturas. o Formación. o Trazabilidad. o Ciclos de Mantenimiento. o Índice de operaciones. o Descripción de operaciones. o Relación de vehículos afectados.

36




1.6.3.2

ESTRUCTURA DEL PLAN DE MANTENIMIENTO

1.6.3.2.1

PORTADA

Muestra el logotipo del operador, la fotografía y la designación de una determinada serie, así como, el código y las fechas de edición y revisión del documento.

Figura 1-71.

1.6.3.2.2

PÁGINA DE FIRMAS

Esc

Muestra el logotipo del operador, la designación, el código, el estado, fechas de edición y revisión y las firmas de los responsables de cada departamento responsable del plan de mantenimiento.

Figura 1-72.



LISTA DE PÁGINAS EFECTIVAS


1.6.3.2.3

Muestra la numeración de las páginas, agrupando en bloques por su estado de revisión, y mostrando la fecha en la que fueron aprobadas dichas revisiones. Hay algunos PM donde la codificación se ajusta al clavero oficial de órganos de Renfe-Integria.

Figura 1-73.

1.6.3.2.4

REGISTRO DE REVISIONES / EDICIONES

Esc

Lista todas las revisiones y cambios de edición realizados desde la creación del documento, agrupando las páginas que fueron modificadas y describiendo los elementos específicos cambiados en cada intervalo.

38

Figura 1-74.



ÍNDICE DE CONTENIDOS


1.6.3.2.5

Muestra la situación de las páginas en el global del documento.

Figura 1-75.

1.6.3.2.6

INTRODUCCIÓN

Muestra la descripción del documento, notas aclaratorias, y matizaciones acerca de los vehículos afectados.

Esc

Figura 1-76.



ABREVIATURAS


1.6.3.2.7

Muestra todas las abreviaturas que aparecerán en el documento, tanto en la descripción de las operaciones como en la documentación de referencia.

Figura 1-77.

1.6.3.2.8

FORMACIÓN

Cita los requerimientos de formación del personal y procedimientos para efectuar las intervenciones del plan de mantenimiento.

Figura 1-78.

1.6.3.2.9

TRAZABILIDAD

Esc

Especifica los requerimientos a tener en cuenta por parte del mantenedor para asegurar la trazabilidad de los trabajos de mantenimiento.

40

Figura 1-79.



CICLOS DE MANTENIMIENTO


1.6.3.2.10

Define los ciclos en las distintas intervenciones en kilómetros, tiempo u horas según proceda. Expone el significado de las abreviaturas de las intervenciones. En el apartado de Automotores y Locomotoras se consideran los siguientes tipos de intervención: a) Intervención de servicio o de bajo nivel. Intervención de mantenimiento preventivo de corta duración y durante la que no se desmontan bogies ni rodales. Tal es el caso de CM (Control de Niveles), IS (Intervención de Seguridad) o IB (Intervención Básica) b) Intervenciones intermedias de mantenimiento. Intervenciones de mantenimiento preventivo que no se corresponden con lo indicado en las letras a) y b), y que pueden incluir algún desmontaje de componentes fundamentales. IM1, IM2, IM3… (Intervención de mantenimiento nivel X) c) Gran reparación. Intervención de mantenimiento preventivo cuya realización implica un inmovilizado de una elevada estadía y donde se desmonta sistemáticamente la mayor parte de sus componentes fundamentales. R (Reparación General)

Figura 1-80.

1.6.3.2.11

ÍNDICE DE OPERACIONES

Esc

Expone la situación de los diferentes órganos del clavero que afectan a una determinada serie, su ubicación dentro del documento, así como el número de páginas que ocupa.

Figura 1-81 Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 41


DESCRIPCIÓN DE OPERACIONES


1.6.3.2.12

Enumera las operaciones a realizar indicando en qué intervención se deben hacer y la documentación de referencia. Dicha documentación será solo de carácter externo.

Figura 1-82.

1.6.3.2.13

RELACIÓN DE VEHÍCULOS AFECTADOS

En algunos PM se enumeran los vehículos de la serie que se ven afectados por el mismo. Aparece en el documento como un anexo.

1.6.4 CLASIFICACIÓN DE LOS ÓRGANOS DE UN VEHÍCULO

Esc

La codificación de órganos, elementos y operaciones se realiza en base al clavero de Renfe-Integria, este clavero comprende todas las diferentes partes de las que consta una unidad de tren, englobando locomotoras, automotores, grúas, coches, vagones y demás tipos de vehículos susceptibles de ser mantenidos. El clavero se puede consultar a través del gestor documental, con el código DAT.00009/I04 Las operaciones se codifican en función del total de operaciones que tenga el elemento, pudiendo ser de 1 en 1, de 2 en 2, de 3 en 3, de 5 en 5 o de 10 en 10 En determinadas ocasiones el código no está registrado en el clavero, esto ocurre para aquellas partes u operaciones que por lo específico o excepcional del órgano o elemento, no pueden ser extendidas a todas las series. Órganos: 999 Elementos XXX.9X Existen casos en los que en el PM la codificación no se ajusta al clavero oficial.

42




1.6.5 DOCUMENTACIÓN TÉCNICA

Tras el PM, los documentos principales asociados al mantenimiento de un vehículo son:  PEM (Plan de Ejecución del Mantenimiento): Adaptación del PM a la estructura productiva de RenfeIntegria, se clasifican las operaciones del PM según el Clavero general de órganos de Renfe-Integria.  BTP (Bono de trabajo Programado): Documento generado desde el PEM para cada intervención específica de un vehículo, que acredita el haber realizado las intervenciones de mantenimiento según el PM.

PM → PEM → BTP

Con el fin de conocer la documentación que un centro de mantenimiento establece como acreditativa de haber realizado las intervenciones a un vehículo, debemos estar al tanto de los documentos que se pueden encontrar referenciados en PM, PEM y BTP. Puede ser de dos tipos, externa o interna, según sea del operador/fabricante o del mantenedor respectivamente. Documentación de referencia en los PEM/BTP: o Externa: Elaborada por el operador o fabricante del vehículo. o Interna: Desarrollada por el mantenedor.

1.6.5.1 o o o o o o o o o o o o

1.6.5.2

NTM : NORMA TÉCNICA DE MANTENIMIENTO MMC : MANUAL DE MANTENIMIENTO DE COMPONENTES MAN o MM : MANUAL DE MANTENIMIENTO RD : NORMA TÉCNICA DE KNORR NTC : NORMA TÉCNICA DE CIRCULACIÓN MC : MANUAL DE CONDUCCIÓN MD : MANUAL DESCRIPTIVO MO : MANUAL DE OPERACIONES MI : INSTRUCION DE MANTENIMIENTO ET : ESPECIFICACIÓN TÉCNICA MTC : MANUAL DE TALLER DEX: DOCUMENTO EXTERNO INTERNA

ITR : INSTRUCCIÓN DE TRABAJO FIN : FICHA DE INSPECCIÓN INF : INFORME HCE : HOJA DE CONTROL DE ELEMENTOS PPR : PLAN DE PROCESO PRE : PROCESO DE REPARACIÓN DAT : TABLA DE DATOS

Esc

o o o o o o o

EXTERNA




1.6.5.3

PEM

Esc

Figura 1-83. Ejemplo de operaciones descritas en un PEM.

44



Motores eléctricos de C.C. y C.A.

2. MOTORES ELÉCTRICOS DE C.C. Y C.A.

2.1

PRINCIPIOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD

2.1.1 NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

Molécula es la parte más pequeña en que puede obtenerse de cualquier materia, sin cambiar sus propiedades. Átomo es la unidad básica de la que están compuestas las moléculas de una materia. Están constituidos por una parte central llamada núcleo y de órbitas exteriores.

Figura 2-1. Estructura del átomo.

Esc

Todos los átomos están formados por: o Electrones. Partículas de carga negativa que se encuentran en las zonas exteriores de los átomos. o Protones. Partículas de carga positiva que se encuentran en el núcleo de los átomos. o Neutrones. Partículas que carecen de carga y que se encuentran en el núcleo. Entre los electrones y el núcleo existe una fuerza de atracción que los mantiene en sus órbitas. A medida que aumenta el radio de las órbitas, los electrones que giran en las más exteriores, tienen cierta facilidad para liberarse. Los iones son átomos que han cedido o adquirido electrones, rompiendo su equilibrio. Los iones positivos (cationes) están cargados positivamente pues al ceder electrones, su carga predominante es la del mayor número de sus protones. Los iones negativos (aniones) están cargados negativamente al adquirir electrones.

Estado eléctrico neutro de un cuerpo es cuando los átomos que lo componen están equilibrados eléctricamente. Si un cuerpo está formado por átomos y cationes, este cuerpo está cargado positivamente (le faltan electrones). Si está formado por átomos y aniones, estará cargado negativamente (le sobran electrones).

Figura 2-2. Cesión de electrones. Anión y catión.




2.1.2 MATERIALES AISLANTES Y CONDUCTORES. (ESTRUCTURA ATÓMICA)

Los elementos tienen propiedades conductoras o no de acuerdo a su estructura atómica. El grado de conductividad de un elemento viene dado por la cantidad de electrones de la última órbita del átomo. El cobre es un conductor. El átomo de cobre posee 29 protones en el núcleo y 29 electrones planetarios que giran en órbitas dentro de cuatro capas alrededor del núcleo. La primera capa contiene 2 electrones, la segunda 8, la tercera 18 y la cuarta, o capa más externa, 1 electrón. El número máximo permitido en la cuarta capa es de 2 x 42, o sea, 32. Entonces, este único electrón en la capa más externa no se halla ligado con fuerza al núcleo. Se puede mover fácilmente. Un átomo de un aislante posee dos o más órbitas, con cada una de ellas completada con la cuota de electrones. Por ejemplo, si un átomo tiene un núcleo de 10 protones, tendrá 10 electrones. En la primera capa tendrá 2 electrones, y en la segunda 8. Como la segunda órbita está completa, es muy difícil desalojar a un electrón fuera del átomo. La diferencia importante entre conductores y aislantes es que en un conductor hay uno o dos electrones en la capa externa, por lo tanto no están ligados con fuerza al núcleo, mientras que los aislantes tienen su última órbita completa o casi completa. Los semiconductores son elementos fabricados, que no se hallan en la naturaleza. Los elementos utilizados en la producción de semiconductores (mayoritariamente silicio), no poseen ninguna propiedad que sea de utilidad para conducir electrones, pero mediante un proceso conocido como doping, se adicionan átomos de impurezas (antimonio, fósforo, boro, galio, etc.) logrando dispositivos que permiten el paso de cargas eléctricas bajo determinadas condiciones.

2.1.3 CORRIENTE ELÉCTRICA

Si conectamos dos cuerpos con distinta carga por medio de un conductor, los electrones que le sobran a uno, pasan al que les falta. A este paso de electrones se le denomina Corriente Eléctrica. Los electrones se desplazan de un átomo al siguiente impulsados por la diferencia de potencial en extremos del conductor.

La corriente eléctrica puede ser continua (c.c.) si su sentido es siempre el mismo o alterna (c.a.) si éste cambia alternativamente.

Figura 2-3. Circulación de electrones.

Esc

DC

Figura 2-4. Corriente continua.

46


AC

Figura 2-5. Corriente alterna.



2.1.4 SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Por lo que respecta al sentido de la corriente eléctrica en el interior de un conductor, encontraremos la explicación en la siguiente figura: a) Siendo los electrones los portadores de carga, deberán circular del potencial negativo al positivo. b) No obstante, por convención se considera que la corriente va del polo positivo al negativo por el exterior del generador, lo que equivale a considerar que las cargas portadoras son positivas. Así pues, aceptamos la convención de que la corriente eléctrica circula del terminal (o borne) de potencial mayor del circuito, al de potencial menor. Por tanto, el sentido real de la corriente continua es de – (negativo) a + (positivo). Pero se acepta universalmente como sentido convencional de la corriente, al opuesto, es decir, de + a -.

Convención de signos para la intensidad de la corriente eléctrica.

Figura 2-6. Sentido real y convencional de la corriente.

2.1.5 PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD o o

Esc

o

Producción de electricidad por reacción química: Las pilas y acumuladores son generadores que, aprovechando la energía que se desarrolla en determinadas reacciones químicas producen electricidad. Producción de electricidad por acción de la luz: Mediante las células fotovoltaicas es posible transformar directamente la energía luminosa en energía eléctrica. Producción de electricidad por acción magnética: Cuando se mueve un conductor eléctrico (hilo metálico) en el seno de un campo magnético (imán o electroimán) aparece una corriente eléctrica por dicho conductor. Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se deja fijo el conductor.

Figura 2-7. Producción por acción magnética. Motor.

Figura 2-8. Producción por acción química. Batería.




2.1.6 FENÓMENOS ASOCIADOS A LA CORRIENTE ELÉCTRICA

El paso de corriente eléctrica deja a su paso una serie de fenómenos físicos, que han sido estudiados y en algunos casos fueron aprovechados para otros usos, como por ejemplo el magnetismo. Vamos a repasar brevemente los principales fenómenos asociados a la circulación de electrones. Temperatura: En todo aparato existe un calentamiento debido al funcionamiento. Esto se debe a que no existen conductores perfectos. Todo conductor posee una resistencia intrínseca, que aunque sea muy baja, produce un consumo extra de energía, que al no ser aprovechada por el equipo, es disipada al ambiente en forma de calor. Campo magnético alrededor de un conductor: Cuando circula corriente a través de un conductor, se inducen campos electromagnéticos en torno al mismo. Este principio es el que se utiliza para los motores eléctricos, en los cuales el campo que generan los bobinados de alambre de cobre, son combinados con otros campos para producir esfuerzos que hagan girar al rotor del motor. Los generadores aplican el mismo principio, pero para la obtención de energía. También puede introducir interferencias, como cuando acercamos un cable con 220V de alterna a un cable que transporta una señal de audio. Imantación: Si se introduce un metal dentro de un campo electromagnético producido por corriente continua de gran intensidad, se logra ordenar las moléculas del metal, haciendo que este tome propiedades magnéticas. Esto no se produce con corriente alterna, ya que al cambiar constantemente el sentido del campo, no se logra ningún efecto magnetizador. Fuerza contraelectromotriz: Es una fuerza que se produce en todos los bobinados. Es debido a que toda carga eléctrica tiende a oponerse a la causa que le dio origen. Las cargas inductivas como relés, bobinas, parlantes, etc. pueden generar rebotes de corriente muy grandes.

2.1.7 MAGNITUDES Y UNIDADES ELÉCTRICAS

Esc

Carga eléctrica. La carga eléctrica (Q) es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga eléctrica. Para lograr que un cuerpo quede cargado eléctricamente requerimos que haya en él un exceso de uno de los dos tipos de carga (+ o –), lo cual podemos lograr haciendo uso de diferentes procesos, como el frotamiento, el contacto y la inducción. La unidad básica de carga es el electrón, pero como resulta una unidad muy difícil de manejar por su ínfimo tamaño, la unidad efectiva es el Culombio (C) que equivale a 6,25 trillones de electrones. Intensidad. Intensidad de corriente es el número de cargas eléctricas que pasan de un cuerpo a otro en un segundo. El símil más ilustrativo sería la cantidad de agua que pasa por una tubería. Si identifica con la letra “I” mayúscula. Su unidad de medida es el Amperio (A). El instrumento que mide la intensidad es el amperímetro. Se conecta en serie en el circuito a medir. Diferencia de potencial La diferencia de potencial o tensión (V) entre dos puntos es la energía que hay que aplicar a una carga positiva para desplazarla desde un punto al otro. La unidad de medida es el voltio (V). Del mismo modo que se necesita una presión para que circule agua por una tubería, se necesita tensión (fuerza) para que circule la corriente eléctrica por un conductor. El instrumento para medir la diferencia de potencial, tensión o voltaje es el voltímetro. Este se conecta en paralelo en el circuito a medir.

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Resistencia Los electrones, al moverse a través de un conductor, deben vencer una resistencia; en los conductores metálicos, esta resistencia proviene de las colisiones entre los electrones. La resistencia eléctrica (R) de un conductor se define como la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente a través de él. La unidad de resistencia es el ohmio (Ω): resistencia que ofrece un conductor cuando por él circula un amperio y entre sus extremos hay una diferencia de potencial de un voltio. La resistencia eléctrica de un conductor depende de su naturaleza, de su longitud y de su sección. A mayor longitud, mayor resistencia. A mayor sección, menos resistencia. R = ρ • L/S ρ es una constante que depende del material, llamada resistividad. Energía Es la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un artefacto eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (ya sea una pequeña pila o una central hidroeléctrica), la energía eléctrica que suministra, fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una lámpara transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria. De acuerdo con el postulado de física, “la energía no se crea ni se destruye, se transforma”, en el caso de la energía eléctrica esta transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento, o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” (en castellano, julio) y se representa con la letra “J”. Potencia Es la energía desarrollada o consumida por un receptor en la unidad de tiempo. La unidad de potencia (P) es el Vatio (W) Para entenderlo, hagamos un símil: Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. Para calcular la potencia que consume un dispositivo conectado a un circuito eléctrico se multiplica el valor de la tensión, en voltios (V), aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre (expresada en amperios). Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula: P=V•I Expresado en palabras: Potencia (P) es igual a la tensión (V) multiplicada por la Intensidad (I).

2.1.8 LEY DE OHM

Esc

Es una ley publicada por un científico alemán de ese apellido, que postula lo siguiente: La intensidad de corriente que circula por un circuito dado, es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Esta ley rige el comportamiento de las cargas eléctricas dentro de los circuitos. Las fórmulas básicas se detallan a continuación:

V= tensión V=I x R

Figura 2-9. Triángulo de la ley de Ohm.

I= corriente I=V / R

R= resistencia R=V / I Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 49



2.1.9 CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Conjunto de elementos necesarios para que se establezca una corriente eléctrica. Elementos que constituyen el circuito eléctrico: GENERADOR INTERRUPTOR RECEPTOR CONDUCTOR

(Elemento que crea la electricidad) (Controla el paso de corriente) (Transforma la electricidad en otra forma de energía) (Medio por el que se transporta la corriente)

Figura 2-10. Circuito eléctrico básico.

En General podemos clasificar los componentes de los circuitos eléctricos en:

o o o o

Esc

o

Elementos Activos: Suministran energía eléctrica (Tensión) al circuito. Son los Generadores Eléctricos. (Dinamos, Alternadores, Baterías, Pilas, Acumuladores etc.) Elementos Pasivos o consumidores: Consumen energía eléctrica del circuito. Son los Receptores (Resistencias, Motores, Lámparas, etc.) Conductores: Son los cables que conectan los diferentes elementos de un circuito. Elementos de Maniobra: Activan y desactivan los circuitos a voluntad. Son los (Interruptores, pulsadores, conmutadores, relés, contactores, etc.) Elementos de Protección: Empleados para proteger a determinados elementos de un circuito de elevadas tensiones e intensidades. (Diferenciales, magneto térmicos, fusibles, etc.)

50

Figura 2-11. Circuito eléctrico básico con protección.



ANALOGÍA HIDRÁULICA PARA CIRCUITOS ELÉCTRICOS


2.1.10

Para la realización de circuitos eléctricos se disponen de una gran variedad de elementos o componentes que se diferencian por sus características (tensión de funcionamiento, potencia consumo, tipo de corriente, etc.) y su FUNCIÓN en un circuito (GENERADOR, CONDUCTOR, CONTROL Y RECEPTOR). Mediante la representación de una analogía hidráulica se pueden entender mejor estos conceptos. Todo circuito eléctrico o electrónico puede ser comparado con un circuito hidráulico o neumático, de hecho la mayoría de sus características y logística son muy parecidas:

Figura 2-12. Analogía hidráulica.

2.1.11

TIPOS DE CIRCUITOS

Según las diferentes formas de conectar entre si los elementos de un circuito eléctrico, éstos se clasifican en circuitos en serie, circuitos en paralelo y circuitos mixtos. Circuito serie Los diferentes elementos de conectan uno a continuación del otro, de tal manera que la corriente eléctrica sólo tiene la posibilidad de seguir un camino único. En este tipo de circuitos la intensidad de corriente es la misma en todos los elementos del circuito, mientras que el voltaje del generador se repartirá entre los diferentes elementos receptores existentes en el circuito.

Figura 2-13. Circuito Serie.

Esc

Circuito paralelo En este tipo de circuitos los elementos se conectan de manera que cada elemento receptor recibe todo el voltaje del generador. Como consecuencia de ello la corriente dispone de diferentes caminos posibles y la intensidad de corriente se repartirá entre los diferentes receptores del circuito.

Figura 2-14. Circuito paralelo.




Circuito mixto Son circuitos eléctricos que disponen de conexiones tanto en serie como en paralelo.

Figura 2-15. Circuito mixto.

Figura 2-16. Circuitos serie y paralelo.

Circuito Cerrado Todos los circuitos deben ser cerrados para que la que la electricidad circule del polo negativo al positivo, y así haya un consumo en el receptor elegido o receptores elegidos. Un circuito cerrado muy especial: el cortocircuito.

Esc

Circuito Abierto Cuando un circuito está abierto, no hay consumo de electricidad, y por tanto no funciona los dispositivos receptores, al no llegarle la electricidad. Con el polímetro se mide la continuidad o la resistencia del circuito, que debe de ser infinita (el aire tiene resistencia eléctrica infinita).

52




Cortocircuito Se produce cuando por alguna razón, el cable conductor une el polo positivo y el polo negativo del generador eléctrico se ponen en contacto sin que haya entre ellos un receptor ( lámpara, motor, u otra resistencia eléctrica). Esto trae como consecuencia que la intensidad que circula por el circuito se dispara generando calor en dicho circuito y pudiendo llegar a provocar un incendio en el mismo. Para evitar esto se instala un fusible o cualquier otro operador cuya misión sea que, cuando la intensidad eléctrica de un circuito se dispare de forma no controlada, corte la circulación de corriente eléctrica en él para evitar los peligros que este exceso de intensidad eléctrica podría generar: incendios, muertes, etc.

2.1.12

SIMBOLOGÍA ELÉCTRICA

Para representar los circuitos eléctricos se emplea una simbología normalizada facilitando así la interpretación de los planos eléctricos. Cada elemento de un circuito queda representado por un símbolo.

Figura 2-17. Cuadro de símbolos.

2.1.13

APARATOS DE MEDIDA ELÉCTRICA

Esc

Conocidas las magnitudes eléctricas básicas, podemos tener una visión global de la importancia que cada una de ellas adquiere dentro del circuito. Es necesario tener un alto grado de control sobre cualquier circuito eléctrico para, entre otras cosas, determinar con facilidad y agilidad cualquier fallo y subsanarlo rápidamente. Es, por tanto, fundamental contar con aparatos de medida que nos faciliten en cualquier momento la tensión eléctrica existente entre dos puntos cualesquiera de un circuito, la intensidad de corriente que circula por un conductor, etc. Los aparatos de medida se encargan de indicarnos estos datos.




El voltímetro es el aparato de medida encargado de indicarnos la tensión eléctrica o diferencia de potencial existente entre dos puntos cualesquiera de un determinado circuito. La lectura la realizaremos, como sabemos, en voltios. El amperímetro nos indica la intensidad de corriente que circula por un conductor. La lectura la realizaremos en amperios. El vatímetro es el encargado de indicarnos qué potencia llevamos consumida con un determinado receptor en un determinado tiempo. Este aparato nos permite, pues, saber cuál es el consumo, en watios, que estamos realizando de energía eléctrica. El óhmetro u ohmímetro es el aparato que mide la resistencia eléctrica. El resultado se lee en ohmios.

Figura 2-18. Aparatos de medida.

Además mediante el polímetro, multímetro o téster, (poli = varios / metro = medir), podemos realizar varios tipos de medida: intensidad en continua y en alterna, tensión en alterna y en continua, decibelios, frecuencia, capacidad, comprobación de baterías, temperaturas, etc. También nos permite conocer la continuidad de un circuito eléctrico. En el mercado disponemos de polímetros analógicos y Digitales. En los circuitos de CC, hay que tener cuidado con las polaridades y las conexiones a realizar. Si al medir alguna magnitud, esta nos sale negativa, es que tenemos la polaridad cambiada en el polímetro o el circuito está mal conectado.

Esc

Nota importante: Siempre se escogerá la escala superior que haya, para realizar la medición, y se irá bajando, hasta poder leer la medición.

54


Figura 2-19. Polímetro digital.



2.1.14

MAGNETISMO

El magnetismo, aunque es un efecto espontáneo de la naturaleza (el campo magnético terrestre y la magnetita), dada su estrecha relación con la electricidad se puede reproducir y controlar de forma artificial. Esto es así hasta el punto de que los principios físicos de la naturaleza, combinados con los de la electricidad, son la base del funcionamiento de los motores eléctricos, que posibilitan la transformación de la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa.

Figura 2-20. Imán natural. Magnetita.

Figura 2-21. Imán artificial. Electroimán.

Los fenómenos magnéticos se relacionan con los imanes naturales, que son trozos de un mineral de hierro, llamado magnetita (Fe3O4). Estos imanes naturales tienen la propiedad de atraer al hierro, sobre todo en las zonas del imán llamadas polos. El imán natural, en contacto con el acero, hace que éste mantenga también las propiedades magnéticas.

Esc

Se pueden hacer las siguientes afirmaciones sobre los imanes: a) La atracción magnética es más intensa en los extremos de la barra magnética; de hecho, en la zona central no existe atracción. Para duplicar esta atracción se puede poner la barra en forma de herradura. b) Si una barra magnética se parte en varios trozos, cada uno de ellos se comporta como otro imán. c) Al tratar de juntar dos barras magnéticas, observamos que, según la orientación con la que se acerquen sus extremos, éstos se atraen o se repelen. De aquí se puede deducir que existen polos magnéticos de diferente signo, que se conocen por norte, N, y sur, S (dado que una aguja magnética se orienta casi en la misma dirección de los polos geográficos). Se denomina polo norte al lado del imán que se orienta en el sentido del norte geográfico; esto quiere decir que, si polos contrarios se atraen, el norte geográfico debe ser el sur magnético. d) A partir de las afirmaciones b y c, se puede concluir que no es posible aislar un polo norte o un polo sur magnéticos. e) Un imán ordena las limaduras de hierro colocadas sobre un vidrio fino o una lámina de plástico.

Figura 2-22. Propiedades de los imanes.




f) Si hacemos pasar una corriente eléctrica por un conductor y ponemos el conductor cerca de un imán, éste último resulta ser desviado. La experiencia descrita se debe al físico Oersted. Como sabemos que la corriente eléctrica es debida a portadores de carga (electrones) en movimiento, se demuestra que una carga en movimiento equivale a un imán.

En esta Figura vemos cómo las limaduras se ordenan según ciertas líneas; además, cuando el imán es más fuerte, las limaduras están más juntas. Esto nos indica que en torno al imán se forma lo que se conoce como campo (acción a distancia), que en este caso es un campo magnético cuyas líneas de campo vienen dadas por la posición de las limaduras. Además, este campo será más fuerte o intenso cuanto más apretadas estén las limaduras, o sea, cuanto más juntas estén las líneas de campo o cuando mayor densidad de líneas de campo haya.

Figura 2-23. Líneas de campo.

Cuando las cargas eléctricas se mueven crean a su alrededor un campo magnético... Al pasar la corriente eléctrica por un hilo las brújulas se orientaban perpendicularmente al hilo, de forma que las líneas del campo magnético son circunferencias concéntricas con el hilo. Si ahora el hilo por el que pasa la corriente se enrolla en forma de hélice para formar un solenoide el campo producido por las distintas espiras se suma para dar un campo que sigue el eje del solenoide. Tenemos así prácticamente un imán con sus polos Norte y Sur en los extremos de la hélice.

Figura 2-24. Sentido de campo y corriente.

Esc

Si dentro de ese solenoide metemos una barra de hierro (u otro material ferromagnético) los dominios magnéticos del hierro (en última instancia, los átomos de hierro) se orientan todos de acuerdo con ese campo magnético y se refuerzan los efectos y no hace falta que la corriente pase por el hierro para que se produzca el campo magnético, basta con que el campo magnético pase por el hierro para que sus dominios se orienten y se convierta en un imán.

56




Al enrollar el alambre sobre la barra de hierro se produce un electroimán que tiene dos polos, uno negativo y otro positivo. Su fuerza depende de la corriente eléctrica, el número de vueltas y el material del núcleo.

Figura 2-25. Regla de la mano derecha. Sentido de campo.

El paso de la corriente eléctrica por un conductor crea un campo magnético alrededor del conductor siguiendo la regla de la mano derecha o del sacacorchos. A este efecto generado eléctricamente se le llama: Electromagnetismo.

2.1.15

BASES MAGNÉTICAS DE UN MOTOR ELÉCTRICO

Todo motor se basa en la idea de que el magnetismo produce una fuerza física que mueve los objetos. En dependencia de cómo uno alinee los polos de un imán, así podrá atraer o rechazar otro imán. En los motores se utiliza la electricidad para crear campos magnéticos que se opongan entre sí, de tal modo que hagan moverse su parte giratoria, llamado rotor.

En el rotor se encuentra un cableado, llamado bobina, cuyo campo magnético es opuesto al de la parte estática del motor. El campo magnético de esta parte lo generan imanes permanentes, precisamente la acción repelente a dichos polos opuestos es la que hace que el rotor comience a girar dentro del estator. Si el mecanismo terminara allí, cuando los polos se alinearan el motor se detendría. Por ello, para que el rotor continúe moviéndose es necesario invertir la polaridad del electroimán.

Esc

La forma en que se realiza este cambio es lo que define los dos tipos de motor eléctrico.

Figura 2-26. Motor eléctrico básico.



MÁQUINAS ELÉCTRICAS


2.2

2.2.1 INTRODUCCIÓN

Una maquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo es utilizado para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se denomina generador; cuando se convierte energía eléctrica en energía mecánica, se llama motor. Otro aparato relacionado con los motores y los generadores es el transformador. Un transformador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de corriente alterna de cierto nivel de voltaje en energía de corriente alterna de otro nivel de voltaje. Por tanto los transformadores operan sobre los mismos principios que los generadores y los motores, dependiendo de la acción de un campo magnético para llevar acabo el cambio del nivel de voltaje.

2.2.2 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS: TRANSFORMADORES

Son aquellas que transforman una energía eléctrica alterna en otra de distintas características, reciben el nombre de transformadores. El transformador es una máquina estática (sin partes móviles) de corriente alterna que transforma una señal alterna en otra señal alterna de distinta tensión o intensidad. Se emplea de forma generalizada en los sistemas eléctricos por su reversibilidad (permite elevar y reducir la tensión) y por su alto rendimiento. Se basa en la ley de Faraday, según la cual un campo magnético variable puede producir una fuerza electromotriz en los extremos de una bobina cercana.

Esc

Su utilización permite el uso de Alta Tensión para el transporte de energía eléctrica a grandes distancias con pérdidas de energía reducidas y su posterior conversión a Bajas Tensiones para poder ser utilizada por los consumidores.

58


Figura 2-27. Transformadores.



Constitución de del transformador Núcleo de láminas de material ferromagnético, sirve para acoplar (conectar) magnéticamente el primario y el secundario Devanados (primario y secundario), son bobinas de cobre o aluminio cubiertas de un barniz aislante que se arrollan sobre el núcleo. En estos se genera o recibe el flujo que atraviesa el núcleo. Los Transformadores producen una corriente de un valor de tensión mayor o menor según la siguiente ecuación: Donde V1 es la tensión eléctrica existente entre los extremos de la bobina del circuito primario, V2 es la tensión eléctrica existente entre los extremos 1 1 de la bobina del circuito secundario, y N1 y N2 el número de espiras de t las bobinas enrolladas al núcleo de hierro dulce que corresponden al 2 2 circuito primario y al secundario respectivamente. R t es la relación de transformación que proporciona el transformador.

R 

V N  V N

2.2.3 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: GENERADORES Y MOTORES

Se entiende por maquina eléctrica al conjunto de mecanismos capases de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica. Si la maquina convierte energía mecánica en energía eléctrica se llama generador, mientras que si se convierte energía eléctrica en energía mecánica se denomina motor. Esta relación se conoce como principio de la conservación electromecánica.

Teniendo en cuenta lo que hemos estudiado hasta el momento, podemos clasificar las maquinas eléctricas rotativas en: Generadores. Transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

Esc

Motores. Transforman la energía eléctrica en energía mecánica.




2.2.4 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Los dos principios en que se basa el funcionamiento de cualquier máquina eléctrica rotativa son los siguientes: Cuando un conductor se mueve en el interior de un campo magnético cortando líneas de campo, se genera en él una fuerza electromotriz. Cuando un conductor, por el que circula una corriente, se sitúa en el interior de un campo magnético actúa sobre él una fuerza de desplazamiento.

2.2.5 CONSTITUCIÓN GENERAL DE LAS MAQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

La constitución de toda máquina eléctrica rotativa (tanto de c.c. como de c.a.) es muy similar. Si sacrificamos un excesivo rigor científico por brevedad y sencillez, describiremos a continuación las partes más relevantes de toda máquina eléctrica rotativa, lo cual nos permitirá conocer tanto sus limitaciones como sus aplicaciones más adecuadas: Inductor Es una de las dos partes fundamentales que forman una maquina eléctrica, se encarga de producir y de conducir el flujo magnético. Se llama también estator por ser parte fija de la máquina. El inductor consta de los siguientes elementos: la pieza polar, el núcleo, el devanado inductor y la expansión polar. Inducido El inducido constituye el otro elemento fundamental de la máquina. Se denomina también rotor por ser parte giratoria de sí misma. Costa, a su vez, de núcleo del inducido, devanado inducido y colector. Escobillas Generalmente, se fabrican de carbón o de grafito, se hallan alojadas en un portaescobillas desde donde se deslizan sobre las delgas del colector y, mediante un conductor flexible, se unen a los bornes del inducido. Culata Es la envoltura de la maquina eléctrica y está hecha de material ferromagnético. Su misión es conducir el flujo creado por el devanado inductor. También se unen a ella los polos de la máquina. Entrehierro Se denomina entrehierro al espacio existente entre la parte fija y la parte móvil de la máquina, es decir, entre el rotor y las expansiones polares, evitándose de esta manera el rozamiento entre ambos. Cojinetes Sirven de apoyo al eje de la máquina. Desde un Punto de vista mecánico el Estator es la parte fija de la máquina y el Rotor la parte giratoria de la máquina.

Esc

Figura 2-28. Motor eléctrico.

Desde un punto de vista eléctrico: el Inductor genera el campo magnético inductor y el Inducido la producción de corriente eléctrica inducida.

60




Para que se produzcan f.e.m.s inducidas (caso de los generadores) y fuerzas o par de giro sobre las bobinas o inducidos (caso de los motores), se necesitan dos circuitos eléctricos (uno fijo en el estator y otro móvil en el rotor) que estén en el seno de un campo magnético. Es lo que llamamos acoplador electromagnético. El acoplador electromagnético transforma la energía eléctrica en magnética, para que ésta se transforme en mecánica, y viceversa.

2.2.6 GENERADORES ELECTROMAGNÉTICOS

Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz (fem). Cuando gira el inducido, los conductores cortan las líneas de campo magnético, de este modo se genera en ellos una fem. Para poder extraer la corriente generada, hay que conectar los conductores del inducido a un circuito de carga exterior por medio de las escobillas. Debido a que existe una diferencia de potencial, si las escobillas se conectan a un circuito exterior, representado por la resistencia R, circulará una corriente por éste y por ambas partes del arrollamiento. En los generadores de c.c. (dinamos) el campo magnético permanece en reposo, mientras que el inducido es el órgano móvil de la máquina. Por el contrario, en los generadores de c.a. el inducido, generalmente, permanece estático y el campo magnético gira.

Esc

La forma de esta corriente eléctrica es una onda sinusoidal como lo es también la fem inducida. Para obtener una corriente continua, bastará con sustituir los anillos por dos semicilindros que giren al unísono con la espira, de tal forma que cuando cambie el sentido de la fem inducida en la espira, también cambien los semicilindros de la escobilla, dando como resultado una corriente eléctrica que siempre irá dirigida en el mismo sentido. Esta situación se consigue por medio del colector, sobre el cual se montan los semicilindros llamados delgas. La corriente así obtenida tiene carácter unidireccional, su intensidad varía con el tiempo y se puede considerar como el resultado de superponer dos tipos de corrientes: una constante y otra fluctuante alterna. En caso de que se precise una corriente que tenga mayor componente constante, hay que aumentar el número de espiras




Figura 2-29. Anillos de alimentación.

Figura 2-30. Colector de delgas.

2.2.7 CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Los motores eléctricos se pueden clasificar según la corriente empleada en: Motores de corriente continua, motores de corriente alterna y motores universales (sirven para los dos tipos de corriente).

Figura 2-31. Tipos de motores.

Esc

Los motores de corriente continua, a su vez se pueden clasificar según el tipo de excitación en: independiente, serie, derivación, compuesta y de imanes permanentes (el campo magnético lo producen imanes en lugar de electroimanes). Los motores de corriente alterna se clasifican según los siguientes criterios: velocidad de giro (síncronos, asíncronos), tipo de rotor (bobinado, en cortocircuito o jaula de ardilla), número de fases (monofásicos — universales y de bobinado auxiliar y condensador— y trifásicos). 62




2.2.8 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Constitución de un motor de corriente continua Los motores de corriente continua (CC) se basan en los principios de fuerza electromagnética y de fuerza electromotriz inducida, tal como se ha visto. Para llevar a cabo estos principios, los motores constan del inductor e inducido.

Inductor: Tiene como misión crear el campo magnético y se encuentra alojado en la parte fija del motor o estator. El inductor está formado por unas bobinas de hilo de cobre colocadas alrededor de una expansión polar de material ferromagnético. Por la bobina circulará una corriente eléctrica, de cuyo sentido dependerá el signo del campo magnético creado. También puede ser de imanes permanentes. Inducido: Tiene como misión crear campos magnéticos que se opongan a los del motor. Está formado por conductores de cobre dispuestos en forma de bobinas. Está constituido por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera. Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina. Los principios y finales de las distintas bobinas están conectados eléctricamente a las delgas. Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior. Introducen la corriente en los conductores del inducido. Las escobillas, que son piezas de grafito que están en contacto con el colector de delgas y que, por tanto conectan el circuito exterior con el interior de la máquina.

Esc

La Máquina de CC

Figura 2-32. Constitución de motor de c.c.




Esc

Figura 2-33. Dibujo de constitución de motor de c.c.

64

Figura 2-34. Sección de motor de c.c.




Esquema del Motor de CC

Esc

Figura 2-35. Estator de motor de c.c.

Figura 2-36. Rotor de motor de c.c.

Figura 2-37. Elementos del motor de c.c.




2.2.9 TIPOS DE MOTORES SEGÚN SU CONEXIÓN

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas entre sí. – Motor de excitación independiente. El inductor y el inducido se alimentan de dos fuentes de tensión independientes – Motor en serie. Los devanados inductores e inducidos se encuentran conectados en serie. – Motor en derivación o motor Shunt. Los devanados inductor e inducido se encuentran conectados en paralelo. – Motor Compound. O compuesto, consta de dos devanados inductores, uno está en serie con el inducido y el otro en paralelo.

Figura 2-38. Tipo de conexiones.

Para conocer las características y posibles aplicaciones de cualquiera de estos motores, deben fijarse cada uno de estos parámetros: – Evolución del régimen de giro (en rpm): es decir, cómo varía la velocidad de giro en diferentes circunstancias. – Potencia eléctrica absorbida por el motor (en kW): da cuenta del consumo de energía. – Par motor (en kgf.m): da cuenta de la capacidad de arrastre del motor. – Rendimiento: da cuenta de las pérdidas de energía del motor.

2.2.10

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Corriente alterna La corriente alterna es aquella que cambia constantemente de magnitud y sentido en función del tiempo. Este tipo es el suministrado por las compañías eléctricas y el que necesitan la mayor parte de los electrodomésticos para funcionar. La corriente alterna depende de los siguientes términos: a) Ciclo: indica la forma de la onda que se repite constantemente.

Figura 2-39. Frecuencia.

Esc

b) Frecuencia (√): indica el número de veces que la señal alterna se repite en un segundo. Su unidad de medida es el hertzio (Hz). En Europa la frecuencia es de 50 ciclos y en América es de 60 ciclos. c) Amplitud de onda: Es el valor mínimo, tanto positivo como negativo que puede adquirir la sinusoide de una onda. El valor mínimo positivo que toma la amplitud de una onda sinusoidal recibe el nombre de "pico o cresta". d) Periodo (T): indica el tiempo necesario para que una señal alterna se repita o cumpla un ciclo completo, ya sea entre picos, valles o nodos. Se mide en segundos.

66


Figura 2-40. Amplitud de onda.



e) Longitud de onda (λ): Es la distancia que hay entre dos picos o dos valles consecutivos medida en metros (m). f) Valor instantáneo: es el valor de la corriente alterna en cada instante. g) Valor eficaz: Coincide con el valor que, en una resistencia, produce el mismo efecto que en una corriente continua del mismo valor Comparación entre corriente alterna y continua

La corriente continua presenta mayores inconvenientes en el uso que la corriente alterna, como por ejemplo, las pérdidas sufridas en el transporte a largas distancias. Para transportar la corriente eléctrica y disminuir las pérdidas en el transporte, necesitamos usar transformadores para elevar y disminuir la tensión de manera fácil y económica, y sólo puede usarse el transformador con corriente alterna. La corriente alterna puede convertirse en continua con facilidad, mientras que no es habitual realizar la conversión contraria además de ser más costoso. Los motores de corriente alterna son más económicos y resistentes que los de continua. Red trifásica y monofásica

Inicialmente son las centrales eléctricas las encargadas de generar tensiones trifásicas, mediante los alternadores. Estos normalmente suelen producir tensiones de 12, 15, 20 o 22 (KV) que, tras ser elevadas mediante un transformador se transportan a grandes distancias mediante líneas eléctricas trifásicas.

Figura 2-41. Red de alimentación de c.a.

Posteriormente estas líneas sufren reducciones de tensión mediante transformadores para poder alimentar a los puntos de consumo tanto industriales, comerciales y domésticos. Ten en cuenta que desde la central hasta los puntos de consumo en BT, las redes que transportan la energía eléctrica son trifásicas. En los puntos de consumo como por ejemplo la entrada a los edificios, las líneas trifásicas se van desdoblando en monofásicas para alimentar a pequeños consumidores como viviendas, locales comerciales, etc. En esta figura podemos ver una línea monofásica de BT a partir de una trifásica.

2.2.11

CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO

Esc

Es en 1885 cuando Ferraris realiza experimentos con corrientes alternas independientes de igual intensidad y frecuencia, pero desfasadas entre sí, haciéndolas circular por devanados colocados sobre un bastidor. De esta manera comprobó que en el espacio interior de este bastidor aparecía un campo magnético rotativo que denominó campo magnético giratorio porque se desplazaba a una velocidad angular que dependía de la frecuencia de la corriente que se utilizaba para generarlo. El estator de una máquina eléctrica de inducción (motor) es igual al del generador de c.a., mientras que, por otro lado, el rotor, denominado de jaula de ardilla, es totalmente distinto y formado por un cilindro de barras de cobre o de aluminio. Dado que no existe conexión eléctrica entre el rotor y el estator, la corriente que circula por él es inducida por el campo magnético que crean las bobinas del estator.




Figura 2-42. Principio y símil del motor de c.a.

2.2.12

MOTORES SÍNCRONOS

Esc

El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna.

68

Figura 2-43. Diagrama de bloques del motor síncrono.



MOTORES ASÍNCRONOS


2.2.13

Los motores asíncronos son máquinas rotativas de flujo variable y sin colector. El campo inductor está generado por corriente alterna. Generalmente, el inductor está en el estator y el inducido en el rotor. Son motores que se caracterizan porque son mecánicamente sencillos de construir, lo cual los hace muy robustos y sencillos, apenas requieren mantenimiento, son baratos y, en el caso de motores trifásicos, no necesitan arrancadores (arrancan por sí solos al conectarles la red trifásica de alimentación) y no se ven sometidos a vibraciones por efecto de la transformación de energía eléctrica en mecánica, ya que la potencia instantánea absorbida por una carga trifásica es constate e igual a la potencia activa. Estas son las principales ventajas que hacen que sea ampliamente utilizado en la industria. Como inconvenientes, podemos mencionar que son motores que tienen bajos pares de arranque, que presentan una zona inestable de funcionamiento y que el control de velocidad en amplios rangos es complejo. Los motores asíncronos se pueden clasificar atendiendo a varios criterios, así tenemos: Según el número de devanados en el estator: - Monofásicos: tienen un sólo devanado en el estator. Se utilizan en aplicaciones tanto en el hogar como en la industria (bombas, ventiladores, lavadoras, electrodomésticos en general, pequeñas máquinas-herramientas, etc.) - Bifásicos: tienen dos devanados en el estator. Estos devanados están desfasados π/ (2P), siendo P el número de pares de polos de la máquina, en el espacio. Se suelen utilizar en aplicaciones de control de posición. - Trifásicos: tienen tres devanados en el estator. Estos devanados están desfasados 2·π/ (3P), siendo P el número de pares de polos de la máquina, en el espacio. Se suelen utilizar en aplicaciones industriales: máquinas-herramientas (tornos, fresadoras, cepilladoras, etc.), grúas, bombas, compresores, ventiladores, etc.

Esc

Según el tipo de inducido: - Rotor devanado: los devanados del rotor son similares a los del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene porqué ser el mismo que el del estator, lo que sí tiene que ser igual es el número de polos. Los devanados del rotor están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje. - Rotor en jaula de ardilla: es el más utilizado. Los conductores del rotor están igualmente distribuidos por la periferia del rotor. Los extremos de estos conductores están cortocircuitados, por tanto no hay posibilidad de conexión del devanado del rotor con el exterior.

Figura 2-44. Sección de motor asíncrono.




Las bobinas del estator inducen corriente alterna en el circuito eléctrico del rotor (de manera algo similar a un transformador) y el rotor es obligado a girar ya que el campo magnético giratorio, origina un flujo que induce corrientes en el rotor que interactúan con el campo magnético del estator. En cada conductor se produce una fuerza que da lugar al par del motor.

Figura 2-45. Composición del motor asíncrono.

2.2.14

DESLIZAMIENTO

Esc

Los motores asíncronos a diferencia de los motores síncronos no giran a la velocidad del campo magnético, llamada sincronía, sino que lo hacen a una velocidad muy próxima. Se llama deslizamiento “s”, a la diferencia entre la velocidad de sincronismo ns y la del rotor n, expresada como un porcentaje de la velocidad de sincronismo: Motor Asíncrono

70

Figura 2-46. Despiece del motor asíncrono.




Motor con Rotor Bobinado

Figura 2-47. Motor con rotor bobinado.

Motor con Rotor en Jaula de Ardilla

Figura 2-48. Rotor de jaula de ardilla.

Esc

Los motores de inducción se utilizan principalmente a velocidad constante, conectados directamente a la red, de acuerdo con sus propias características par - velocidad, número de polos y carga de la máquina operadora. De esta forma se construyen motores de una sola velocidad. Modernamente se utilizan en el campo de la regulación y control componentes electrónicos como son los diodos, transistores y tiristores.



CONEXIONADO DE MOTORES TRIFÁSICOS


2.2.15

Caja de bornes Los motores asíncronos, como cualquier máquina, ha de ir provista de bornes de conexión que generalmente, están agrupados en una caja de bornes situada en un costado de la carcasa. Para simplificar, vamos a suponer que se trata de un motor trifásico de rotor en cortocircuito. Disponemos de tres devanados iguales distribuidos en las ranuras del estator. Los tres principios y los tres finales se llevan a una caja de bornes en la que se realizan las conexiones. El motor se puede conectar en estrella (si se unen los finales en un solo punto) o en triángulo (uniendo principio con final) Si un motor lleva en su placa de características dos tensiones: por ejemplo, 230/400 V.

Figura 2-49. Conexiones en estrella y triángulo.

Esc

Debemos saber que el motor siempre tendrá entre los extremos de cualquier devanado la menor de las tensiones, en nuestro ejemplo, 230 V. Si conectamos el motor a una línea de 230 V de tensión, la conexión será triángulo. Por el contrario, al conectarlo a una línea de 400 V, la conexión será estrella para que en los extremos de los devanados tengamos 230 V. En la siguiente Figura podemos ver la placa de características técnicas de un motor trifásico. Se observa que la potencia, velocidad y frecuencia nominales son 15 (Kw), 2910 (rpm) y 50 (Hz) respectivamente. Pero ¿y la tensión y corriente nominales?

72

Figura 2-50. Placa de características.




Cualquier carga trifásica puede conectarse a dos tensiones red, sin más que variar su conexión (estrella o triángulo). Esta característica se puede ver sobre todo en las placas de los motores trifásicos, donde se especifican dos tensiones y dos corrientes nominales. Como regla general hay que recordar que: 1.- La tensión mayor y la corriente menor corresponden a la conexión estrella. 2.-La tensión menor y la corriente mayor corresponden a la conexión triángulo. 3.-La relación entre las dos tensiones y entre las dos corrientes es

:

Figura 2-51. Relación tensión/intensidad.

Estas magnitudes dependen de la conexión de los devanados del motor. Por un lado se puede ver que la tensión y corriente nominales son 400(V), 29 (A) en conexión estrella y 230 (V), 50 (A) en conexión triángulo. Los motores y las cargas trifásicas en general, son flexibles y pueden conectarse a redes con distinta tensión de línea, sin más que variar la conexión.

2.2.16

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

Una de las ventajas principales de los motores asíncronos trifásicos es su rápida adaptación para cambiar el sentido de giro. Para ello es suficiente intercambiar dos fases cualesquiera de la línea de alimentación.

Esc

Figura 2-52. Inversión del sentido de giro.

Figura 2-53. Placa de conexión para inversión de sentido de giro.



APLICACIONES FERROVIARIAS


2.3

2.3.1 GENERALIDADES

Figura 2-54. Elementos embarcados.

Figura 2-55. Motor de tracción S102.

Los vehículos ferroviarios tanto de Tracción diésel como de Tracción eléctrica se sirven de variados tipos de motores y generadores para realizar las funciones correspondientes al servicio.

o o o o

Motores de Tracción (Tracción y frenado) Generadores CA (Alternadores) Generadores CC (Dínamos) Motores auxiliares, para:  Generación de Aire Comprimido.  Ventiladores.  Servomotores.  Climatización.  Motores de Arranque para Diésel.  Grupos motor-generador, etc.

Pero es en la tracción eléctrica donde los vehículos ferroviarios han ido adoptando los tres tipos fundamentales de motores eléctricos de tracción: Motor de Corriente Continua Motor de colector clásico, par dependiente de la intensidad que lo atraviesa. Diversas tecnologías: reostáticas con avance automático (serie 269, familia 440) o chopper (serie 251, 269.6 y 446). En desuso porque el motor de continua requiere cierto mantenimiento. Fácil regulación y buenas características de arranque.

Motor trifásico síncrono Motor Síncrono únicamente en la Serie 100 (1992) del tipo autopilotado. Es un motor que proporciona mejor potencia que el asíncrono pero requiere más mantenimiento en cuanto a anillos rozantes y ajustes de control más estrictos.

Esc

Motor trifásico asíncrono El motor por excelencia de la industria ferroviaria, hace mucho que no se utilizan otros, por su sencillez, su bajo mantenimiento y sus buenas características de par. Los avances en la electrónica han permitido su desarrollo y las aplicaciones que los gobiernan hoy día. Hay distintas tecnologías pero prácticamente todas alimentan a un (con o sin etapa intermedia) convertidor u ondulador que alimenta los motores a la frecuencia y tensión necesaria según el par deseado. La serie 252, los patos, patitos, la 253, las unidades 447, Civias, etc. utilizan motores de tracción asíncronos trifásicos.

74




2.3.2 FRENADO DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Existen aplicaciones en las que es necesario parar o disminuir la velocidad del motor en tiempos más o menos cortos. Puede servir como ejemplo la tracción eléctrica: si un motor de corriente continua va tirando de un tren, será necesario pararlo cuando llegue a la estación o disminuir la velocidad al bajar una pendiente. El frenado de los motores de corriente continua se basa en el principio de reversibilidad que este tipo de máquinas posee. Es decir, en el momento de frenar el motor, éste pasa a funcionar como generador, por lo que se invierte el sentido del par motor. A este tipo de frenado se le conoce con el nombre de frenado eléctrico, y puede efectuarse de dos modos distintos: • Frenado reostático: consiste en disipar la energía que se genera al actuar como generador sobre unas resistencias de frenado, que suelen ser las mismas que se utilizan para el arranque. • Frenado regenerativo: consiste en devolver la energía generada a la línea de alimentación. El frenado de los motores de corriente alterna este efecto se consigue cuando varían los valores del deslizamiento.

2.3.3 RESUMEN

Esc

De todos los motores eléctricos, es el motor de inducción con el rotor de jaula el más comúnmente utilizado en aplicaciones industriales y en particular, desde hace poco más de 10 años, en tracción eléctrica ferroviaria (en todos los rangos de potencia), desbancando por completo al motor de corriente continua (considerado hasta entonces como el estándar para este tipo de aplicación). Las mejores características que presenta el motor de inducción de jaula, son fundamentalmente debidas a la simplicidad del rotor, a la ausencia del colector y en consecuencia a la eliminación de las escobillas y de otros elementos; lo que se traduce en un menor gasto en consumibles, aumento de la fiabilidad y mayor potencia por unidad de peso (se ha pasado de trabajar con motores de corriente continua que proporcionaban 205 W por cada Kg de peso del motor a motores de inducción que suministran 540 W por cada Kg de su peso). Pero esta aplicación, no hubiera sido posible sin el desarrollo e introducción del control electrónico (control vectorial) y la disposición de modernos semiconductores de potencia de elevadas prestaciones.



SEGURIDAD ELÉCTRICA


2.4

2.4.1 CONTROL DE PROTECCIÓN BÁSICA

La legislación existente que nos da las medidas de seguridad contra riesgos eléctricos va dirigida en dos objetivos: o o

Proteger a las personas contra el riesgo eléctrico y sus efectos. Proteger las instalaciones contra sobrecargas, sobreintensidades, etc.

Figura 2-56. Señal de riesgo eléctrico.

Vamos a exponer una breve síntesis: La energía eléctrica tiene dos riesgos fundamentales: a) Incendio por calentamiento de conductores o receptores, debido a consumo excesivo o cortocircuito. b) Electrocución o descarga eléctrica en personas por un contacto indirecto o derivación. Para evitar estos riesgos se han dispuesto entre otros estos dispositivos: o Para evitar cortocircuitos se emplea: Fusibles y Magnetotérmicos (PIA). o Para evitar las descargas eléctricas o electrocución se emplea: Diferencial y puesta a tierra. Fusible Operador eléctrico que cuando sube en exceso la intensidad de un circuito, se calienta y se funde antes de que lo haga el circuito, cortando así el flujo de corriente que circula por él y protegiendo la instalación de un posible incendio, como ocurre en una subida de tensión en el circuito o de un cortocircuito provocado en él. Interruptores Automáticos Magneto-Térmicos Interruptores de reducido tamaño, especialmente diseñados para la protección contra cortocircuitos y sobrecargas, en los circuitos de control y mando de las instalaciones eléctricas. Figura 2-57. Interruptor automático magneto-térmico.

Interruptores Diferenciales Para evitar descargas eléctricas sobre personas.

Externamente son muy parecidos a los Interruptores Automáticos, permitiendo cortar manualmente el suministro. Se distinguen por un pulsador de prueba que se utiliza para comprobar su correcto funcionamiento. Estos interruptores se desconectan automáticamente cuando detectan una salida indeseada de energía eléctrica fuera del circuito que protegen. Una de las características que lo definen es:

Esc

Sensibilidad: Límite de la diferencia entre la corriente que entra en el circuito y la que sale. Su elección dependerá de la instalación a proteger, distinguiendo tres valores: o Alta sensibilidad: 30 mA. o Media sensibilidad: 300 mA. o Baja sensibilidad: 500 mA.

76


Figura 2-58. Interruptor diferencial.



Esc

Figura 2-59. Cuadro. Formación-capacitación de agentes.

Figura 2-60. Cuadro. Trabajos en instalaciones eléctricas.




Esc

Figura 2-61. Efectos de la electricidad.

78



Evolución de la tracción eléctrica

3. EVOLUCIÓN DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA

3.1

HISTORIA

Los comienzos de la tracción eléctrica lógicamente, se remontan a las primeras electrificaciones de líneas en España. La más longeva es la línea “Linares San José a Almería” en 1899 pasando por la durísima sierra de Gádor de 27 milésimas para transporte de mineral de Hierro a de las minas de Marquesado hasta el puerto de Almería. Esta línea era trifásica de dos hilos de fases superiores y el de carril como tercera fase, y con línea de 6000 voltios 25 Hz.

Figura 3-1. Estación Gérgal fin tramo electrificado trifásico (1911)

Esc

Posteriormente en la primera década del siglo 20 se hizo la línea de San Sebastián a la frontera francesa usando línea monofásica de 6000 Voltios.

Figura 3-2. Tren de viajeros en estación de Almería (1965)




A finales de 1966 se suprimen este tipo de electrificación por alto coste de mantenimiento de la línea explotándose mediante tracción Diésel (locomotoras 1300) hasta 1985 que se electrificó a 3000V y circularon locomotoras japonesas 269 en tándem. Las 252 tuvieron allí parte de su duro periodo de pruebas durante 5 meses aproximadamente.

Figura 3-3. Cabina de locomotora trifásica.

En 1924 se electrifica la rampa de pajares a 3000V de continua debido a la demanda de minerales y acero de la época. Posteriormente vinieron las electrificaciones de Ávila a Segovia, línea de Manresa en Barcelona. Siempre salvando rampas que era donde las de vapor sacrificaban más a sus empleados.

Esc

Conclusión histórica: en España, la tracción eléctrica comenzó en alterna, para modernizarse en continua, y posteriormente de nuevo a alterna por avance en potencia y demanda de energía.

80



MOTOR DE CONTINUA


3.2

Motor que se impuso por su característica natural de máximo par de arranque desde 0 revoluciones, perdiendo esa magnitud a medida que adquiere velocidad. Se adapta por ello a las necesidades ferroviarias, en las que necesitamos la máxima energía para alcanzar velocidad partiendo de una rampa o un tren muy cargado en llano.

Figura 3-4. Motor C.C. simple a escobillas.

El motor se compone de:

3.2.1 ESTATOR

Esc

Está formado por bobinas que generan el flujo. El núcleo es de material férrico permeable a las líneas de fuerza magnéticas y forma la estructura del motor, la carcasa, que es la envolvente que vemos exteriormente y por donde cierra este circuito magnético. Dada su robustez dispone de puntos de apoyo para que la fuerza generada sólo se aplique al piñón.

Figura 3-5. Vista estator motor tracción S/269.




3.2.2 ROTOR

Es donde realmente se genera el par motor y está formado por bobinas que son inducidas por el campo y que generan otro campo magnético que se opone al mismo que lo creó, generando un movimiento hacia un lado u otro, dando lugar al esfuerzo mecánico. Las bobinas eléctricamente empiezan y terminan en el colector.

Figura 3-6. Rotores motor tándem S/269 calados en mismo eje.

3.2.3 ESCOBILLAS

Esc

Son las encargadas de mantener ese estado de permanente cambio de polaridad mecánico en el rotor junto con el colector y obligar al desplazamiento continuo. Son el elemento más visitado en las revisiones ya que está expuesto a un gran rozamiento y desgaste y por tanto el más delicado y sufrido del motor.

82

Figura 3-7. Escobilla motor tracción medio uso.




3.2.4 PIÑÓN DE ATAQUE

Va calado en el eje a presión y supone el punto de utilización del esfuerzo mecánico.

Figura 3-8. Piñón de arrastre motor tracción.

Figura 3-9. Piñón de arrastre motor tracción.

3.2.5 CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Esc

Al motor no podemos aplicarle directamente la tensión de catenaria, o toda la energía producida por un generador eléctrico de una locomotora diésel. Si le proporcionamos toda la tensión, saltaría nuestra protección disyuntor, la subestación, otras protecciones internas, etc., debido a que el motor parado supone lo más parecido a un cortocircuito. Hay que regular la corriente y para ello variaremos la tensión en la medida de lo posible. Aprovechando que una locomotora o autopropulsado tiene varios motores los conectaremos en serie al principio y así se reparten la tensión, pero aun así la corriente sería alta, por lo que usamos resistencias también en serie con el circuito, que tendrán una caída de tensión, bajando la corriente hasta los valores máximos permitidos por el motor en el arranque.

Figura 3-10. Circuito 269 simplificado tracción serie.




A medida que el tren avanza adquiere velocidad y el motor gana Fuerza electro motriz (f.e.m.), por lo que la corriente bajará y tendremos que eliminar resistencias si queremos aumentar la velocidad para que el motor tenga más tensión. Así progresivamente hasta que llegue el momento en que las resistencias intercaladas estén totalmente puenteadas. Pongamos por ejemplo que circulamos ya a una velocidad de 30 Km/h y queremos aumentar más, tenemos que buscar más recursos y podemos poner los motores en otra combinación en la que tengamos más tensión entre ellos. Como los teníamos en serie podemos pasar a serie + paralelo, formado grupos como se muestra en el esquema.

Figura 3-11. Circuito 269 simplificado tracción paralelo.

Intercalamos de nuevo la resistencias y las reducimos paulatinamente hasta que alcancemos una velocidad considerable hablamos de unos 90 Km/H por lo que podemos ya conectar de nuevo los motores totalmente en paralelo y de nuevo eliminar resistencias. Todo esto es con el campo en serie con el motor es decir que la corriente que circula por inducido es igual a la del campo. Si bajásemos la corriente de campo y mantuviésemos la de inducido perderíamos par, pero ganaríamos velocidad. En caso de velocidad adquirida, y marcha constante el par no adquiere mucha relevancia y si la gana importancia el adquirir más velocidad o mantener la actual. Si instalásemos resistencias en paralelo con el campo mantendremos la corriente de inducido y debilitaremos la corriente que circula por el campo.

Figura 3-12. Circuito 269 simplificado tracción paralelo + shuntados.

Esc

Reducimos las líneas de fuerza que dificultaban el desarrollo de mayor velocidad y el motor gana en revoluciones. Al tratarse de una regulación en paralelo le denominamos resistencias shunt y de ahí nace la palabra shuntado. La corriente de campo la podemos reducir hasta unos valores mínimos, que si los superamos el motor dejaría de serlo para convertirse en una máquina autoinductiva que terminaría destruyéndose, por tanto no podemos reducir más de 30 al 50% de campo como máximo dependiendo de la característica típica del motor.

84



MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA JAULA ARDILLA


3.3

Este motor se alimenta de tensión alterna y su par depende de la frecuencia y tensión que este alimentado. A diferencia del motor de continua este no tiene escobillas, lo que le hace atractivo al mantenimiento por su bajo coste. Las dimensiones para una misma potencia son prácticamente la mitad del tamaño con respecto del motor de corriente continua. En la fotografía podemos ver el piñón en forma de V autocentrado, los puntos de apoyo y los cableados de alimentación y sensores.

Figura 3-13. Motor tracción S/252 asíncrono.

El motor jaula de ardilla consta de:

3.3.1 ESTATOR

Esc

El estator dispone de tres bobinados, uno por fase, desfasados 120º físicamente dentro del círculo.

Figura 3-14. Detalle estator motor S/252.




El estator son tres bobinados intercalados que cuyos finales conexionados en estrella se interconectan en aros concéntricos que conforman el cierre. El material del núcleo de las cajas que reciben el cobre está hecho de un material que sea permeable magnéticamente a distintas frecuencias no solo a 50 Hz y así mejorar el rendimiento en su espectro de frecuencias (aleación magnética compuesta por níquel y acero).

3.3.2 EL ROTOR

Parte móvil donde se genera el par de ataque al piñón, ensartado en un eje (que no se muestra en la foto) con sus respectivos rodamientos.

Figura 3-15.

Formado por múltiples varillas coincidentes en número con las ranuras del estator que son cortocircuitadas en ambos extremos, de ahí que recuerde a una jaula de ardilla.

Figura 3-16.

Esc

Su desarrollo recuerda a una escalera cerrada. La corriente que circula por el estator induce sobre el rotor. Toda la tensión inducida la transforma en, de nuevo, corriente máxima al ser cortocircuito y se transforma en campo magnético similar y repelido/atraído busca la rotación como única vía de escape a esa incómoda situación. Por otro lado, el devanado adyacente le reclama por campo magnético opuesto.

86




Figura 3-17.

Esc

En un motor universal, alimentado por la red en viviendas e industria, observamos que apenas tiene par de arranque pero una vez que se ha embalado el par es el máximo. Ese punto de máxima fuerza lo dispone la frecuencia alimentada y la industrial/doméstica es de 50 Hz no podemos variarla. Si podemos variar la tensión pero no conseguimos grandes campos de regulación. Su aplicación ferroviaria inicial la tuvo bajo catenarias de 16Hz y 50 Hz mediante rotores bobinados y con resistencias rotóricas con escobillas, pero no dieron el resultado esperado en altas potencias, empleando dobles tracciones para compensar falta de potencia en trenes ordinarios. El motor de alterna jaula de ardilla, en altas corrientes, tuvo que esperarse a que la electrónica de potencia se desarrollase para poder implantarse como motor potente de referencia en la actualidad. No tenemos contacto físico con el rotor en cortocircuito, solo su punto de referencia de revoluciones, un sensor normalmente instalado en el lado opuesto al piñón. Por tanto, no sabemos los valores de temperatura, corrientes de rotor, pérdidas en el núcleo, flujo magnético, etc. que el rotor sufre en su trabajo y la electrónica analógica y digital tiene como misión “imaginarse con precisión” esos datos, y lo consigue, lo que ocurre en ese dispositivo en base a los datos que aporta la energía que aplicamos al estator (corriente magnetizante), su desfase corriente/tensión, la potencia activa y reactiva, temperatura de carcasa estator, frente al único dato de revoluciones real del eje. Estos cálculos se realizan a partir de un modelo matemático (senos, cosenos, derivadas, etc.). Equipo de control SIBAS locomotora 252 para control vectorial de motores.

Figura 3-18. Detalle sistema de control motor asíncrono Sibas S/252.

En corriente continua es más sencillo porque si tenemos acceso al campo tensión corriente e inducido, faltándonos el valor de temperatura de inducido que es asimilado por simpatía al de la carcasa.



CONVERTIDORES


3.4

Un vehículo ferroviario tiene la capacidad de moverse con un fuerte agarre de arranque, mantener velocidades fijas, y además conviene que tenga la capacidad de detenerse con los mismos medios que lo hace para traccionar, los motores, que son empleados como frenos. También precisa de un sistema que transforme la energía de catenaria en tensiones para poder usarlas en sistemas auxiliares de ventilación, carga baterías, alumbrado interno, cafetería, etc. Para esas operaciones necesitamos en el ferrocarril moderno el uso de convertidores.

3.4.1 CONVERTIDORES DE TRACCIÓN

Son los encargados de mover el vehículo ferroviario en tracción eléctrica. Tenemos de varios tipos.

3.4.2 CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER)

Convierten tensión continua comprendida entre 2 a 3,8kV de catenaria en tensión continua variable de 0 a casi la máxima y limitada en corriente. Ejemplo: Locomotoras Chopper 440/500, 445 (proyecto CDTI) 269/600 250, 251, 446, suburbanos, etc.

Esc

Figura 3-19.

88




3.4.3 CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES)

Transforman tensión continua en otra tensión alterna variable en amplitud y frecuencia. Ejemplo: Onduladores trifásicos de tracción locomotora 252, 253 y trenes alta velocidad 100, 102, 103, 104, 130, 120, 112 etc. ancho internacional. Tienen posibilidad de devolver tensión a catenaria.

Figura 3-20.

3.4.4 RECTIFICADOR

Convierten tensión alterna en tensión continua. Los rectificadores controlados son capaces de regular la tensión de salida continua. Ejemplo: Convertidor 4Qs locomotoras 252, Alaris 490, 449 etc. También dispone de posibilidad de devolver tensión a catenaria.

Figura 3-21.

Esc

3.4.5 SERVICIOS AUXILIARES

Son necesarios para la ventilación de los propios motores de tracción resistencias de freno, carga de batería, aire acondicionado, etc. Normalmente son alimentados por tensión estabilizada continua y generan 380 0 440V trifásicos estables, como es el caso del CSA en 252, Auxiliar de 253, HBU de 447, etc.




Figura 3-22.

Estos convertidores suelen tener una salida fija a 50 Hz. También disponen de salida variable para poder cambiar el número de revoluciones de los ventiladores y satisfacer la demanda de caudal dependiendo de las temperaturas. Se suele hacer en varios escalones de 23 Hz, 30Hz 40Hz, 50 y 60Hz.

Esc

Figura 3-23.

Normalmente existen dos equipos gemelos por locomotora o autopropulsado. Están diseñados para que en caso de rotura de uno de ellos el otro se haga cargo de los consumidores que quedaron sin alimentar, equilibrando las cargas mediante contactores y optimizando el rendimiento del que queda operativo. Las averías suelen ser la fusión de tiristores de la generación trifásica, y por tanto, hay que comprobar que los consumidores no hayan sido la causa de la destrucción comprobando derivaciones a tierra principalmente. 90




La ventilación interna de equipos de control de los convertidores es muy importante y justifica fallos esporádicos, atención a filtros y ventiladores. Los sensores de corriente y tensión también son susceptibles de fallo. Este tipo de convertidores de los que hablamos son del tipo estático ya que son componentes fijos que no están sujetos a movimientos.

3.4.6 CONVERTIDORES ROTATIVOS

En el parque ferroviario tenemos aún convertidores rotativos, que son generadores que forman el tipo DC/DC, caso de los Grupos Motores generadores (G.M.G.) de las japonesas serie baja.

Figura 3-24.

Esc

Con tensión de catenaria hacemos girar un motor en cuyo extremo de su eje movemos un generador de corriente continua de 72/80V corriente continua para carga y garantía de tensión de batería.

Figura 3-25. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 91



También son comunes los DC/AC, locomotoras japonesas series 269 alta, 269 chopper 250 y 251, unidades 470, 440 que disponen de un Grupo Motor Alternador (G.M.A) convirtiendo 3Kv DC en 380V trifásicos o 220 V también trifásicos 50Hz con una precisión aceptable.

Figura 3-26.

Esc

Las averías comunes son la derivación del inducido de la parte motora, por estar expuesto a sobretensiones. Dispone de unos cuernos provocadores de arco en caso de sobretensión en los portaescobillas, que protegen de males mayores en el devanado inducido. Las escobillas son visitadas en las revisiones pero ojo, una sobretensión externa que haya provocado un arco en colector puede desgastar una escobilla nueva en cuestión de segundos. Para determinar un fallo de la electrónica de control hay que basarse en el consumo de las corrientes de campo generador, aditivo y sustractivo.

92



SEMICONDUCTORES


3.5

3.5.1 DIODOS

Conforman la base de la electrónica, desde las primeras válvulas hasta la actualidad.

Figura 3-27. Diodo.

Son dispositivos que se comportan como un conductor cuando la corriente va en un sentido y como un aislante cuando la corriente va en contra. La corriente entra por el ánodo y sale por el cátodo. Como dispositivo semiconductor tiene una caída de tensión que no varía mucho dependiendo de la corriente pero si de la temperatura, que oscila entre los 0.6/0.7 V en un diodo de silicio, 0.3V en un germanio (ya obsoletos) y en dispositivos ferroviarios de alta corriente entre 0,2 y 0,1V. Presentan varios tipos de encapsulado dependiendo de la aplicación.

Esc

Figura 3-29. Diodo potencia rosca 30 Amperios.

Figura 3-31. Diodo SMD miniatura 2 Amperios.

Figura 3-28. Diodo para circuito impreso tipo 10A 1000V.

Figura 3-30. Diodo Rosca tipo AVR /AFR 25 Amperios.




El más usado en potencia en Renfe es el Press-Pack (paquete comprimido) con la toma de ánodo y cátodo en los extremos, y el cuerpo aislante de porcelana que alberga el dispositivo semiconductor en su interior. Se montan en estructuras portables para favorecer el intercambio, llamadas módulos, stacks o gavetas.

Figura 3-32. Distintos tipos de encapsulado de potencia.

Este tipo planos para ser montados en Press-Pack, deben ser probados ligeramente comprimidos, por ejemplo, en un tornillo de banco, debido a que nos puede falsear la medida por falso contacto de los discos internos (abierto). Sabemos que estamos ante un diodo en mal estado porque en la prueba conduce en los dos sentidos (se comporta como un cable) o bien conduce en un sentido pero en el otro presenta algo de resistencia (presenta fugas.

3.5.2 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA - POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO.

Esc

Entre ánodo (punta roja +) y cátodo (punta negra-) debe presentar entre 0,1V a 0,8V en diodos de silicio. (0.2 a 0.3 normalmente).

94

Figura 3-33.


Figura 3-34.



Entre ánodo (punta negra +) y cátodo (punta roja-) debe presentar infinito (OL).

Figura 3-36.

Figura 3-35.

En los del tipo plano de potencia caso de no cumplirse los valores y estar comprimido en el stack, atención a los componentes auxiliares (bobinas, condensadores resistencias, etc.) que suelen llevar asociados en paralelo y pueden alterar la medida. Desconectarles para salir de dudas o compararlo en un repuesto.

Esc

Figura 3-37. Gaveta Stack Diodo rueda libre S/251.

La avería típica es la fusión del diodo siendo cortocircuito entre A-K y viceversa (0.000V).




Figura 3-38. Diodos de Selenio.

En caso de diodos de selenio (como los de la foto) su caída de tensión es de 0,7V aprox. por placa, al estar varios en serie suelen tener entre 7 y 12 voltios de caída de tensión por lo que es recomendable usar fuente de alimentación y lámpara para comprobar su comportamiento.

3.5.3 TIRISTORES

Son como diodos, pero les distingue en que aun estando polarizado correctamente no conduce hasta que no apliquemos corriente entre una patilla de mando llamada puerta y cátodo.

Esc

Figura 3-39. Símbolo de Tiristor.

Figura 3-41. Tiristor de potencia.

96


Figura 3-40. Tiristor rosca tipo AVR/ AFR 20 Amperios.



Son rápidos en sus transiciones de “conducir” o “no conducir” superando con creces a un contactor extrarrápido, dejan pasar mucha corriente y su caída de tensión es baja cuando conduce, pero sufre bastante durante el pequeñísimo tiempo de conmutación (5 a 10 nanosegundos) por lo que tiene que ser auxiliado con bobinas que contengan el incremento de corriente.

Figura 3-43. Tiristor de rosca con trencilla aislada.

Figura 3-42. Tiristor principal locomotora 251 (dispone interiormente de diodo antiparalelo).

Una vez que conducen, a pesar de interrumpir la corriente de puerta, la corriente principal no se extingue y solo hay dos maneras de apagarle:  Interrumpiendo la corriente exteriormente mediante un contactor o disyuntor.  Haciendo circular una corriente contraria superior a la circulante entre ánodo y cátodo.

Este último sistema usado en los sistemas de tracción chopper es el llamado circuito de conmutación (tiristores auxiliares que apagan tiristores principales).

Figura 3-44. Gaceta Stack Tiristor Ansaldo (Diodos externos) loc s/251.

3.5.4 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO. Entre ánodo (punta roja +) y cátodo (punta negra-) debe presentar infinito.

Esc

Entre ánodo (punta negra +) y cátodo (punta roja-) debe presentar también infinito.

Entre puerta (punta roja +) y cátodo (punta negra-) debe presentar 0.005V y 0.030V. Si en ese momento conmutamos el polímetro a ohmios veremos entre 5 y 30 ohm. Entre puerta (punta negra-) y cátodo (punta roja +) debe presentar los mismos valores que la medida anterior (entre 5 y 30 ohmios aproximadamente). Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 97



En caso de no cumplirse los valores, y estar comprimido en el stack atención a los componentes auxiliares (bobinas, condensadores resistencias, etc.) que suelen llevar asociados en paralelo y pueden alterar la medida. Desconectarles para salir de dudas o compararlo en un repuesto. La avería típica es la fusión del tiristor siendo cortocircuito entre A-K y viceversa (0.000V) y curiosamente no presenta daños en el circuito de puerta por ser un pequeño tiristor independiente del de potencia.

3.5.5 TIRISTOR GTO

A diferencia del tiristor típico la corriente de puerta comanda no sólo la conexión sino que tiene la característica de comandar también la desconexión.

Figura 3-45. Tiristor GTO encapsulado Press-pack.

Esc

Para ello invierte la polaridad de la señal y con mínimo 1/3 de la corriente que comanda entre ánodo y cátodo procederá al corte. La ventaja es que evitamos el engorroso y delicado “circuito auxiliar de apagado de principales” que tenían los tiristores. Las caídas de tensión al ser más modernos han sido también reducidas, por lo que mejoran las pérdidas por calor en el convertidor. El inconveniente es que usamos electrónica de potencia para controlar la electrónica de potencia, ya que si comandamos 900 Amperes, es preciso dar un pulso, pequeño en tiempo, pero de 300 amperes mínimo para garantizar el apagado y por ello complica y encarece el sistema. Este mando de puerta complejo es la famosa gate unit de las 252, ordenado y vigilado por fibra óptica.

Figura 3-46. Gate Unit. Unidad de disparo tiristores S/252.

Su mando desde el armario de electrónica se hace por medio de transformadores de aislamiento o fibra óptica. 98




3.5.6 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO.

Esc

Entre ánodo (punta roja +) y cátodo (punta negra-) debe presentar infinito. Entre ánodo (punta negra +) y cátodo (punta roja-) debe presentar también infinito. Entre puerta (punta roja +) y cátodo (punta negra-) debe presentar 0.005V y 0.030V. Si en ese momento conmutamos el polímetro a ohmios veremos entre 5 y 30 ohm. Entre puerta (punta negra-) y cátodo (punta roja +) debe presentar los mismos valores que la medida anterior (entre 5 y 30 ohmios aproximadamente). En caso de no cumplirse los valores, y estar comprimido en el stack atención a los componentes auxiliares (bobinas, condensadores resistencias, etc.) que suelen llevar asociados en paralelo y pueden alterar la medida. Desconectarles para salir de dudas o compararlo en un repuesto. La avería típica es la fusión del tiristor siendo cortocircuito entre A-K y viceversa (0.000V) y curiosamente no presenta daños en el circuito de puerta por ser un pequeño tiristor independiente del de potencia.

Figura 3-47. Esquema interno y tabla de medidas módulo tiristor GTO S/252.




3.5.7 IGBT

Es el semiconductor estrella de la actualidad.

Figura 3-49. Transistor Bipolar IGBT Loc S/253.

Figura 3-48. IGBT esquema interno.

Se considera un transistor porque realmente es un transistor bipolar con la puerta aislada, es decir, que aquella corriente de base que veíamos en el transistor ahora es una señal de puerta que presenta elevada resistencia al estar aislada como si fuese un condensador.

Figura 3-50. Transistor bipolar industrial con colector al radiador.

El mando se hace internamente en el semiconductor por electrostática.

La principal ventaja es por el mando, ya que es comodísimo trabajar con tensiones de control inferiores a 12v .y comandar tensiones próximas a los 4000V y con un control de pocos mA controlar corrientes de hasta 1200 Amperes. Además el mando puede ser muy ágil permite interrupciones periódicas de hasta 400 Hz, comportándose muy bien ante el crecimiento de la corriente.

Esc

La señal de puerta, para evitar problemas de aislamiento se hace por fibra óptica.

El inconveniente superado es la disipación de potencia, que las caídas de 0,2V en conducción se han visto incrementadas a 1,2V 0,8 en el mejor de los casos. La avería típica es la fusión del tiristor siendo cortocircuito entre A-K y viceversa (0.000V) y curiosamente no presenta daños en el circuito de puerta por ser un pequeño tiristor independiente del de potencia.

100



FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN


3.6

Emplearemos el modelo basado en el convertidor de la locomotora 251 como uno de los más fiables para motores de corriente continua y el de la locomotora 252 como el más completo para corriente alterna.

3.6.1 CONTINUA CHOPPER 251.

La tensión de catenaria, después de pasar por el disyuntor, alimenta a un filtro de red que está formado por tres bobinas y varios condensadores en paralelo. Esta configuración sirve de fuente de energía ante picos de corriente demandados por convertidores y a su vez de filtro para evitar que los ruidos eléctricos generados por dichos picos afecten a la catenaria y a otras locomotoras o equipos de vía. Como el condensador consume muchísima energía cuando esta descargado es preciso dotarle de un sistema que limite la corriente de carga, llamado circuito de precarga que introduce una resistencia en serie para evitar que abra el disyuntor o dañe el propio condensador. De ahí se distribuye a los servicios auxiliares generadores de 380 V y también a los contactores que le aislarán de la red en caso de fallo. Todos los convertidores disponen un contactor de entrada en todas las locomotoras para esta función de corte del sistema o motor de tracción.

Figura 3-51. Esquema Eléctrico Circuito potencia loc.S/251.

Esc

La tensión de catenaria pasa por un chopper (dispositivo que procede de la traducción literal del inglés troceador) que interrumpe la corriente para conseguir, dependiendo del ancho de pulso, la duración del tiempo expuesto a la tensión de red, poder regular y variar la tensión de salida. Se comporta como un interruptor que cortará 300 veces por segundo la tensión, por tanto también la corriente. Con la ayuda de las bobinas y el diodo de rueda libre conseguiremos una tensión variable desde 80V hasta prácticamente la tensión de catenaria. Para repartir la corriente y descargar las bobinas de alisado usamos dos ramas o fases de chopper que disparan 180º entre si y consiguen aminorar el rizado. Cuando la tensión se corta en los tiristores lo hará también la corriente y la energía que quedaba almacenada magnéticamente se recircula a través de las dos ramas de diodos antiparalelo, estabilizando el esfuerzo en llantas. El campo queda en serie con el motor y tenemos el circuito establecido hasta negativo carril para traccionar. El chopper dispone de transformadores de corriente y tensión que tienen como misión informar a la electrónica de los valores de corriente y tensión que obtenemos y de los que partimos.




Figura 3-52. Esquema simplificado sistema Chopper DC/DC.

Esc

En el equipo disponemos de un tarjetero que es el cerebro del equipo, en el caso de la 251 también está la caja osciladora que pone de acuerdo a los tres chopper en misiones delicadas como es por ejemplo en velocidad prefijada, en control de motores seccionados, etc. Existe también un dispositivo independiente en cabina 2 de protección de toda la locomotora que denominado “cofre de defectos” o también “detector de fracasos” que detecta cuando existe una anomalía en algún equipo, abriendo disyuntor y memorizando mediante lámparas cual ha sido el fallo que ha provocado la decisión. Es muy importante cuando algo ocurre, saber que marcaban estas lámparas, aunque los maquinistas lo suelen apuntar, porque al quitar batería perdemos la información. En freno, los contactores configuran el circuito quedando ambas fases del chopper principal trabajando al mínimo y como fuente de alimentación del campo, por ello también del chopper de campo que se encarga de controlar mediante una regulación en paralelo la corriente que circula por él, al igual que lo hacía en shuntado. La producción energética de los dos inducidos en serie es enviada a la resistencia de freno, reteniendo los motores que actúan como generadores y por tanto al tren. Las averías comunes que presentan estos equipos suelen ser actuación de una protección interna, como desequilibrio de fases (PHOCD en el cofre de defectos), por trabajo anómalo de una fase de chopper con respecto a la otra. Aparte de las comprobaciones típicas en busca de algún semiconductor roto hay que analizar la forma de onda del pulso de puerta que es muy importante tanto por exceso de amplitud como por falta. La polarización negativa de puerta cuando no existe pulso es también un punto a comprobar. Un protocolo de chopper es lo indicado ante una locomotora que presente dudas. También suelen presentar impotencias de tracción, por ello es muy importante la prueba de los equipos de tracción uno a uno seccionando motores y probando en vía el comportan miento. Faltas de potencia relativas a patinajes ficticios suelen estar relacionados con el cableado de los tacogeneradores, las tarjetas que gestionan los valores de tensión y corriente de frecuencia, etc.

102




3.6.2 ALTERNA GTOS 252

Figura 3-53. Circuito simplificado Convertidor 3Kv loc. S/252.

Esc

Al subir pantógrafo un transformador informa a la electrónica de mando de la tensión de red. Esta locomotora es bitensión, o sea que puede trabajar bajo catenarias de 25Kv alterna y 3Kv continua. En nuestro caso al detectar los 3000V DC la electrónica configura el aparellaje, contactores, selector, transformador, etc. como para esa tensión de trabajo, realizando un test que cierra los contactores (excepto disyuntor) para probar que funcionan correctamente.

Figura 3-54. Circuito parcial alimentación circuito intermedio B Loc/S/252. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 103



Para proteger al convertidor, usa unos equipos denominados de precarga que prueban al convertidor antes de que vea la tensión de catenaria. En el momento en que se encuentra y las precargas inyectan 200V donde entrarían los 3000V. Unos detectores de tensión valoran, mediante un programa, la curva de carga y descarga, y si es correcta admite cerrar disyuntor. Una vez una vez que cerramos disyuntor realizamos una carga del condensador de filtro mediante resistencia, y arrancamos el chopper de entrada, un dispositivo cuya misión es cargar unos condensadores a una tensión variable dependiendo de la demanda del esfuerzo. Normalmente arrancan a 2400V y puede elevarse hasta 2800V.

Figura 3-55. Chopper bifásico.

Este circuito intermedio es nuestra fuente de energía, donde tenemos que tener tensión siempre presente y por ello nos proporcionará corriente cuando pulsemos los onduladores que son los que generan tensión alterna trifásica para motores de tracción y también para los servicios auxiliares de ventiladores, compresor, cargador de batería, etc. En esta locomotora se considera tan importante este circuito intermedio que los diseñadores descargaron al procesador de su gestión y encargaron su trabajo a un subprocesador de su tarea. Cuando frenamos los motores se convierten en generadores y el circuito intermedio que antes se alimentaba de catenaria ahora es alimentado por la tensión que proporcionan, siendo ahora el chopper de entrada el encargado de elaborar la tensión hacia catenaria para ser devuelta. El condensador de circuito intermedio no puede sobrepasar la tensión de 2900V y si la catenaria no lo acepta tenemos que disparar el chopper de freno, un tiristor que hace pasar una corriente regulable a las resistencias de freno y estas lo disiparán en calor.

Esc

El resto de locomotoras y vehículos autopropulsados, son parecidos, aunque en casos como las 253 el circuito intermedio no existe, manejando el concepto DC Link, dejando al condensador de filtro como reserva de energía debido a la agilidad y características de los IGBT (6500V) y su control que suplen rápidamente las demandas de energía adaptándose en cuestión de nanosegundos.

104




Figura 3-56. Mando Ondulador para motor tracción en estrella con símil interruptores.

Para conseguir la corriente alterna disparamos secuencialmente los tiristores GTO, o los IGBT, depende del vehículo, e iremos abriendo caminos a la corriente desde el positivo de circuito intermedio hasta las bobinas, y una vez allí cerraremos interruptores para su retorno al negativo del condensador de circuito intermedio. Secuencias correctas son, por ejemplo 1+4; 1+4+6: 3+6+2; 3+2…etc. pero nunca los dos interruptores del mismo módulo, que generarían un cortocircuito franco a la alimentación.

Esc

Para cambiar el sentido de giro del motor simplemente cambiamos la secuencia de disparo, retrasando una fase con respecto a otra.

Figura 3-57. Esquema simplificado Ondulador a GTO para motor.

En freno, para que el motor se comporte como generador, simplemente la electrónica vigilará que la frecuencia del estator sea inferior a la del rotor, (deslizamiento negativo) y la energía producida por los motores circulará por los diodos de rueda libre que disponen todos los semiconductores de potencia en paralelo.




3.6.3 PROTECCIONES

Todas las locomotoras disponen de unas protecciones similares, destacando como importantes:

Figura 3-58. Pantalla de información locomotora S/252.

3.6.3.1

SOBRETENSIÓN DE LÍNEA

Protege cuando hay más tensión de la normal en catenaria, evitando averías de derivaciones en aisladores, semiconductores, condensadores y demás elementos sometidos a alta tensión La sobretensión no solo es detectada cortando tracción sino que actúa cortocircuitando mediante una resistencia y reduciendo en lo posible la punta de tensión si su naturaleza es producida por un pico puntual.

Los valores establecidos para el disparo son del orden de 3750  50V DC. Su protección se hace por hardware directo tiristor OVTH (269, 251, 446…) o aprovechando los chopper de freno mediante software (252, 253, 447, Civia, 450, 102, 103, etc.) Es frecuente en zonas cercanas a subestaciones de alta potencia bajo escasa demanda (zonas de cercanías en madrugadas), seccionamientos de línea (cangrejos), pérdidas de línea puntuales (viento, hielo catenaria), caída de rayos tormentas. 3.6.3.2

SUBTENSIÓN DE LÍNEA

Esc

Protege cuando la tensión de catenaria es más baja de lo usual. En muchos convertidores una baja tensión supone un peligro de rotura en tiristores debido a falta de energía para su apagado. El convertidor, en su objetivo de mantener potencia intenta suplir la falta de tensión con incremento de corriente., lo cual es perjudicial tanto al equipo como a la subestación. En la detección, en primera instancia reduce par motor, por tanto reduce corriente. Si supera el umbral por debajo de 2000 V 1600V corta tracción su naturaleza es producida por un puntual pico. Se produce distancias lejanas a subestaciones, con pérdidas en catenaria o raíles por envejecimiento de línea, o en zonas muy densas de circulación con arranques frecuentes (núcleos importantes de cercanías). 3.6.3.3

SOBREINTENSIDAD DE LÍNEA

Protegida por el propio disyuntor también es vigilada por la electrónica de mando. Este datos es variable dependiendo del tipo de vehículo y potencias desarrolladas 3500A en 251; 4000A en 252; 2800A en 447, etc. Es una protección redundada, que protege cuando el consumo de corriente en la locomotora, por alguna circunstancia, es alto y la protección natural del disyuntor no lo ha hecho actuar. 106



CORRIENTE DIFERENCIAL


3.6.3.4

Detecta diferencia de corriente de entrada a la locomotora, como síntoma de una derivación a tierra, por un camino que no es el oficial de negativo de la locomotora. Suele tener una sensibilidad de 250 Amperes de pico o constantes, siempre y cuando supere el tiempo máximo de 200 ms. Provoca la apertura de disyuntor. Relacionándolo con el estado en que abre, nos indica que circuito es el afectado, ejemplo circuitos de generador (al darle a generador); circuitos de tracción (al aplicar tracción, etc.) Roces de cables, bobinas bajas de aislamiento, motores, aisladores, etc. 3.6.3.5

LÍMITES DE CORRIENTES INTERNOS Y VIGILANCIA DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Las tarjetas y elementos de medida del convertidor son alimentados por tensiones bajas y estabilizadas a +5V +15V -15V +24V +36V +134V. Existen en el convertidor vigilancias que controlan el perfecto estado de la alimentación de estas tensiones, el correcto funcionamiento de los sensores de corriente, tensión, caudales y temperaturas. También existen umbrales máximos de corriente entre fases, de tensión de motores etc. En caso de no establecerse dentro de márgenes la locomotora cortará tracción, solicitará la exclusión del convertidor, dará un aviso dependiendo de la gravedad del problema. La memoria de incidencias, o la actuación de un relé en concreto, nos indicará el origen del fallo. 3.6.3.6

PROTECCIÓN FRENTE A 50 HZ

Las señales y circuitos de bloqueo antiguamente eran alimentadas por redes de 50 Hz que a veces entraban en resonancia con los amónicos producidos por la locomotora y cambiaban de aspecto de vía libre a cerrada o viceversa. Dado el factor de riesgo a la seguridad se impuso un detector de 50 Hz para los armónicos emitidos, llegando a reducir potencia o abrir disyuntor cuando eso ocurría.

Esc

Figura 3-59. Presentación en pantalla información protección 50 Hz.

La línea de corriente continua 3500Vdc contienen armónicos de 300Hz fruto de una rectificación trifásica en la subestación. Un fallo en la rectificación, una inducción externa de 50 Hz por catenarias de alterna aledañas, líneas de distribución alta tensión que atraviesan el trazado ferroviario y otras causas pueden provocar daños en la locomotora especialmente en su filtro de entrada. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 107



Asimismo, la propia locomotora al intervenir bruscamente sobre la corriente de línea con el convertidor, puede provocar frecuencias armónicas que estén próximas a los 50 Hz que coincide con la frecuencia que trabaja los circuitos de señalización de vías, generando situaciones no controlables de ocupación de circuito, aperturas intempestivas de las señales, etc. Dicha componente armónica es controlada por la protección 50Hz generando en primera instancia reducción de par, posteriormente corte de tracción y en casos severos apertura de disyuntor. Esta protección puede ser, en algunas locomotoras, anulada temporalmente por el maquinista previo conocimiento del puesto de mando que supervisará que no afecta a la circulación esta decisión. 3.6.3.7

SOBREINTENSIDAD DE MOTORES.

Protege a los motores de tracción y componentes auxiliares en su umbral de corriente máxima evitando comprometer la calidad del aislante de sus bobinas. Cuando actúa es bien por un problema de trabajo del propio convertidor, por un mal estado del motor de tracción, o por un defecto de aislamiento en cableado o aisladores. Los valores de corriente máxima dependen si el estado es tracción o freno en locomotoras de motores de continua. 3.6.3.8

SOBRETENSIÓN DE MOTORES EN FRENO REOSTÁTICO

En convertidores de corriente continua provocarán el corte de freno eléctrico por excesiva disipación de potencia en resistencias, evitando su destrucción. Una avería de control de campo (chopper de campo) sería la culpable de actuaciones reiteradas. 3.6.3.9

SOBREVELOCIDAD

En contadas ocasiones, cuando por falta de atención en la conducción, o fallo en el control, una locomotora supere su velocidad máxima actuará la protección sobrevelocidad por solicitud del propio convertidor o conjunto de relés de control. La señal de referencia de velocidad suele ser tomada de los propios sensores de revoluciones de los motores o transmisiones que dispone el convertidor. Genera el corte de tracción y señalización en cabina. Adicionalmente, existen muchas protecciones de elementos de seguridad en explotación que impiden llegar a ese umbral, como el LZB, el ERTMS, Asfa Digital, etc. 3.6.3.10

ANTIPATINAJE EN TRACCIÓN

Esc

Cada eje del motor dispone de un sensor de revoluciones necesario para el control permanente del sistema de tracción. La señal de un motor es comparada con la del resto de ejes motores, generando una señal diferencial cuando existe un patinaje (embalamiento de las ruedas). Genera una rápida reducción de par al motor del eje que patina, aumentándole progresivamente el esfuerzo hasta un punto anterior al estado en el que se originó la falta de adherencia. Si el patinaje persiste la locomotora administrará arena en el sentido de la marcha para mejorar el agarre. En cabina es indicado mediante agua indicando la magnitud, lámpara o pictograma en display.

108

Figura 3-60. Pictograma protección patinaje activa en loc.S/252.



ANTIBLOQUEO EN FRENO ELÉCTRICO.


3.6.3.11

En freno eléctrico los motores se convierten en generadores, es decir, en vez de impulsar al tren lo retienen, y por tanto el agarre al carril es importante. Si se excede del esfuerzo de freno podemos tener bloqueos de ruedas, que se intentan parar a mayor velocidad que lo hace el conjunto de la locomotora, con el peligro de creación de planos en la superficie de rodadura. El convertidor detecta esa reducción súbita de la velocidad y libera a ese eje de freno momentáneamente para ofrecérselo después. Genera en display una indicación de patinaje y en la memoria de incidencias un evento que ha de ser tratado si es reiterado.

Figura 3-61. Pictograma protección control de bloque en freno eléctrico en loc.S/252.

La diferencia de diámetro de ruedas entre ejes supone un factor generante de este fallo 3.6.3.12

VIBRACIONES ANÓMALAS

Esc

Los bogies, intermediarios entre el motor y el rail, y entre motor y bastidor de locomotora, son elementos muy expuestos a vibraciones, esfuerzos tensionales, y movimientos que suponen una posible fuente de fisuras en soldaduras estructurales, soportes, encuentros de chapas contra vigas de refuerzo, etc. El fabricante es conocedor de este problema y en ocasiones es capaz de detectar que frecuencia de los GTO a motores perjudica a la estructura. En el proceso de aceleración de los motores, por software puede reducir el par al paso momentáneo por esas frecuencias críticas detectadas.

Figura 3-62. Indicación Inestabilidad en bogie y varios en S/104.

También en explotación normal cada aceleración / deceleración rápida, muy perjudicial, repercute en la corriente de motores y es detectada por el sistema Jerk (tirones), reduciendo el par por ello tanto en freno como tracción. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 109


SOBRETEMPERATURAS


3.6.3.13

En módulos de semiconductores, líquidos refrigerantes y motores la protección de Sobretemperaturas vigilan las tendencias a sobrecalentar los elementos generando avisos, reduciendo potencia o llegando incluso a aislarles del circuito que los alimenta.

Figura 3-63. Pictograma Sobretemperatura en aceites, convertidor, etc.

3.6.3.14

FALTA DE VENTILACIÓN O CAUDAL

La falta de caudal en líquidos refrigerantes provoca la reducción de potencia hasta que el problema desaparezca.

3.6.4 REFRIGERACIÓN

Esc

Todos los convertidores tienen pérdidas, hasta los transformadores que tiene un buen rendimiento 98% ferroviariamente han de ser refrigerados por sus componentes armónicas. La energía para refrigeración nace de los convertidores auxiliares. Los motores de tracción tienen sus pérdidas tanto en el cobre de sus devanados como en el hierro de sus núcleos, y han de ser refrigerados por aire, ventiladores que introducen aire filtrado de sala de máquinas y es expulsado por sus rejillas en los bogíes. Motores de tracción de mediana potencia como los Civias, 440, 444 (unidades autopropulsadas) son autoventilados con turbinas formadas por álabes caladas en el propio eje. Por ejemplo Civia usa el sistema de hermeticidad, en el cual se hace una recirculación interna de aire siendo un intercambiador el que disipa el calor con el aire externo. En casos de grupos de tiristores como la 251 y sus bobinas de filtro, son refrigeradas por ventiladores que hacen circular aire, (ventiladores de chopper). Locomotoras como la 252 los tiristores GTO son refrigerados por freón en una cuba que contiene este gas licuado, entra en ebullición y se produce una atmosfera intercambiando el calor hacia la estructura de aluminio que lo soporta, condensando el líquido y precipitándose de nuevo para evaporarse. Solo precisa energía externa para la ventilación de aire de las cubas y enfriar el freón.

110

Figura 3-64. Sistema refrigeración tiristores por ebullición de freón S/252 y S/447.




Los transformadores y bobinas auxiliares son refrigerados por aceite y bombas que se encargan de mantener un alto flujo usando radiadores ventilados como intercambiadores.

Figura 3-65. Circuito refrigeración aceite S/252.

Esc

En locomotoras como 253 los IGBT son refrigerados con agua mezclada con anticongelante para evitar roturas de tubos en lugares bajo cero. El agua caliente se envía a un radiador que junto con otro radiador de aceite del transformador y bobinas son enfriados por un ventilador.

Figura 3-66. Elementos en circuito refrigeración agua para semiconductores de potencia S/253.



HISTORIAL IMPLANTACIÓN DE SEMICONDUCTORES EN RENFE


3.7

Primera aplicación electrónica de potencia en 1960 con los diodos de silicio, rectificando la catenaria y controlando con resistencias, motores en corriente continua en Francia.

Figura 3-67.

Figura 3-68.

Esc

En 1967 se manejan tiristores como rectificadores controlados (SCR) variando la tensión eficaz de salida a motores, pero estas técnicas no se aplican en Renfe (unidades, metros europeos, etc.). Foto tren Corcovado Brasil.

112

Figura 3-69.




Figura 3-70.

A mediados de 1960, en EEUU se usa el rectificador de silicio para transformar corriente alterna de los generadores en continua para tracción Diésel eléctrica, locomotoras que vinieron a España por 1974 como el caso de la 333, y posteriormente transformadas las 319-200 en 1984.

Esc

Figura 3-72.

Figura 3-71.

Figura 3-73.




También se emplearon en la generación de tensión continua de 3000Vcc en líneas sin catenaria para alimentar la calefacción eléctrica de los coches de viajeros.

Figura 3-74.

La primera aplicación comercial ferroviaria de tiristores en control chopper aparece en 1970 en Japón para tranvías y control de metropolitanos. Renfe adquiere las 440-500 chopper en 1977.

Esc

Figura 3-75.

114

Figura 3-76.




En 1981 dos locomotoras serie 269-600 se adquieren a Japón, pero otras dos se construyen bajo licencia Mitsubishi en España por CAF.

Figura 3-77.

Figura 3-78.

Esc

En 1983 locomotoras series 251 y 250.

Figura 3-79.




Implantación de locomotoras chopper de gran potencia 4600 Kw y 5000 Kw.

Figura 3-80.

Figura 3-81.

1985 Locomotoras servicio mixto maniobras línea serie 311 MABI.

Esc

Se establece tracción y freno sin necesidad de contactores. Control de motores alterna asíncronos en paralelo comandados por un ondulador que es alimentado por un rectificador controlado de corriente alterna. El generador es del tipo Brushless sin escobillas y el campo inductor es inducido en alterna hacia el rotor y rectificado en su interior.

116

Figura 3-82.




1992 serie 100/ 101 AVE control por ondulador GTO de 8 motores síncronos con rotor bobinado autopilotados.

Figura 3-83.

Figura 3-84.

Esc

1991-1992 Locomotora 252 Bitensión 3kV CC y 25kV AC con 4 motores asíncronos independientes controlados por ondulador a GTO, alimentados a circuito intermedio estabilizado por un chopper de entrada. Capacidad de devolver corriente a catenaria en frenado para aprovechamiento energético de trenes aledaños. Módulos GTO integrados en cubas y refrigerados por un sistema autónomo de freón.

Figura 3-85.




Figura 3-86.

1999 Alaris motores asíncronos con GTO.

Figura 3-87.

Esc

2000 Civia motores asíncronos con IGBT.

118

Figura 3-88.




2001 Talgo 350 (pato serie 102) motores asíncronos controlados por IGBT. Ancho internacional 25kV CA.

Figura 3-89.

2004 ATPRD 120 IGBT rodadura desplazable bitensión 3kV CC y 25kV CA.

Figura 3-90.

Esc

2004 Serie 104 con 8 motores asíncronos controlados por GTO. Incorporan IGBT en el convertidor de servicios auxiliares. Ancho internacional 25kV CA.

Figura 3-91.




2006 TEMD 449 IGBT ancho nacional 3kV CC.

Figura 3-92.

2008 locomotora 253 cuatro motores trifásicos independientes controlados por un ondulador a IGBT y alimentados sin circuito intermedio filtrado a red 3kV DC ancho nacional. Mayor modularidad entre equipos y mejoras en la telediagnosis.

Esc

Figura 3-93.

120

Figura 3-94.



Tracción diésel (Motores térmicos)

4. TRACCIÓN DIESEL (MOTORES TÉRMICOS)

4.1

APUNTES DE TRACCIÓN DIESEL

Figura 4-2. Tractor de maniobras MABI S/311.

Figura 4-1. Locomotora diésel de línea S/333.3.

La tracción diésel, con sus ventajas de poder circular por cualquier línea este o no electrificada, representa un importante segmento de los vehículos que hoy día mantenemos en Integria. En una primera clasificación, podríamos dividir el parque, en locomotoras y automotores. Las primeras, destinadas a mover trenes; mientras que los automotores son vehículos destinados al transporte de viajeros

Esc

Figura 4-4. Automotor diésel S/592 y S/593.

Figura 4-3. Automotor diésel S/599.




4.1.1 LOCOMOTORAS 4.1.1.1

LOCOMOTORAS DE LÍNEA

Figura 4-5. Locomotora diésel de línea S/333.3.

Son vehículos destinados al remolque de trenes. Las partes más importantes que forman una locomotora son: La estructura de caja, donde en sus dos extremos se sitúan las cabinas de conducción, en las cuales situamos los elementos necesarios para el control del vehículo. Entre ambas cabinas, se sitúa la sala de máquinas, donde se ubica la planta motriz, constituida por el motor diésel y el generador que transforma la energía mecánica en eléctrica para su utilización por los motores de tracción. Bajo chasis se localizan, el depósito de combustible, depósitos de acumulación de aire y los bogies, estructuras de gran solidez, donde se integran los ejes con sus ruedas y los motores de tracción. 4.1.1.2

LOCOMOTORAS DE MANIOBRAS

Esc

Las locomotoras de maniobras, también conocidas como tractores de maniobras, suelen tener una sola cabina con dos pupitres para la conducción, uno para cada sentido. La planta motriz se sitúa bajo una capota con los otros elementos necesarios para completar la transformación de la energía. En estos vehículos montan motores de dos tiempos, la S/310 y cuatro tiempos la S/311.

122

Figura 4-6. Tractor de maniobras MABI S/311.




4.1.2 AUTOMOTORES

Figura 4-7. Automotor diésel S/599.

Esc

Los automotores, son vehículos destinados al transporte de viajeros. El parque lo componen varias series, atendiendo a su fecha de fabricación. En todos ellos, las diversas motorizaciones, se ubican en la parte baja de la sala destinada a los viajeros. Para la transmisión del esfuerzo motor se utilizan las transmisiones hidráulicas, las cuales, mediante el correspondiente cardan dan movimiento a los ejes.

Figura 4-8. Automotor S/594.



TIPOS DE MOTORES UTILIZADOS


4.2

4.2.1 MOTORES DIÉSEL DE DOS TIEMPOS

Su funcionamiento lo basa en la reducción de los ciclos o tiempos, haciendo que en una sola vuelta de cigüeñal, se completen. En la primera media vuelta realizará admisión + comprensión, y en la siguiente explosión + escape. La eficacia de este tipo de motores, es menor que el modelo de cuatro tiempos, si bien al desarrollar un ciclo de trabajo por cada vuelta de cigüeñal, la entrega de potencia es mayor comparada con un motor de cuatro tiempos con la misma cilindrada

Figura 4-10. Etapas de motor 2 tiempos.

Figura 4-9. Tipos de barrido.

Esc

Figura 4-11. Motor de dos tiempos GM-16-645C.

124




4.2.2 MOTORES DIESEL DE CUATRO TIEMPOS

Su denominación corresponde a los ciclos de funcionamiento. Estos motores necesitan que el cigüeñal de dos vueltas completas para realizar un ciclo de trabajo. Para ello el pistón ha recorrido los tiempos de admisión y compresión; siendo al final de la compresión cuando se inyectará el gas-oil, con la suficiente presión para que este salga pulverizado y al mezclarse con el aire caliente de la cámara de comienzo la combustión. La consecuencia inmediata es el aumento de presión que hace al pistón bajar en su ciclo de trabajo, trasmitiendo el movimiento a la biela, y esta al cigüeñal trasformando el movimiento lineal en circular.

Esc

Figura 4-12. Las cuatro carreras en su orden correcto.

Figura 4-13. Motor MTU V8 S/311.



ELEMENTOS QUE COMPONEN EL MOTOR


4.3

4.3.1 BLOQUE DE CILINDROS

Bloque de cilindros construido en fundición, los cilindros han sido mecanizados para servir de alojamiento a las camisas denominadas sacas, por no tener contacto directo con el refrigerante

Figura 4-14. Bloque motor 6 en línea MAN- S/592.

Típico bloque de cilindros en forma de “V”. Las camisas si tienen contacto directo con el refrigerante. El material empleado en su fabricación es fundición aleada

Esc

Figura 4-15. Bloque motor en V8 MTU S/311.

126




4.3.2 CILINDROS, BIELAS Y PISTONES

Figura 4-16. Camisas tipo húmedas a la espera montaje en bloque motor S/592.

Cilindros-camisas elementos en los cuales se alojaran los pistones. Construidas en hierro fundido con las aleaciones correspondientes para soportar los rozamientos, las presiones y altas temperaturas

Figura 4-17. Bielas y pistones en banco de verificación.

Esc

Los pistones son los encargados de hacer que la presión producida en la cámara de combustión, se transforme en trabajo. Tienen que combinar robustez y ligereza, por lo cual son de suma importancia los materiales empleados en su fabricación, generalmente aluminio con diversas aleaciones




4.3.3 EL CIGÜEÑAL

Elemento importante en el funcionamiento del motor. Construido con acero estampado, rectificando las superficies donde se alojan los apoyos de bancada y las cabezas de las bielas. En estas zonas se aplicarán tratamientos especiales para su endurecimiento, de esta forma se consigue una gran resistencia al desgaste. Con el mismo fin, una serie de taladros recorren el interior, por donde circulará el aceite lubricante; también destacaremos los contrapesos para tener un giro equilibrado.

Figura 4-18. Cigüeñal 16 listo para montaje motor GM16-645C.

Esc

Para evitar que las vibraciones producidas en el funcionamiento, dañen el cigüeñal, se monta en uno de sus extremos, un dispositivo denominado dámper.

128

Figura 4-19. Cigüeñal verificado para motor V8 S/311.




4.3.4 CULATAS

Figura 4-20.

Figura 4-21.

Figura 4-22.

Esc

Cierran los cilindros, fuertemente atornilladas en el bloque, dan alojamiento a las válvulas y otros mecanismos necesarios para la ventilación del motor. En los robustos motores diésel, su material de fabricación lo compone y hierro fundido con aleaciones. También el aluminio, combinado con otros metales se utiliza en su construcción. Según sus tamaños, pueden ser individuales cerrando un solo cilindro o múltiples tapando varios. Al igual que el bloque la culata posee una serie de orificios por los cuales circula el agua del circuito de refrigeración y que están comunicados a su vez con los orificios del bloque.

Figura 4-24.

Figura 4-23. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 129



4.3.5 ACCESORIOS

El turbocompresor o turboalimentador es básicamente un compresor accionado por los gases de escape, cuya misión fundamental es presionar el aire de admisión, para de este modo incrementar la cantidad que entra en los cilindros del motor en la carrera de admisión

Figura 4-25. Funcionamiento interno del turbocompresor.

Esc

El motor de arranque tiene la misión de hacer que el diésel se ponga en movimiento

130

Figura 4-26. Detalles interior de motor de arranque.



LUBRICACIÓN Y REFRIGERACIÓN


4.4

En el funcionamiento de los motores, dos elementos fundamentales, son la lubricación y la refrigeración. Ambos componentes con su específica misión hacen que las piezas en movimiento no se destruyan

Esc

Figura 4-27. Circuito lubricación de motor.

Figura 4-28. Circuito refrigeración de motor.



ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE


4.5

Figura 4-29. Circuito alimentación combustible inyector-bomba.

Esc

El conjunto de elementos que componen el circuito de alimentación, son los encargados de hacer que el combustible penetre en la cámara de combustión. Son mecanismos de gran precisión mecánica en su construcción. Los componentes fundamentales de sistema se pueden resumir en: bombas de inyección, inyectores y como elemento de control indispensable, el regulador. El buen funcionamiento es imprescindible para que podamos tener un buen rendimiento del motor.

132

Figura 4-30. Circuito combustible Bomba en Línea.



TRANSMISIÓN DE LA POTENCIA


4.6

En nuestras locomotoras y automotores la de la energía del diésel, se transmitirá a las ruedas por medios diferente. En primer lugar tenemos el sistema diésel-eléctrico, donde la potencia del motor, mueve un generador eléctrico que será el encargado de transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta energía debidamente acondicionada se envía a los motores de tracción, normalmente anclados en los ejes, y mediante un reducto pasar el movimiento a las ruedas

Figura 4-31. Generador Principal locomotora S/333.

Como principio básico de funcionamiento, la caja de cambios hidráulica consta de un convertidor de par o embrague hidráulico, el cual mediante su bomba de paletas y la turbina transmiten el movimiento y el par al conjunto de engranajes que componen el mecanismo.

Esc

Figura 4-32. Transmisión Hidráulica S/594.



Esc


Introducción al freno ferroviario

5. INTRODUCCIÓN AL FRENO FERROVIARIO

5.1

UNIDAD DE FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE

La unidad de fabricación y acondicionamiento del aire consta de las siguientes partes:

   

Grupo de compresión (filtro de aspiración, motor, compresor, regulador de presión, etc.) Refrigerador (agua/aire o aire /aire). Desengrasador o separador de agua-aceite. Depósito Principal.

 

Válvula de seguridad. Secador.

V. Seguridad

Figura 5-1. Unidad de Fabricación y acondicionamiento.

5.1.1 EL COMPRESOR

El aire atmosférico lo encontramos envolviendo la tierra, sin embargo para aumentar su presión tendremos que producir una compresión a través de una maquina denominada compresor. El accionamiento del compresor es efectuado por motores eléctricos o de combustión. El elemento central en una instalación es el compresor y atendiendo a sus características podemos dividirlos en dos grupos: De Pistón.

Esc

Una etapa o monofásicos. Dos etapas o bifásicos.

Rotativos.

De Paletas. De Roots. De tornillo.




Compresores de Pistón. Los compresores de pistón de una sola etapa o monofásicos poseen una sola fase de compresión, en la que el aire se comprime de 2 a 3 bar, lo que llamamos baja presión. En estos compresores la temperatura de salida del aire comprimido es de 180ºC.

Figura 5-2. Pistón de una sola etapa o monofásico.

En los giros del cigüeñal se producen carreras de admisión y compresión, controladas por la apertura y el cierre de las válvulas correspondientes, admisión y escape.

El ciclo de admisión será:

  

Apertura de las válvulas de admisión. Carrera descendente del conjunto biela-pistón. Llenado de la cámara del cilindro con aire a presión atmosférica, como se puede ver en el dibujo de la izquierda de la figura 5-2.

El ciclo de compresión será:

 

Inflexión del cigüeñal y cierre de la válvula de admisión. Carrera ascendente del conjunto biela-pistón, reduciendo el volumen y por tanto aumentando la presión y temperatura.



Apertura de la válvula de escape y salida del aire a la utilización, como se puede ver en el dibujo de la derecha de la figura 5-2.

Esc

En los compresores de pistón de dos etapas o bifásicos el aire se comprime en dos fases. En la primera fase se comprime a una presión entre 2 o 3 bar (baja presión) y en la segunda fase la baja presión se sube a una presión entre 8 y 10 bar. En este tipo de compresores la temperatura del aire de salida se encuentra en torno a los 130ºC.

136




Este tipo de compresor se compone de dos cilindros de compresión, una para comprimir a baja presión de mayor volumen y otro para comprimir a alta presión.

Figura 5-3. Compresor de dos etapas en locomotora 333.

Entre el periodo de baja presión y el periodo de alta presión, se pasa el aire por un refrigerador previo mejorando las características del aire al enfriarlo, para después comprimirlo en el siguiente periodo a alta presión.

Figura 5-4. Pistón de dos etapas o bifásico. Admisión.

Figura 5-5. Pistón de dos etapas o bifásico. Escape.

Los giros del cigüeñal producen carreras de admisión y compresión apareadas pero desfasadas 180 º, es decir cuando el pistón de baja presión inicie la carrera de admisión, el pistón de alta presión habrá cerrado su válvula de admisión, e iniciará la carrera de compresión de alta presión. Compresores Rotativos.

Esc

Los compresores rotativos de paletas, (figura 5-6) están constituidos por un rotor monobloc, que gira alrededor de un eje excéntrico. En este tipo de compresores la temperatura de salida del aire es de 60ºC aproximadamente cuando la temperatura ambiente está en torno a los 20ºC.

Figura 5-7. Compresor rotativo de paletas.

Figura 5-8. Compresor de tornillo.

Figura roots.

5-6.

Compresor

de




En los compresores de tornillo, (figura 5-7) dos rotores paralelos, macho y hembra de forma helicoidal, giran en un cárter y comprimen el aire en sus lóbulos de manera continua. En estos compresores la temperatura del aire de salida está en torno a los 70ºC cuando la temperatura ambiente se encuentra en torno a los 20ºC.

Los compresores de Roots, (figura 5-8) están formados por dos rotores de sección en ocho que giran sincronizados dentro de una cámara. Los álabes aspiran el aire por un lateral de la cámara y lo empujan por el otro lateral de la cámara. El principal problema viene de la dificultad de lograr la estanqueidad de los álabes entre ellos y entre la carcasa. El rendimiento alcanzado por este tipo de compresores no es muy alto.

5.1.2 RADIADORES REFRIGERADORES DEL AIRE.

El efecto disipador de calor del cobre ayudado por la canalización y orientación del aire de refrigeración de las aletas permiten que la temperatura final del aire sea 20ºC aproximadamente superior a la temperatura ambiente. En esta fase de enfriamiento se produce condensación que es eliminada gracias a la actuación de las purgas automáticas D2 que actúan cada vez que el compresor pasa al ciclo de no compresión.

Figura 5-9. Radiador en locomotora 333.

El enfriamiento se produce al intercambiar la temperatura del aire comprimido con la corriente de aire exterior durante la marcha del vehículo. En radiadores aire /agua, el intercambio de calor se produce con el agua que circula en un circuito cerrado de agua impulsada por una bomba, como es el caso de los radiadores utilizados en los compresores de dos etapas o bifásicos.

5.1.3 FILTROS Y DESENGRASADORES.

 El aire es centrifugado y las partículas más pesadas (agua, aceite, polvo, etc.) son evacuadas a través de la electroválvula de drenaje al final de cada ciclo.

 El aire pasa a la cámara central a través del filtro coalescente donde se eliminan el 99,9% de las impurezas presentes en el fluido (aire saturado).

Esc

 El soporte inferior dispone de un tubo de salida (que salva la zona inferior de acumulación de residuos), por donde el aire comprimido sale a las torres de secado en mejores condiciones.

Figura 5-10. Filtro centrífugo.

138


 Se evita el deterioro de la alúmina aumentando su vida útil.



Su efectividad depende de la construcción y del cartucho filtrante que posee pudiendo ser de varios micrones, siendo los más usados de 5 micrones. Los restos de aceites de los compresores, junto con el aire comprimido forman una mezcla de aire y aceite (gas), con el peligro de explosión, cuando las temperaturas alcanzan los 80ºC. Un aire contaminado puede dañar sensiblemente el funcionamiento de los diferentes circuitos neumáticos de control. Los filtros en los dispositivos de admisión de los compresores evitan la entrada de polvo.

Figura 5-11. Filtro centrífugo.

5.1.4 VÁLVULAS DE SEGURIDAD. 

Siempre presentes en los circuitos de fabricación de aire como vigilantes de una presión máxima admisible en los circuitos.



Con tarajes entre 10 y 11 bar dependiendo de los vehículos.



Son fácilmente ajustables, la presión de ruptura o expansión depende de la tensión que se dé al muelle en su ajuste.

Figura 5-12. Válvulas de seguridad.

5.1.5 DEPÓSITOS.

Son los dispositivos que almacenan el aire con los siguientes objetivos:



Estabilización del aire comprimido.

 Compensar las caídas de presión en la red durante el consumo. 

Contribuir al enfriamiento del aire almacenado.

 Decantar en el fondo los condensados, agua aceite, etc.  Dotados de purgas automáticas para destruir los decantados.

Esc

 El compresor alimenta los depósitos principales de aire comprimido. Cuando la presión llega al tarado se desconecta el compresor de forma automática.  Si la presión baja por el consumo de aire, se conecta de nuevo el compresor.

Figura 5-13. Distribución de depósitos en locomotora 333.




5.1.6 SECADOR.

En la aspiración y compresión del aire atmosférico aparece el agua por condensación, en forma de gotas, en la red de aire comprimido. La cantidad de agua se forma en función de la humedad relativa del aire, dependiendo esta, de la temperatura del aire y de la presión.

Humedad relativa, es la cantidad de agua que un m3 de aire puede admitir a una determinada presión y temperatura.

Humedad absoluta, es la cantidad de humedad que contiene un m3 de aire.

Figura 5-14. Secador.

Esc

En caso de sobrepasar la humedad relativa del aire, aparece el agua en forma de gotas, estas gotas pueden ocasionar daños en las válvulas y no permitir el funcionamiento óptimo y prolongado en el tiempo de las mismas. El objetivo del secador con sus sacos de alúmina (óxido de aluminio) es eliminar la humedad suficiente para bajar el punto de rocío por debajo de la temperatura ambiente más baja prevista, evitando la precipitación del agua en los componentes. Para su funcionamiento dispone de la unidad temporizadora que se encarga de excitar las electroválvulas de forma alternativa, en periodos de dos minutos, con diez segundos de estabilización. El aire pasa de forma alternativa gracias a la temporización de las electroválvulas, por las torres que contienen la alúmina y cuando una torre está en fase de sacado la otra torre está en fase de regeneración al circular una pequeña cantidad de aire ya regenerado por medio de una tobera. En los periodos de no compresión el secador detiene su proceso al no existir caudal de aire que tratar.

140

Figura 5-15. Esquema del secador.



ACTUADORES Y VÁLVULAS EN CIRCUITOS FRENO.


5.2

5.2.1 VÁLVULA DE FRENO DIRECTO.

Válvula de Freno directo, utilizada para la activación del freno independiente de la locomotora, es utilizada por el maquinista durante las maniobras en locomotora aislada y puede trabajar sobre la presión de Equilibrio o Control del freno en situaciones de auxilio. Dispone de tres posiciones: Frenar- Estabilizar-Aflojar.

Figura 5-16.

5.2.2 VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA.

Son las clásicas llaves de aislamiento, utilizadas para cerrar o abrir un circuito neumático, bien sea necesario por labores de mantenimiento o condiciones durante la explotación que así lo determinen.

5.2.3 VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE.

Figura 5-17.

Son las clásicas llaves de aislamiento, utilizadas para cerrar o abrir un circuito neumático bien sea necesario por labores de mantenimiento o condiciones durante la explotación que así lo determinen y que destruyen el aire de la tubería que cierran por las necesidades intrínsecas del circuito neumático donde trabajan.

Figura 5-18.

5.2.4 VÁLVULA DE DOBLE EFECTO.

Es una válvula que puede discriminar entre dos caminos posibles de conducción del aire. Se utiliza por ejemplo para discriminar la actuación del freno directo del freno automático o en la fijación sobre manómetros de la presión del F. Directo y F. Automático. La presión de salida será la que corresponda a la de mayor valor entre las dos posibles.

Figura 5-19.

5.2.5 LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y T.D.P.

Son las clásicas llaves que se encuentran en los testeros de los vehículos ferroviarios y que se utilizan para interconectar la tubería de TFA (pintada de azul) y en caso necesario la tubería de TDP (pintada de rojo) para poder remolcar vagones o coches dependiendo de las necesidades. Es de destacar que en la posición de cerrado, tienen la propiedad de destruir el aire del lado manga de acoplamiento.

Figura 5-20.

5.2.6 VÁLVULAS DE RETENCIÓN.

Esc

Son válvulas que solo conducen en una sola dirección, por lo que también son conocidas con el nombre de “válvulas unidireccionales”. Son utilizadas, en circuitos donde es necesario e imprescindible mantener una presión aun habiéndose desencadenado una anomalía. Un ejemplo de vital importancia es cuando mantienen la presión en los depósitos auxiliares de freno, cuando por avería se destruye la presión de los Depósitos Principales, garantizando la presión necesaria para frenar.

Figura 5-21.




5.2.7 VÁLVULA DE FLUJO.

También es conocida por los nombres de paso calibrado o tobera, tiene varias aplicaciones en los circuitos neumáticos, puede ser utilizada para ralentizar una acción o reacción del aire dentro de una válvula, consiguiendo el trabajo de las mismas de forma confortable, ayudando a la estabilización de fuerzas entre diafragmas y evitando los golpes de ariete internos.

Figura 5-22.

5.2.8 VÁLVULAS REGULADORAS.

Figura 5-23.

Son válvulas también conocidas por el nombre de manorreductoras, se utilizan para ajustar la presión en un determinado circuito neumático. La presión de D.P. en los vehículos ferroviarios suele estar entre 8 y 9 bar, dado que hay circuitos auxiliares, como es el caso del Freno de Estacionamiento que trabaja entorno a los 6 bar o como es el caso de los mandos de Freno Directo que se alimentan de 5 bar, necesitan de la aplicación de estas válvulas. Por otro lado indicar que también es capaz de mantener una presión fija a la salida independientemente de las fluctuaciones a la entrada.

5.2.9 MANÓMETROS.

Son aparatos de medida de la presión de los diferentes circuitos neumáticos que trabajan dentro del vehículo. Actualmente su unidad de mediad es el bar, pero todavía no es extraño encontrar vehículos con manómetros en Kg/cm. Están basados en la deformación de una cámara tubular conocida vulgarmente por el nombre de pulmón, que arrastra en su deformación una timonería que hace deslizar una aguja sobre su eje. En los vehículos se pueden encontrar de diferentes precisiones siendo la más común, mostrando divisiones de 100 mb y 200 mb. En los pupitres de conducción es común encontrar los manómetros de D. Principales, Tubería de Freno automático, Depósito de Equilibrio y C. Freno.

5.2.10

Figura 5-24.

ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA.

Las electroválvulas son elementos de mando neumáticos, que responden a órdenes eléctricas. Consisten en un cuerpo formado por varias cámaras unidas entre sí, que pueden ser comunicadas o no mediante unos asientos de válvula solidarios a un vástago, que responde a una posición dependiendo de la energización o no de un electroimán. Gracias a ellas podemos gobernar circuitos neumáticos a distancia, con rapidez y precisión. Electroválvula Directa. Esta electroválvula se suele utilizar en circuitos neumáticos que responden a órdenes voluntarias como por ejemplo activar unos areneros o un silbato. Como se puede observar en la figura de la derecha, cuando se energiza su electroimán, arrastra una timonería que abre un asiento de válvula y deja paso de aire.

Figura 5-26. EV directa energizada.

Figura 5-25. EV directa desenergizada.

Esc

Electroválvula Inversa La E.V. Inversa en determinados circuitos neumáticos, por su lógica de funcionamiento, se utilizan en circuitos de actuación del freno, provocando la actuación del mismo cuando falta la energía o alimentación eléctrica por algo fortuito que responde a un fallo o avería. Como se puede ver en la figura de la derecha, cuando se energiza corta el paso Figura 5-27. EV inversa Figura 5-28. EV inversa de aire. energizada.

142


desenergizada.


ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS.


5.2.11

Son electroválvulas que permiten activar o seleccionar un circuito u otro en función de si están energizadas o no. Su construcción es muy similar a las electroválvulas convencionales.

Figura 5-29.

5.2.12

PRESOSTATOS.

Son elementos que transfieren órdenes eléctricas en función de la presión de los circuitos neumáticos donde están intercalados con unos determinados rangos de ajuste. En el ajuste se debe tener en cuenta la histéresis (diferentes presiones de conmutación entre la alta y la baja) del propio presostato en algunos casos ajustable dentro de unos límites. Tienen múltiples aplicaciones dentro de los circuitos neumáticos, como ejemplo el “gobernol” del compresor principal que al llegar a la presión máxima de D. Principales ordena la parada del compresor principal. En la figura 5-30 se puede apreciar la diferente posición del contacto eléctrico en función de la presión que existe en la cámara. Figura 5-30. Cuando estos elementos trabajan con dos presiones (una de referencia o de control y otra variable o de actuación, hablamos de manocontactos o presostatos diferenciales.

5.2.13

TRANSDUCTORES.

En la actualidad los sistemas de freno están controlados por procesador, donde el control y vigilancia de las diferentes presiones se hace de forma continua motivo por el cual estos dispositivos juegan un papel muy importante. Son dispositivos que dan información continua de una presión variable y disponen de una resistencia variable en función de la presión. Estos dispositivos pueden trabajar por tensión o por corriente, dependiendo de la electrónica que procesa el valor resultante de la presión variable que controlan.

Esc

Figura 5-31.




5.2.14

DISTRIBUIDOR DE FRENO.

Es el dispositivo donde se determinan los tiempos de freno y afloje según la normativa UIC, así como en algunos casos, las presiones definitivas de freno, siendo la máxima de 3,8 bar. Algunos de ellos ofrecen las posibilidades de fijar dos gamas de tiempos, una para trenes de viajeros y otra para trenes de mercancías, posiciones que se fijan con una palanca selectora (V/M o P/G). Presentan la posibilidad de ser aislados de la TFA, gracias a la llave de aislamiento del distribuidor, por lo que dejan de ser efectivos y todos disponen de la válvula de vaciado o destrucción del depósito de control y por tanto destrucción de cualquier presión en cilindros freno. En la figura 5-33 se puede observar en color azul, las cámaras que se cargan de aire procedente de la TFA. En

Figura 5-33. Distribuidor. Carga del sistema.

Figura 5-32. Distribuidor. Freno.

este proceso se carga por medio de la válvula de corte, el depósito de control, que permanecerá inalterable durante los procesos de destrucción de TFA, así como la cámara inferior del dispositivo principal. La cámara intermedia del dispositivo principal es también cargada al mismo tiempo, así como el depósito auxiliar y la cámara superior del dispositivo principal a través de la válvula de retención, que evitara la perdida de presión del depósito auxiliar de freno cuando la TFA sea destruida por cualquier demanda de freno. Este proceso dura tres minutos, tiempo de rigor para la carga del dispositivo. En la figura 5-32 podemos observar como con el descenso de TFA producimos el desequilibrio de presiones en el diafragma del dispositivo principal y el vástago solidario al diafragma sube hacia arriba abriendo el asiento de la válvula superior e introduciendo aire en la salida a CF. Al mismo tiempo y por paso calibrado, se llena la cámara de recubrimiento obteniendo la fuerza de estabilización a la TFA destruida para frenar, alcanzando la estabilidad.

Esc

Cada proceso de descenso de TFA, desde 5 bar hasta 3,5 bar, tendrá una respuesta como la descrita ofreciendo una gama de presiones estabilizadas diferentes entre 0 bar y 3,8 bar de presión máxima, de esto la definición de freno fácilmente moderable.

144

Figura 5-34. Distribuidor. Afloje.

En los procesos de afloje es decir cuando la TFA sube, el diafragma central del dispositivo principal baja arrastrando el vástago hueco y despegando el asiento de válvula superior del dispositivo principal. El aire de CF escapa a la atmósfera por el vástago hueco del dispositivo principal como se puede apreciar en la figura 5-34.



RELÉS DE FRENO (AMPLIFICADORES DE VOLUMEN).


5.2.15

Estas válvulas son amplificadoras de caudal, realizan la función de construir la TFA en función del valor de presión en el D. Equilibrio cuando trabajan como Relé Principal u ordenar freno a los diferentes cilindros de freno de un vehículo en función de una consigna de freno, cuando trabajan como Relés de Freno.

Figura 5-35. Relé de freno .Posición freno.

Figura 5-36. Relé de freno .Posición Afloje.

Estas válvulas son encargadas, en la mayoría de los casos, de reproducir la presión de mando de los distribuidores de freno (con un caudal relativamente pequeño), en una presión amplificada (relés multiplicadoras) o inferior (relé desmultiplicadoras) pero siempre con la capacidad de un gran caudal o volumen, en un tiempo breve y preciso. Cuando los cilindros de freno en una instalación, necesitan por su número de un gran caudal para realizar su trabajo, es necesario recurrir a este tipo de válvulas.

Ejemplo de Relés de freno o amplificadores de volumen F. directo en el centro y automático en los extremos del constructor Faiveley.

Figura 5-37. Relé de freno en equipos Faiveley.

En este caso, disponen de una toma de alimentación de D. Principales, que es de donde tomarán el aire para ponerlo a disposición de la toma de utilización o llamada a los diferentes C. Freno. Otra toma de pilotaje que será la que proporciona el distribuidor para ordenar freno o afloje y una última por donde evacuará el aire al exterior en procesos de afloje.

Esc

En la medida que aumenta el pilotaje aumentara el tiempo de paso entre las cámaras de alimentación a utilización como muestra la figura de la izquierda 5-35 y en la medida que disminuya la presión en la cámara de pilotaje por el árbol hueco se destruirá la presión de la utilización o C. de Freno, como muestra la imagen de la derecha 5-36.




5.2.16

RELÉS DE FRENO VARIABLES (AMPLIFICADORES DE VOLUMEN).

Los vehículos autopropulsados dimensionan su esfuerzo de freno entre otras cosas, en función del peso variable que soportan gracias a la subida y bajada de viajeros.

Figura 5-39. Relé de freno variable .Posición freno.

Figura 5-38. Relé de freno variable .Posición Afloje.

Estas válvulas relés son muy similares a las anteriores válvulas, pero su campo de acción está más direccionado a los vehículos autopropulsados o viajeros, ya que contempla una segunda presión de pilotaje derivada del peso del coche o vehículo en el que va a ser utilizada. El resultado que obtendremos en la utilización, en este caso será producto del pilotaje que se ejerza desde el distribuidor y de la consigna de pesaje, ya que esta presión desplazará el punto de basculación interno, variando la presión de utilización en función del peso, afectando tanto en el aspecto del freno como del afloje. Hay vehículos que la consigna de pesaje es calculada por la electrónica de control del freno BCU y en otros es un valor obtenido por la válvula de valor medio de la presión medida en las balonas de la suspensión secundaria. De esta forma garantizamos la eficacia del freno dimensionándolo en función del peso.

5.2.17

CILINDROS DE FRENO.

Los cilindros representados en esta imagen se componen de una cámara hermética que recibe la presión con la que se ordena freno y contrarrestando un muelle antagonista, desplaza un vástago el cual es solidario a una timonería que empuja las zapatas para efectuar el frenado.

Figura 5-40. Cilindros de freno.

Esc

En el proceso de afloje, cuando desaparece la presión de freno, el muelle antagonista recupera la posición de la zapata aflojando el freno. En locomotoras y vehículos tractores es más común encontrar los que se denomina bloques de freno donde están integrados el cilindro, la zapata, la timonería, el ajustador del cerraje, el dispositivo anti suma y en algunos el dispositivo de freno por resorte o freno de estacionamiento.

146



DIFERENTES FORMAS DE FRENAR.


5.3

5.3.1 FRENO DIRECTO.

El Freno Directo es utilizado eminentemente durante las maniobras, se activa manipulando el mando de freno directo también conocido por el nombre de Pilotari. Dispone de tres posiciones Freno- Estabilización- Afloje.

Figura 5-41. Plano de aplicación del freno directo.

En la imagen observamos que el mando de freno directo, recibe alimentación de D. Principales por medio de una válvula reguladora de presión, adaptando los 8 o 9 bar de D.P (depende de los vehículos) a 5 bar de presión de trabajo para el freno directo.

Cuando activamos el mando de freno directo hacia frenar, tomamos aire a 5 bar y pilotamos la relé de freno (amplificadora de volumen) en este caso desmultiplicadora de presión, la cual tomará aire de los D.P y mandará la señal de freno a cilindros de freno, a una presión que oscila entre 3 y 3,8 bar, dependiendo de los vehículos. La válvula de doble efecto o selectora discrimina la orden de freno solicitada al cilindro, pudiendo ser por freno directo o por freno indirecto, también conocido por los nombres de freno automático o de servicio. Si activamos el mando de freno directo hacia la posición intermedia, lo que haremos es estabilizar lo que anteriormente hayamos solicitado, consiguiendo diferentes escalones de freno, tanto en freno como en afloje.

Esc

Si seleccionamos afloje lo que haremos es destruir por una tobera o paso calibrado (válvula de flujo) instalada en el mando de freno directo, el aire que pilota la relé de freno destruyendo por vástago hueco de la relé de freno el aire que llega al cilindro de freno y por tanto aflojando el freno.




5.3.2 FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO.

Este freno puede ser utilizado para adaptar velocidades durante la conducción, pero es utilizado eminentemente para llegar a la parada total de la composición. Todo el proceso comienza con el control de la presión de un depósito fácilmente manejable por su poco volumen, llamado Depósito de Equilibrio. Para ello tomamos presión de D. Principales y la adaptamos con una reguladora a 5 bar, esta presión utilizada por dos electroválvulas (E.V. Freno y E.V. Afloje), vaciará o llenará el D. Equilibrio, durante las actuaciones de afloje o freno respectivamente. La presión del Depósito de Equilibrio, será reproducida fielmente en la Tubería de Freno Automático o T.F.A. gracias a la Relé Principal o Relé de Mando, ya que este amplificador de volumen es de relación 1:1.

Figura 5-42. Plano de aplicación del freno indirecto.

Esc

Durante el proceso de carga del equipo, una vez que el maquinista toma los mandos del vehículo, se dan una serie de automatismos, como es la carga automática de la T.F.A. hasta 3,2 bar, gracias a la actuación del presostato “H” tarado a esta medida, que mantendrá automáticamente energizada la E.V. de Afloje para subir la presión en el Depósito de Equilibrio y por tanto en la T.F.A. gracias a la Relé Principal o Relé de Mando. La E.V. de Freno permanecerá energizada durante este proceso evitando que la presión del D. Equilibrio se destruya a la atmósfera. En esta situación de rearme automático controlado hasta 3,2 bar el vehículo permanece frenado y dependerá de la voluntad del maquinista o del operario de mantenimiento para comenzar el proceso de afloje voluntario de los frenos, para ello con el manipulador de freno automático se podrán dar órdenes eléctricas a la E.V. de Freno y a la de Afloje. Cuando aflojamos mediante el manipulador, energizamos la E.V. de Afloje y llenamos el D. Equilibrio y por tanto llenamos la T.F.A. de forma fácilmente moderable hasta 4,85 bar, momento en el que se activa otro automatismo controlado por el manocontacto “G” ausente en la figura 1-39, subiendo de forma automática de 4,85 bar hasta 5 bar. Durante la carga de TFA de un tren, la actuación del diferencial PM entre Equilibrio y TFA, se puentea con temporizados electrónicos evitando la destrucción de TFA, aun separándose más de 0,4 bar del D. de Equilibrio. En esta posición y gracias a la Válvula de Realimentación de la figura, mantenemos recubierto el D. Equilibrio compensando posibles fugas en caso necesario, siempre que el mismo se encuentre por encima de 4, 85 bar. Al mantener recubierto el D. Equilibrio, la Relé Principal recubrirá de igual forma las posibles pérdidas de la TFA a lo largo de una composición, hasta un límite. 148




El sistema dispone de la E.V. de Neutro que es energizada cuando se utiliza la locomotora como conducida en mando múltiple o calzada de forma manual cuando queremos remolcar una locomotora sin batería. Esta electroválvula en cualquiera de los casos pilota la Válvula de Corte, la cual en estas condiciones, aísla de TFA el panel de freno impidiendo recibir y construir TFA como medida de seguridad. Todos los vehículos ferroviarios disponen de un circuito eléctrico conocido con el nombre de circuito lazo, donde están intercaladas todas las vigilancias que tienen que ver con el funcionamiento seguro de dicho vehículo. Estas vigilancias que pueden ser Hombre Muerto, ASFA u otros bloqueos LZB o ETCS, corte de tren detectado por diferencial PM, F. de Emergencia por mando de tracción, F. de Urgencia, etc. cuando se desencadenan, producen la rápida destrucción de la TFA gracias a la actuación de las válvulas de Emergencia pilotadas por electroválvulas de vigilancia que se desenergizan cuando se abren estos circuitos lazo.

Figura 5-43. Distribución de los circuitos de freno en un coche.

Durante todo el proceso descrito nos hemos ocupado de la manipulación de la TFA y de sus automatismos, resumiendo de alguna forma: el maquinista sube o baja la TFA en función de si quiere aflojar o apretar el freno de la locomotora y del tren en el caso de estar acoplado al mismo. En la imagen superior aparece el distribuidor ya explicado anteriormente y el cilindro de freno donde podemos comprender la influencia de la TFA en cualquier proceso de frenado y afloje de una composición.

Esc

Conviene distinguir entre coches alimentados de D. Principales y TFA y vagones alimentados solo de TFA, como muestra esta figura.

Figura 5-44. Distribución de los circuitos de freno en un vagón.

La diferencia radica en que los vagones sin alimentación de D. Principales, la carga del depósito auxiliar de freno se toma de TFA, al no disponer de tubería de D. Principales.




5.3.3 FRENO ESTACIONAMIENTO.

En el freno de estacionamiento con bloques de freno, el frenado de estacionamiento es producto de la fuerza ejercida por un muelle. Estos bloques de freno que combinan las posibilidades de freno por F. Directo, freno por F. Indirecto o automático y freno por freno de estacionamiento, necesitan para esta tercera posibilidad de un aparellaje o dispositivos de mando.

Figura 5-45. Plano de aplicación y afloje del freno de estacionamiento.

Esc

Para el funcionamiento del bloque de freno que contempla la posibilidad de freno de estacionamiento por muelle acumulador, necesitamos una reguladora que ajusta la presión de D. Principales a 6 bar aproximadamente (dependiendo de los vehículos) que alimentara una electroválvula directa y que cuando se energice eléctricamente o se calce manualmente, meterá aire en la cámara rindiendo el muelle acumulador y aflojando el Freno de Estacionamiento. Es por esto fácilmente deducible que en la medida que el vehículo se queda sin aire el freno de estacionamiento se aplica, al distenderse el muelle acumulador. En la imagen 5-45 se puede observar una válvula de doble efecto también conocida por el nombre de válvula anti-suma o anticompound que evita la suma de esfuerzos de freno resultantes del freno neumático y el del muelle acumulador, aplicando la fuerza del muelle acumulador en la medida que desaparece el freno neumático. Dispone también de unos presostatos de vigilancia que informan de la aplicación o no del freno estacionamiento a la electrónica de control, pudiendo desencadenar frenados de emergencia ante situaciones de aplicación indebida del F. de Estacionamiento o simplemente no permitir la tracción si el F. de Estacionamiento está aplicado.

150




5.3.4 FRENO AUXILIO.

Cuando las ordenes eléctricas que manejan las electroválvulas de afloje, freno y otros componentes de control del freno, no son posibles por avería, es necesario recurrir al freno de auxilio. Este freno de auxilio, gracias a las llaves de cuatro vías o conmutadores neumáticos en locomotoras más actuales, permite el manejo de la presión del D. Equilibrio con la válvula del F. Directo.

Figura 5-46. Plano de aplicación y afloje del freno de auxilio.

Esta representación se acerca a la que funciona en locomotoras 252, con el conmutador posicionado en auxilio podemos manejar la presión del D. Equilibrio de forma manual con un elemento puramente neumático como es el mando para F. Directo.

5.3.5 FRENO URGENCIA.

En la figura 5-47 podemos ver la representación de una válvula para el F. de Urgencia. Estas válvulas cuando son accionadas a voluntad por el maquinista, destruyen de forma rápida la TFA ordenado freno máximo. Disponen de enclavamientos eléctricos que entre otras funcionalidades pueden abrir el circuito lazo, des-energizar electroválvulas de vigilancia que desencadenan la apertura de la TFA a la atmósfera por válvulas de emergencia, informar a los procesadores de control del vehículo de su actuación, etc.

Esc

Figura 5-47. Válvula de urgencia.



ANTIBLOQUEO.


5.4

Durante los procesos de frenado es muy importante controlar la adherencia rueda carril, evitando deslizamientos que pueden dañar las ruedas de forma considerable, al mismo tiempo que se optimizan las distancias de frenado.

Figura 5-48. Plano funcional genérico del equipo antibloqueo.

Esc

Básicamente el equipo consta de una electrónica de control, donde se procesan las señales de velocidad recibidas de los sensores (ópticos o inductivos) calados en las cajas de grasa sobre ruedas fónicas, repartidos en los diferentes ejes y de unas electroválvulas controladas por la electrónica de control, capaces de controlar el llenado y vaciado de los cilindros de freno. La electrónica compara cada una de las lecturas de los ejes y si alguna se desfasa sobre el resto, controla las electroválvulas de ese eje que se retrasa cortándole la alimentación de freno, incluso destruyendo parte de la presión recibida, siendo restablecida a valores normales, cuando cesa la diferencia de velocidad de ese eje con el resto.

152



Sistemas de seguridad y registradores jurídicos

6. SISTEMAS DE SEGURIDAD Y REGISTRADORES JURÍDICOS

6.1

REGISTRADORES JURÍDICOS

Los equipos registradores jurídicos captan y procesan señales de tipo analógico y digital que se generan durante la conducción. Estas señales pueden proceder del propio vehículo, como por ejemplo la señal de velocidad o la presión instantánea en la tubería de freno o por el contrario del exterior como las señales de ASFA. También se almacenan parámetros propios del vehículo. Las centrales de registro más modernas están comunicadas al Bus multifunción del vehículo (MVB) y establecen de este modo diálogo con el resto de subsistemas del tren. Por ello algunas señales se toman mediante cableado directo y otras a través de un bus de comunicaciones. Los registradores jurídicos son equipos informáticos, dotados de sistemas de protección anti-impacto, térmica, etc. según normativa y que recogen la información relativa a la circulación del vehículo y al estado de un gran número de señales y parámetros de funcionamiento del mismo. Estos datos son almacenados con diferente grado de precisión en memorias de corto y de largo recorrido, que pueden ser utilizadas para fines jurídicos en la investigación de accidentes y también para tareas de mantenimiento. Normalmente se produce una grabación de todas las señales cuando una señal digital cambia de estado o cuando una señal analógica experimenta una variación en su valor o histéresis previamente determinada. La ventaja de este principio de grabación, en comparación con una grabación continua estriba en la reducción de la masa de datos. También se realiza una grabación transcurrido un determinado tiempo o espacio recorrido por el tren aunque no exista variación en ninguna de las señales. Los datos almacenados en las memorias se extraen mediante programas diseñados al efecto y según el tipo de registrador se realiza la conexión del PC de mantenimiento a través de un puerto serie o conexión Ethernet. También existen equipos que incorporan una tarjeta de memoria y otros en los que la extracción de datos de memoria se realiza mediante un Pendrive previamente securizado conectado a un puerto USB. El análisis de los datos se realiza también con aplicaciones informáticas específicas siendo posible la visualización de los mismos tanto en modo gráfico como textual. Señal digital: la grabación se produce por cambio de 1 a 0 o a la inversa.

Figura 6-1. Señal digital.

Esc

Señal analógica: La grabación se realiza cuando ocurre una variación de la señal en un valor predefinido.

Figura 6-2. Señal analógica.




6.1.1 REGISTRADOR JURÍDICO TELOC®2500

Figura 6-3. Subsistema de registrador jurídico Teloc 2500.

En el subsistema de registrador jurídico TELOC®2500 podemos distinguir las siguientes partes: 1.- Central de registro TELOC®2500. 2.- Generador de impulsos. 3.- Caja de bornes. 4.-Indicador de velocidad. 5.-Memoria de datos externa a prueba de impacto e incendio (opcional). 6.- Terminal del conductor en la cabina. 7.- Conexión al bus de tren.

Esc

TELOC®2500 es la unidad central del equipamiento a bordo. En ella se graban todos los datos de viaje específicos del vehículo: velocidad y señales analógicas y digitales. Además, procesa y emite las señales de mando y control. El hardware de la unidad es modular y puede añadirse posteriormente si hay suficiente espacio. La estructura básica del software es universal, pero por medio de parámetros configurables puede adaptarse a las necesidades del usuario. La versión básica de la unidad contiene al menos una toma de alimentación (POSUx), una placa secundaria (BUPLx) y una placa de procesador (MAINx).

Figura 6-4. Estructura de Central Teloc 2500.

Estructura de una central TELOC®2500

154




Con un PC que tenga instalado el software de la unidad de servicio Hasler® MultiRec-SG, el usuario se puede comunicar con TELOC®2500 a través de la interfaz RS-232 incorporada, por ejemplo para descargar datos de la memoria interna o de la memoria externa a prueba de impacto e incendio. Otras funciones importantes son la carga de configuraciones nuevas o básicas del software de la unidad, la lectura de mensajes de diagnóstico y la monitorización y simulación de señales analógicas y digitales durante la ejecución de trabajos de servicio generales

Figura 6-5. SW para configuración y descarga de datos.

Esc

A diferencia del SW de la unidad de servicio, que se suministra de serie con el equipamiento estándar, el software de evaluación TELOC®EVA se adquiere por separado. El usuario debe instalar el software en un PC. El software de evaluación permite el análisis de los datos de viaje descargados de TELOC®2500, que se pueden imprimir o visualizar en forma de gráfico o tabla. Además, las funciones de búsqueda programables permiten buscar los datos de eventos específicos

Figura 6-6. SW para análisis de datos.




6.1.2 REGISTRADORES JURÍDICOS CESIS 3G y 4G

La Central de Registro Cesis 3G es un equipo dedicado a la exploración, la supervisión y el registro de señales del vehículo, así como cálculo de distancia recorrida y velocidad real del tren. Realiza por tanto la adquisición y el tratamiento de señales del tren, que bien están directamente cableadas al equipo (entradas digitales y analógicas directas), bien son recibidas desde otro equipo (entradas digitales y analógicas remotas) del tren a través de una línea de comunicaciones de datos, o son señales generadas internamente en el propio equipo (señales calculadas). La central tiene la capacidad de capturar 48 entradas discretas y 4 entradas analógicas directamente cableadas al equipo y recibe datos remotos de otros equipos conectados en el bus MVB. El cálculo de la distancia y la velocidad se realizan en tiempo real. El cálculo de distancia recorrida por el tren está basado en el número de pulsos recibidos de dos tacogeneradores y unos parámetros como diámetro de ruedas y número de pulsos por vuelta. El cálculo de velocidad es directo a partir de la distancia y una base de tiempo (RTC). Los valores de las señales supervisadas se registran por cambios en un archivo denominado Archivo Cronológico de Señales (ACS), que reside en una memoria no volátil denominada Modulo de Registro (MRE), conjuntamente con los datos de referencia temporal, velocidad del tren y distancia recorrida. El propósito del ACS generado por la central de registro es el de permitir el análisis del funcionamiento del tren en una determinada situación, por ejemplo inmediatamente antes de un fallo o accidente, para así poder determinar la génesis de tal situación.

Esc

Figura 6-7. Central de registro CESIS 3G.

156




El ACS se puede extraer a un ordenador PC a través de una conexión Ethernet para posteriormente realizar el pertinente análisis. Para realizar las operaciones de extracción y análisis del ACS el ordenador compatible PC, denominado Terminal de Extracción, Análisis y Configuración (TEAC) dispone de unos programas de usuario específicos.

Figura 6-8. Grabación, extracción y análisis de datos.

La central tiene la capacidad de controlar 8 salidas discretas, siete de ellas de contacto de relé y una estática. Dos salidas de relé se activan/desactivan en función de la velocidad del tren. La salida estática se utiliza para controlar la electroválvula de engrase de pestañas. El sistema dispone de un módulo GPS y una antena que permiten obtener la referencia temporal y mantener mediante su reloj de tiempo real el patrón de fecha y hora para todos los equipos conectados en la red MVB. El velocímetro es la interfaz principal del sistema CESIS con el maquinista. Muestra la velocidad real del tren, la velocidad prefijada, el modo de conducción, existencia de avisos y fallos.

Figura 6-9. Informaciones en el velocímetro.

Esc

Los dos velocímetros disponen de una interfaz RS485 y están conectados a una línea de comunicación serie RS485 de la central de registro.




La Central de Registro Cesis 4G realiza las funciones de captación de señales, grabación de señales, cálculo de velocidad, control del resto de equipos del sistema y comunicación con otros sistemas. La central contiene el Módulo de Memoria Rugerizada, con cumplimiento de la norma IEEE 1482.1, donde se realizan las grabaciones de las señales.


Figura 6-11. Módulo de memoria extraíble.


Para prevenir que una tarjeta pueda ser insertada en un conector de la placa base que no es el correcto, todas las tarjetas / módulos de inserción disponen de unos codificadores mecánicos.

Figura 6-13. Detalle del codificador mecánico de tarjetas.

Esc

En la central de registro Cesis 4G, la extracción de datos se realiza mediante un pendrive securizado

158

Figura 6-14. Pendrive securizado.




Registro de un paquete de información.

Se realiza un doble registro en memoria rugerizada de 64 mb y memoria no rugerizada SD de 1Gb. Este archivo contiene la siguiente información: El número de serie del coche en el que está instalada la central de registro (identificación del coche y/o tren al que pertenecen los datos). El código identificador de registro (CIR) que relaciona el registro con una configuración determinada de señales registradas y su identificación. Valor de las variables digitales, analógicas y/o de determinados parámetros cuyo valor puede ser cualquiera dentro del rango y resolución asignado. Estos parámetros pueden ser, por ejemplo, los diámetros de rueda, el número de conductor, los pulsos por vuelta, etc. Información del tren a grabar, como por ejemplo las entradas digitales directas, las salidas digitales directas, las entradas digitales recibidas por comunicaciones o los parámetros de conducción. Fecha y hora de la grabación del registro.

Distancia recorrida desde el instante de grabación anterior.

Se produce el registro de un paquete de información cuando:

Una variable digital supervisada y seleccionada cambia de estado.

Una variable analógica supervisada experimente una variación que sea superior a la histéresis previamente configurada. Cambio en cualquiera de los parámetros variables supervisados. Se supera un tiempo configurado sin cambio en las señales.

Un usuario mediante comando, introduce un cambio manual en la fecha o la hora del sistema.

Esc

También quedará grabada la señal de desconexión de la alimentación de la central, así como la descarga de eventos.

Figura 6-15. Módulo de memoria rugerizada y Pendrive para la extracción de datos




A continuación podemos observar la pantalla principal de interface con el usuario del programa de análisis de datos Ana3acs, válido para los registradores jurídicos Cesis 3G y Cesis 4G.

Figura 6-16. Pantalla principal de ANA3ACS.

Figura 6-17. ACS en modo gráfico y modo texto.

Esc

En la imagen superior vemos la correspondencia existente entre la visualización de un ACS en modo gráfico y en modo textual.

160




6.1.3 REGISTRADOR JURÍDICO DEUTA

El registrador jurídico DEUTA se compone de: -

Equipo de medición. Cassete de memorización de datos. SW de evaluación de datos.

MA10 DSK10 ADS

El equipo de medición MA10 tiene la tarea de captación tratamiento y envío de señales y transmite a la cassete de grabación de datos, los datos para su registro. La tarjeta CPF10 es la interface hombre máquina que permite la introducción de parámetros y la diagnosis del equipo.

Figura 6-18. Registrador jurídico DEUTA, parte superior.

La cassete de memorización de datos DSK10 administra y almacena los datos recibidos del MA10 en una memoria de alta resolución (memoria de corto recorrido) y en una memoria de baja resolución (memoria de largo recorrido).

Esc

La evaluación de los datos registrados en la DSK10, se realiza con un PC, con el sistema operativo DOS y el programa de evaluación ADS, de la siguiente forma: Se transmiten los datos de la DSK10 al PC a través del puerto serie. En el PC los datos se transforman y se representan en forma de gráfica o de tabla.

Figura 6-19. Conexionado de PC de servicio y pantallas gráfica y textual.




6.1.4 REGISTRADOR JURÍDICO MEMOTEL

El sistema MEMOTEL reúne la tecnología del aparato de indicación con servomando, y la capacidad de almacenamiento de datos de ruta en memorias estáticas alojadas en una caja. Como sucesor de los tacógrafos de franjas RT9, RT12 YRT13, así como de los tacómetros A16, A28 Y A29, puede reemplazar a los mismos, siendo compatibles sus funciones. Para el almacenamiento de los datos analógicos de ruta así como de los datos digitales de servicio, el aparato dispone, además de la memoria interna, de un dispositivo para alojamiento de una tarjeta de memoria sin contactos ni pilas, cuyas dimensiones equivalen a las de una tarjeta de crédito. Durante el servicio, MEMOTEL, verifica constantemente su operatividad y la corrección de sus indicaciones con ayuda de circuitos integrados de test y comparación. Actuando sobre el pulsador correspondiente, el visualizador digital combinado puede indicar varias magnitudes como por ejemplo la fecha, la hora, la velocidad, el kilometraje y también avisos de fallos en forma codificada. El sistema MEMOTEL consta del equipo de a bordo, del equipo de servicio y de un equipo de evaluación. Para la toma de datos desde la tarjeta de memoria Memory Card se necesita un aparato de transferencia de datos especial. La ilustración siguiente muestra el conjunto del sistema.

Figura 6-20. Registrador jurídico Memotel.

Esc

1.-Equipo de a bordo 2.- Equipo de servicio 3.- Equipo de evaluación 4.-Aparato de transferencia de datos 5.- Soporte de almacenamiento de datos 6.-Memory card 7.-Tacogeneradores 8.-Batería

162




Como equipo de servicio se utiliza un PC portátil con software MEMOTEL-SG. El enlace con MEMOTEL tiene lugar en serie a través del interface RS232 disponible detrás de la tapa. Con ayuda del equipo de servicio puede configurarse MEMOTEL o bien pueden tomarse los datos de ruta de la memoria interna y archivarse. Otras tareas a realizar con el equipo de servicio técnico son la lectura de fallos o errores, el ajuste del factor de corrección del diámetro de las ruedas y el ajuste de la identificación del vehículo.

Figura 6-21. Memotel. SW de servicio.

1.-PC con software para servicio MEMOTEL –SG 2.-Cable de conexión RS232 Como equipo de análisis se utiliza un PC portátil con software MEMOTEL- AS

Figura 6-22. Memotel. SW de análisis.

Esc

1.-PC con software de evaluación MEMOTEL - AS 2.-Memory Card 3.-Equipo de transferencia 4.-Soporte de datos 5.- Impresora

Figura 6-23. Memotel. Pantalla de visualización de datos.



ASFA DIGITAL


6.2

6.2.1 DESCRIPCIÓN

El Sistema Embarcado ASFA Digital es el sistema de a bordo que proporciona un conjunto básico de funciones de Protección Automática de Trenes (ATP). El Sistema procesa la información procedente de la vía y muestra un conjunto de indicaciones al maquinista para alertarle y facilitar la realización de las acciones requeridas. Cuando el Sistema detecta que no se están respetando los controles de velocidad establecidos, actúa sobre el freno de emergencia del tren. El Sistema ASFA Digital se incluye en la categoría de los Sistemas ATP semicontinuos: Ofrece una protección contra sobrevelocidad a lo largo del todo el recorrido del tren, pero recibe la información de manera puntual mediante un sistema de balizas instaladas en la vía. El Sistema ASFA embarcado del tren es el encargado de recoger la información de la vía, procesar dicha información, mostrar las indicaciones correspondientes al personal de conducción para que este realice las operaciones oportunas y actuar sobre el freno de emergencia si fuese necesario. Las balizas ASFA instaladas en la vía proporcionan información relativa al aspecto de la señal más próxima al tren en su sentido de marcha, también envían información de los Pasos a Nivel sin Protección y de Limitaciones Temporales de Velocidad. La configuración habitual de balizas en la vía consiste en disponer una baliza previa a unos 300 metros de la próxima señal (para anticipar al equipo de a bordo el aspecto de la señal) y una baliza de pie de señal situada a unos 5 metros de la señal. Además de la información transmitida por las balizas ASFA, el Sistema ASFA Digital requiere que el maquinista confirme, mediante su actuación sobre pulsadores, la información que se ha captado al paso sobre baliza. La protección proporcionada por el ASFA Digital incluye los siguientes controles:

     

Control de velocidad máxima del tren. Control de velocidad durante la aproximación a una señal de parada. Control de velocidad durante la aproximación a un desvío. Control de velocidad durante la aproximación a un paso a nivel sin protección. Control de velocidad por limitaciones temporales de velocidad. Control de modo en zonas de cambio de ancho de vía.

CONCEPTOS: BALIZA Elemento del sistema instalado en la vía, utilizado para la transmisión de información puntual de la vía al tren. CASO DE SEGURIDAD La demostración documentada de que el proceso cumple con los requisitos de seguridad especificados.

Esc

CURVA DE INTERVENCIÓN DE FRENADO Curva de velocidad en función del tiempo, definida para cada control del sistema. En caso de que el tren rebase el valor instantáneo de velocidad definido por esta curva, el sistema ASFA Digital solicitará la aplicación del freno de emergencia y anunciará este hecho mediante las indicaciones ópticas y acústicas asociadas al freno de emergencia. CURVA DE VELOCIDAD DE CONTROL Curva de velocidad en función del tiempo, definida para cada control del sistema. La velocidad del tren debe, a efectos del control que esté realizando el sistema, mantenerse siempre por debajo del valor instantáneo de velocidad definido por esta curva.

164




FASE 1 Primer estado de implantación del nuevo Sistema ASFA Digital, correspondiente a la operación con las balizas e información de vía del actual sistema ASFA: L1, L2, L3, L7 y L8. Durante esta fase el sistema también será capaz de procesar las nuevas balizas que se vayan incorporando. FASE 2 Segundo estado de implantación del nuevo Sistema ASFA Digital, correspondiente a la operación con las balizas e información de vía del nuevo sistema ASFA Digital: L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8 y L9. FRECUENCIA PERMANENTE Señal de comprobación del Subsistema de captación ASFA.

TIPO DE TREN Clasificación de los trenes a efecto de composición, velocidad, régimen y frenado. Se expresa mediante un número múltiplo de 10 que indica la velocidad máxima que puede alcanzar el tren en las condiciones más favorables de trazado y clase de vía. VELOCIDAD DE AVISO Límite de velocidad establecido en cada instante, en función del control activo, que en caso de ser rebasado provocará que el equipo ASFA Digital anuncie que el vehículo circula con sobrevelocidad mediante indicaciones ópticas y acústicas. Se calcula en función de las curvas definidas de velocidad de control y de intervención. VELOCIDAD DE CONTROL Límite de velocidad establecido en cada instante, en función del control activo, que no debe superar el tren a efectos del control que esté efectuando el sistema ASFA Digital. Se trata de cada uno de los distintos valores de la curva de velocidad de control y clase de vía. VELOCIDAD DE CONTROL FINAL Es la velocidad de control una vez transcurrido el tiempo correspondiente al intervalo decreciente de la curva de velocidad de control. VELOCIDAD DE INTERVENCIÓN DE FRENADO Límite de velocidad establecido en cada instante, en función del control activo, que en caso de ser rebasado provocará que el equipo ASFA Digital solicite la aplicación del freno de emergencia. Se trata de cada uno de los distintos valores de la curva de intervención de frenado. Tiempo de reacción curva VC

V

Curva de velocidad de intervención de frenado (IF)

Curva de segunda velocidad de aviso

Esc

Curva de velocidad de control (VC)

Curva de primera velocidad de aviso

Curva de velocidad de control final (VC)

T Figura 6-24. Supervisión y control.




6.2.2 SEÑALES DE ASFA DIGITAL

L1 Frecuencia correspondiente a: Fase 1. Anuncio de parada, anuncio de parada inmediata, preanuncio de parada, anuncio de precaución, paso a nivel sin protección y a limitación temporal de velocidad. Fase 2. Anuncio de parada y anuncio de parada inmediata. L2 Frecuencia correspondiente a vía libre condicional y preanuncio de limitación temporal de velocidad. L3 Frecuencia correspondiente a: Fase 1. Vía libre y paso a nivel protegido. Fase 2. Vía libre.

L4 Frecuencia correspondiente a paso a nivel protegido y fin de paso a nivel sin protección. Dos balizas con esta frecuencia, situadas a corta distancia, indican al sistema la situación de cambio de ancho de vía. L5 Frecuencia correspondiente a: Fase 2. Preanuncio de parada. L6 Frecuencia correspondiente a: Fase 2. Anuncio de precaución.

L7 (Control de velocidad antes de parada) Frecuencia correspondiente a baliza previa de señal con aspecto de parada, movimiento autorizado, rebase autorizado y señal apagada. L8 Frecuencia correspondiente a baliza de pie de señal con aspecto de parada, movimiento autorizado, rebase autorizado y señal apagada.

Esc

L9 Frecuencia correspondiente a: Fase 2. Paso a nivel sin protección y a anuncio de limitación temporal de velocidad.

166

Figura 6-25. Transición de 5 a 9 frecuencias.




6.2.3 COMPONENTES

El ASFA Digital embarcado está formado por:  Equipo de Captación, encargado de la detección de la presencia de balizas, amplificación de la señal resultante de esta detección y envío ECP.  Equipo de control y presentación de información ASFA Digital que está formado por:

o

o

o

Esc

o o

Equipo de control y proceso (ECP) contiene los módulos electrónicos responsables de la ejecución de las diferentes funciones de protección e indicación del sistema embarcado y de procesar la información recibida realizando los cálculos de odometría correspondientes. Equipo de actuación y presentación de indicaciones de la información: Este subsistema está ubicado en el pupitre de conducción y constituye el elemento de interacción con el personal de conducción mediante indicadores, pulsadores y conmutadores. Incluye:  Panel repetidor: Contiene los dispositivos ópticos necesarios para dar a conocer al personal de conducción informaciones provenientes del sistema de vía (balizas) y determinar las actuaciones que deben realizar.  Conjunto Display: El propósito de este elemento es suministrar información de forma visual al maquinista, a través de un display. Hay una Pantalla de visualización de Datos por cabina de conducción. Este elemento realiza las siguientes funciones: suministro de información de forma visual al maquinista a través de un display, control desde el Equipo de Control y Proceso (ECP), autocomprobación continua y facilidades de mantenimiento.  Pulsadores adicionales: Estos pulsadores son los de uso más habitual en la conducción, es decir los de reconocimiento por paso de señal. Combinador General: Permite configurar el sistema; sus principales funciones son las siguientes: conexión / desconexión del ASFA digital, selección del tipo de tren y anulación del ASFA Digital. Unidad de Odometría: Proporciona la información al ECP para el cálculo de la velocidad. Convertidores: Estos elementos convierten la tensión de batería de los trenes a los 72 V que necesita el Sistema ASFA.

Figura 6-26. Arquitectura del subsistema.



PANEL REPETIDOR


6.2.3.1

Existe uno en cada cabina de conducción. Está constituido por los siguientes pulsadores/indicadores:

Esc

Figura 6-27. Funcionalidades del panel repetidor.

168

Figura 6-28. Panel repetidor.



DISPLAY


6.2.3.2

La Figura muestra la disposición general de indicaciones en el display.

Esc

Figura 6-29. Display.

Figura 6-30. Display - Áreas de representación.



PULSADORES ADICIONALES


6.2.3.3

Los Pulsadores Adicionales se encuentran en la cabina de conducción incorporados al pupitre de conducción.

Figura 6-31. Pulsadores adicionales.

Para garantizar la eficacia del reconocimiento el pulsador correspondiente debe ser accionado al menos durante 0,5 segundos. 6.2.3.4

UNIDAD DE ODOMETRÍA

Esc

La Unidad de Odometría está instalada en el interior de las cajas de grasas instaladas en el exterior del tren. La Figura muestra un sensor de velocidad dentro de una caja de grasa abierta y la caja de grasa instalada en el tren.

170

Figura 6-32. Unidad de odometría.



COMBINADOR GENERAL


6.2.3.5

Conecta el equipo, selecciona el tipo de tren o anula el equipo. Está constituido por: Conexión general. Se utiliza para conectar y desconectar el sistema. Selector del tipo de tren. Se pueden seleccionar 8 tipos diferentes de tren para cubrir todo el parque de vehículos existente. Interruptor de anulación. Se utiliza para anular el equipo conjuntamente con el de conexión.

Figura 6-33. Combinador general.

Existen equipos que incorporan, para uso exclusivo en operaciones de mantenimiento:  Dispositivo de Identificación del Vehículo (DIV).  Led indicador de eficacia del DIV (no requiere actuación del maquinista).  Codificadores mecánicos para el ajuste del diámetro de rueda.

Figura 6-34. Combinador general.

Esc

Conexión, puesta en marcha y anulación del equipo. 1º.- Selección del tipo de tren, actuando sobre el selector de 8 posiciones o tipos (según versión). 2º.- Conexión de alimentación del equipo de control y proceso. 3º.- Alimentación del panel repetidor actuando sobre el interruptor de conexión de la cabina que se desee seleccionar. Se activa la indicación de eficacia y se presenta la indicación de tipo de tren en la ubicación de la velocidad real del vehículo. Al mismo tiempo se realiza la prueba de lámparas y sonería. 4º.- Dependiendo SW, muestra en pantalla: ASFA OK: Sistema sin ningún fallo funcional. ASFA Operativo: El sistema tiene un fallo leve de funcionamiento. ASFA No Operativo. El sistema no puede funcionar correctamente. En modo Básico: Estado Operativo: Oscilación indicador eficacia; No Operativo: Ausencia eficacia. 5º.- Accionar el pulsador de rearme de freno. El tipo de tren se pasa a mostrar en la indicación de tipo de tren y se permite el afloje del freno. Se establece el control de arranque. En función SW el equipo muestra el icono de focos con interrogación. 6º.- Selección de modo de conducción, si fuese necesario establecer un modo distinto al que se establece automáticamente por defecto. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 171



Control de arranque

Figura 6-35. Control de arranque.

Cambio del tipo de tren. El sistema sólo permite el cambio de tipo de tren cuando la selección vaya acompañada de una posterior conexión de cabina. Anulación del equipo. Para anular el equipo se realizarán las siguientes operaciones: 1º.- Situar el interruptor de conexión del combinador general en la posición desconectado. 2º.- Situar el conmutador de anulación del equipo en la posición anulado Desconexión del equipo. Para efectuar la desconexión del equipo, se realizan las siguientes operaciones: 1º.- Colocar el pulsador de conexión de la cabina activa en OFF. 2º.- Situar el interruptor de conexión del combinador general en la posición desconectado Cambio de cabina. Debe efectuarse a tren parado y siguiendo las siguientes operaciones: 1º.- Colocar el pulsador de conexión de cabina activa en OFF. 2º.- Accionar el pulsador de conexión de la otra cabina. 3º.- Accionar el pulsador de rearme de freno.

Esc

Modos de conducción Modo ASFA Convencional. Modo ASFA Alta Velocidad. Modo Bloqueo Telefónico Supletorio (BTS). Modo de Maniobras (MBRA). Modo ASFA Básico Convencional. Modo ASFA Básico Alta Velocidad. Modo EXT.

172



Esc


Los modos BTS y Maniobras estarán disponibles para cualquier tipo de tren, aunque no se realiza lectura de balizas. Las transiciones entre los distintos modos (salvo a/desde modo EXT.), se realizará siempre a tren parado. Excepcionalmente, en vehículos de ancho variable o que circulen por líneas dotadas de tercer carril (ancho mixto), se podrán realizar en movimiento las transiciones de modo ASFA AV y ASFA CONV y entre ASFA Básico CONV y ASFA Básico AV. Transiciones entre ASFA digital y ERTMS/ETCS Transición de ASFA digital a ERTMS Requiere que el sistema ASFA Digital este operativo. Secuencia:  Inhibición de la solicitud por parte del ASFA Digital del frenado de emergencia.  Desconexión o inhibición de la operación del sistema ASFA Digital.  ASFA Digital indicará mediante la eficacia la correcta conmutación.  La pantalla no mostrará indicaciones, excepto el modo de conducción EXT. Transición de ERTMS a ASFA digital Requiere que el sistema ASFA Digital este operativo. Secuencia:  Conexión de la operación del sistema ASFA Digital.  Activación del control del frenado de emergencia por el ASFA Digital.  El sistema ASFA Digital se activa mostrando la velocidad de control.  Mostrará el icono de focos con interrogantes (en función del SW).  Si se produce avería en el equipo estando protegido por el LZB/ERTMS a ASFA Digital, se aplicará el freno de emergencia. Registrador de datos. Registrador jurídico: Es el equipo de registro externo del ASFA Digital. Registra las señales emitidas por el sistema ASFA-Digital. Registrador interno del ASFA Digital: Registrador interno que registra las señales de funcionamiento del ASFA Digital.

Figura 6-36. Registros de señales de ASFA.



Esc


Introducción a sistemas de alta tensión

7. INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE ALTA TENSIÓN

7.1

EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN

El equipo de alta tensión, tiene como misión tomar la corriente de catenaria y alimentar mediante los componentes necesarios a los motores de tracción, equipos auxiliares y líneas de alta tensión del tren. Por tanto, estos equipos intervienen directamente en el desarrollo de la potencia del vehículo, tanto en tracción como en freno eléctrico. La configuración del equipo variará en función de la tecnología aplicada. Las características generales que intervienen en el equipo de alta tensión se pueden observar en los siguientes esquemas:

Figura 7-1. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente continua (c/c 3000 v.)

El circuito de potencia queda establecido cuando el pantógrafo contacta con la catenaria y se cierra el disyuntor. En este instante, la tensión de catenaria 3.000 voltios de corriente continua, está presente en el vehículo.

Esc

En el apartado de sistemas de electrificación de corriente continua y motores de corriente alterna, encontramos una gran cantidad de vehículos, debido a la evolución en la electrónica de potencia aplicada a motores de corriente alterna. En el caso de vehículos de corriente alterna, la alimentación eléctrica es de 25.000 voltios, 50 Hercios monofásica.




Figura 7-2. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente alterna (c/a 25000 v.)

Los vehículos motores de corriente alterna, disponen de un transformador, que además de sus devanados para la tracción, pueden llevar los transformadores trifásicos para los servicios auxiliares y para línea de alimentación del tren, las inductancias y bobinas para filtrado. Bajo el bastidor, según el tipo de vehículos se pueden encontrar distintos elementos de alta tensión como pueden ser, los grupos motores alternadores, resistencias, transformadores, reactancias, convertidores de tracción, convertidores auxiliares entre otros.

7.1.1 PANTÓGRAFO

El pantógrafo es el componente del equipo de alta tensión destinado a captar la corriente de catenaria. Está sujeto al techo del vehículo mediante aisladores. El paso de la corriente al interior del mismo se realiza a través de pasamuros aislantes. El conjunto de los elementos que lo componen, deben aportar la suficiente estabilidad y rigidez para permitir la captación de corriente en cualquier situación aerodinámica y de velocidad para la que ha sido diseñado. El bastidor es el armazón que soporta el sistema articulado, el mecanismo de elevación y la mesilla. Está formado por largueros metálicos que apoyan sobre aisladores en el techo del vehículo.

Figura 7-3. Pantógrafo de los años 70/80.

Esc

Para conseguir la elevación y mantenimiento del pantógrafo, es necesaria la presión suficiente de aire comprimido, proporcionada por la instalación neumática del vehículo. Ésta se aplica sobre un accionamiento neumático, que a

veces se complementa con resortes. La pérdida de presión, provocará el descenso del pantógrafo. 176


Figura 7-4. Pantógrafo de la S/253.



Cada pantógrafo tiene una o dos mesillas, situadas en la parte superior del sistema articulado, disponen de un mecanismo de suspensión que las estabilizan y amortiguan, permaneciendo lo más paralelas posible respecto al techo del vehículo.

Figura 7-5. Ejemplo de elementos de Pantógrafo: (serie 253).

1 2 3 4 5 6 7

Bastidor de base Brazo inferior Cable metálico Accionamiento de la elevación. Eje de inserción Pasador de aletas Manguera de conducción de aire comprimido

Esc

Entre otros elementos que pueden disponer los pantógrafos, se encuentran los siguientes:  Sistemas de amortiguación: Garantizan un buen comportamiento de contacto entre mesilla y catenaria, corrigiendo las pequeñas variaciones de altura entre ellos. En unos casos tienen amortiguadores entre el bastidor y el sistema articulado, pudiendo también disponer de amortiguadores ubicados entre las mesillas y el sistema articulado.  Detectores de desgaste o impacto de frotadores: Son dispositivos automáticos de descenso, de efecto neumático e inmediato, en los que el pantógrafo baja automáticamente en caso de daños o desgaste excesivo en frotadores, evitando así, daños mayores en la catenaria y en el pantógrafo. Consiste en un tubo colocado en la mesilla, que contiene aire comprimido, en caso de rotura del tubo el aire comprimido se escapa y el accionamiento neumático del pantógrafo desciende por la pérdida de aire.  Válvula de doble etapa: Se utilizan para conseguir la elevación o el descenso del pantógrafo en dos impulsos, uno inicial de elevada presión; y el segundo, más moderado, que facilita un contacto suave sobre el hilo de contacto o sobre su propio bastidor. Permiten la elevación y descenso de pantógrafo con independencia de la velocidad del vehículo.  Limitadores de altura: Acota la altura de trabajo del pantógrafo a un valor regulable en el mecanismo de elevación, evitando la posible inutilización del pantógrafo por falta de contacto con la línea. Debido a que las características mecánicas y geométricas de la catenaria, son distintas para los sistemas de electrificación de corriente continua y corriente alterna, es necesario que el pantógrafo se adapte a dichas diferencias, sobre todo en función de su geometría de mesilla y sus propiedades eléctricas (intensidad de trabajo, tensión, etc.). Existiendo pantógrafos para CC y para CA.




7.1.2 DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN

El pararrayos o derivador de alta tensión, es un elemento de protección específico diseñado para vehículos eléctricos, montados generalmente en el techo, próximos a los disyuntores o seccionadores de línea de techo, protegen de descargas atmosféricas, y de sobretensiones transitorias que puedan presentarse, tanto en la catenaria, como por la apertura del disyuntor principal o seccionadores.

Existen variantes para su funcionamiento, tanto en corriente continua como en corriente alterna. Debido a que están sometidos a condiciones climáticas extremas y vibraciones, deben cumplir exigentes requisitos en cuanto a la estabilidad térmica, mecánica y eléctrica. Además, en caso de actuar, debe ser resistente a la rotura, para garantizar la seguridad de las personas.

Esc

Figura 7-6. Pararrayos S/465.

178


Figura 7-7. Pararrayos de C/A., derivador de alta tensión. S/130.



7.1.3 SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA

Los seccionadores son los elementos encargados de interrumpir la tensión en un circuito. El seccionador puede actuarse de forma manual o automáticamente mediante actuadores neumáticos o eléctricos. Esta exclusión puede deberse a una posible avería o inutilización en algún componente del vehículo, siendo necesario excluirlo para poder seguir prestando servicio en condiciones degradadas. Por ejemplo, seccionador de pantógrafo, seccionadores de puesta a tierra en disyuntores principales, seccionador de línea de techo, seccionador de motores de tracción, entre otros. En vehículos aptos para circular por los dos tipos de sistemas de corriente, C.C y C.A, estos elementos, permiten aislar la parte del circuito de alta tensión que no permanezca operativa, impidiendo la alimentación eléctrica de los circuitos excluidos. También se utilizan en determinadas operaciones para garantizar la seguridad de las personas, particularmente, en los vehículos eléctricos se utilizan para la puesta a tierra.

Para proporcionar seguridad y evitar cualquier riesgo de electrocución, las cámaras de alta tensión, los armarios o cofres de alta y media tensión, suelen estar cerrados mediante llaves. Para poder acceder a su interior, se proporciona en los vehículos eléctricos un proceso conocido como puesta a tierra. Consiste en obtener dichas llaves de una forma secuencial, mediante una serie de pasos que garanticen la falta de tensión en los emplazamientos correspondientes en el momento de abrirlos. Del mismo modo se evita una manipulación indebida, impidiendo la actuación de determinados elementos, como por ejemplo, el bloqueo neumático al sistema de elevación de pantógrafos.

Figura 7-8. Seccionadores de pantógrafos

Esc

Con las diferentes llaves, se puede tener acceso a armarios de convertidores y cámara de alta para seccionamiento de pantógrafos y todas las operaciones de reparación y mantenimiento necesarias.

Figura 7-9. Regleta o Caja de llaves.




7.1.4 DISYUNTOR PRINCIPAL

Es un interruptor, destinado a establecer y proteger el circuito de alta tensión en los vehículos eléctricos. Reacciona de forma muy rápida, interrumpiendo la conexión entre catenaria y vehículo, evitando posibles daños. Se conoce también como disyuntor extrarrápido. De forma directa, la tensión captada de catenaria por medio del pantógrafo, se transmite al circuito principal de corriente del disyuntor principal. Esto se consigue mediante cables llamados pasamuros, que pasan al interior del vehículo por unos aislantes integrados en el techo de la caja. Generalmente, los disyuntores principales están compuestos de los siguientes elementos:  Bastidor aislante. Estructura que soporta los distintos componentes del disyuntor.  Circuito principal de corriente. Consta de dos contactos, uno fijo y otro móvil llamados labio móvil y labio fijo.  Sistema de aproximación. Mediante accionamientos de tipo neumático, eléctrico, electromagnético, etc.  Sistema de mantenimiento. Proporciona la fijación de los contactos fijo y móvil.  Dispositivo de disparo. Mediante resortes antagonistas, electromagnéticos...  Dispositivo de soplado. La apertura con carga eléctrica en sus contactos, produce arco eléctrico que debe extinguirse, generalmente mediante soplado magnético y antenas de dispersión.

Figura 7-11. Disyuntor de la serie 253.

1 2 3 4 5 6 7 8

Esc

9

Disyuntor principal 2, tipo UR26 Fusible de desconexión del pantógrafo 1 Fusible de desconexión del pantógrafo 2 Fusible de desconexión de puesta a tierra Caja de llaves Fusible de desconexión neumática de los pantógrafos Conexiones neumáticas Conectores externos BT y HT Disyuntor principal 1, tipo UR26

180


Figura 7-10. Disyuntor de Civia.



7.1.5 TRANSFORMADORES

Es el elemento de alta tensión, que permite el funcionamiento del vehículo en las líneas alimentadas tanto a tensión de 25 Kv 50 Hercios de corriente alterna monofásica como también en las de 3000 V. de corriente continua, reduciendo dicha tensión hasta los valores más adecuados para el funcionamiento del vehículo. Para ello, dispone de un devanado primario conectado a la toma de línea procedente del pantógrafo, y de varios devanados secundarios conectados a los distintos convertidores.

Los transformadores de elevada potencia, están

dotados de un sistema de refrigeración para Figura 7-12. Transformador de 3000v. S/253. mejorar el rendimiento y evitar problemas en los devanados por exceso de temperatura. Para ello, el transformador se integra dentro de un esquema hidráulico que se compone normalmente de los siguientes elementos:  Cuba: Contiene el aceite sintético donde se sumerge la parte activa del transformador, devanados de cobre pertenecientes al primario y secundarios arrollados en un núcleo de material ferromagnético, e inductancias de filtro y auxiliares.  Sistema de refrigeración: Sirve para evacuar el calor producido en los devanados. Se compone de bombas que impulsan el aceite sintético por un circuito hidráulico a la unidad de refrigeración, y un vaso de expansión que permite la dilatación libre del aceite en el sistema.  Controladores: Que permiten vigilar el buen funcionamiento del sistema, formado por presostatos, válvulas de seguridad, sondas de temperatura, indicadores de nivel en el vaso de expansión, relé Buchholz, etc., para evitar problemas de cortocircuitos, derivaciones, sobrepresión y sobretemperatura. La actuación de uno de estos elementos produce, según los casos, desde la limitación de potencia hasta la apertura del disyuntor.  Relé Buchholz: Relé detector de gases procedentes del deterioro de las inductancias del transformador. Activa una alarma y se produce corte de alimentación.

Esc

Cuando el vehículo dispone de dos transformadores, se dispone de un seccionador que permitiría aislar el transformador averiado trabajando con el otro en condiciones degradadas.

Figura 7-13. Relé de Buchholz.




Esc

Figura 7-14. Esquema de transformador suministro 25000 V.

182

Figura 7-15. Transformador S/104. Suministro de línea de 25000 V C/A.




También podemos observar el diagrama de un transformador (tanque de inductancias) como subsistema de Alta Tensión de un vehículo con suministro de energía de 3000 V. de C/C. 002

014

0 13 01 2

01 1 /2

02 0

0 1 1/1

004

0 04

0 1 9 /1

T

0 1 0/1

0 0 7 /1

0 0 3 /1

0 0 6 /1

0 0 9/1

0 0 7 /2

0 0 9/2

0 1 9 /2

0 1 0 /2

0 0 7 /3

0 0 3 /2

0 0 6 /2

0 0 9/3

0 0 7 /4

001

0 0 9/4

Figura 7-16. Esquema de transformador suministro 3000 V.

Esc

001 Tanque con elementos magnéticos 002 Torre de refrigeración 003/1,2 Bomba 1,2 004 Radiador 006 Válvula para bomba 007 Válvula de entrada /salida 009 Conexión para llenado 010 Válvula para vaciado 011 Conexión para tubo hacia vaso de expansión 012 Relé Buchholz 013 Vaso de expansión 014 Secador de aire 019 Tornillo para evacuación del aire de la bomba 020 Tornillo para evacuación del aire del radiador



Esc


Sistemas de rodadura (bogies)

8. SISTEMAS DE RODADURA (BOGIES)

8.1

FUNCIONES PRINCIPALES DEL TREN DE RODADURA Y TERMINOLOGÍA

La diferencia principal entre un vehículo ferroviario y otros tipos de transporte rodado es que la dirección es proporcionada por la vía. La superficie de los raíles no sólo soporta las ruedas, sino que también las guía en la dirección lateral. Los raíles y las agujas cambian la dirección de rodadura de las ruedas y determinan así la dirección de desplazamiento del vehículo ferroviario. El tren de rodadura es el sistema que proporciona el movimiento seguro del vehículo a lo largo de la vía. El tren de rodadura incluye componentes tales como el eje montado con la caja de grasa, la suspensión elástica, los frenos, la unidad de tracción, y el dispositivo para transmitir la tracción y fuerzas de frenado al coche. Sus funciones principales son:  Transmisión y equiparación de la carga vertical de las ruedas del vehículo a los raíles.  Guiar al vehículo a lo largo de la vía.  Control de las fuerzas dinámicas debido a las irregularidades del movimiento sobre la vía, en curvas, agujas, y después de los impactos entre coches.  Amortiguado eficiente frente a oscilaciones.  Aplicación de las fuerzas de tracción y frenada. Dependiendo del tren de rodadura, los vehículos se pueden clasificar como “con bogie” o “sin-bogie”. En vehículos sin bogie la suspensión, los frenos, y el equipo de tracción se montan en la estructura del coche. La tracción y las fuerzas de frenado se transmiten a través de las barras de la tracción o de las guías de la caja de grasa. Los vehículos convencionales de dos ejes generarán unas fuerzas mayores en curvas cerradas que el vehículo equivalente con bogie; por lo tanto su longitud está limitada. El tren de rodadura montado en un bastidor separado que puede girar respecto al chasis se conoce como bogie (o carro). El número de ejes montados que estos poseen, clasifica los bogies. El tipo más común es el bogie de dos ejes, pero los bogies de tres y cuatro ejes también se encuentran, a menudo en las locomotoras.

Esc

Anteriormente, los bogies simplemente permitían que el tren de rodadura girara en un plano horizontal relativo al cuerpo del coche permitiendo así que el eje montado tuviese ángulos de ataque más pequeños en curvas. En los bogies modernos, el bastidor del bogie transmite todas las fuerzas longitudinales, laterales, y verticales entre la caja y el eje montado. El bastidor también lleva el sistema de frenado, unidad de tracción, suspensión, y amortiguadores. Puede también contener dispositivos basculantes, de lubricación para el contacto rueda-rail y mecanismos para proporcionar la colocación radial del eje montado en curvas. Los vehículos con bogie son normalmente más pesados que los vehículos de dos ejes. Sin embargo, el diseño de vehículos ferroviarios con bogies es a menudo más simple que el de vehículos de dos ejes y esto puede proporcionar ventajas en la fiabilidad y en el mantenimiento.



VEHÍCULOS SIN BOGIE


8.2

El conjunto de rodaje está constituido por el eje montado y las cajas de grasa.

El eje montado está formado por:  Un cuerpo de eje de acero al carbono templado y revenido, diseñado con zonas para el calado de las ruedas y para el calado de los rodamientos de las cajas de grasa.  Un par de ruedas enterizas con velo de sección ondulada. El diámetro nominal de rueda nueva generalmente es de 1000 mm. La caja de grasa está equipada con rodamientos de rodillos, y tienen la función de soportar los elementos de la suspensión

Figura 8-1. Vehículo sin bogie. Vagón Plataforma de dos ejes.

Figura 8-2. Rodadura de vehículo remolcado sin bogie.

Esc

Figura 8-3. Rodadura de vehículo remolcado sin bogie.

186



VEHÍCULOS CON BOGIE


8.3

Los vehículos que se utilizan en la tracción ferroviaria, ya sean locomotoras, autopropulsados, vehículos de alta velocidad y todos aquellos que necesitan autonomía de tracción, es decir que no son remolcados por otro vehículo, están diseñados para una rodadura formada por bogies que como ya se ha descrito antes, variará en el número de ejes por bogie, según las características del vehículo y el fabricante.

Figura 8-5. Locomotora con bogies de 3 ejes.

Figura 8-4. Locomotora con bogies de 3 ejes.

Esc

Figura 8-6. Tren de Alta Velocidad con bogies de 2 ejes.



COMPONENTES DEL BOGIE


8.4

Un bogie se compone generalmente de dos ejes montados sobre un bastidor, que incorpora una suspensión propia llamada suspensión primaria. También existe una suspensión colocada entre él y el bastidor del vehículo que se llama suspensión secundaria. La caja del vehículo queda unida al bastidor mediante el pivote.

Figura 8-7. Bogie de vehículo remolcado del tipo Y21.

Esc

1 - EJE MONTADO COMPLETO. 2 y 3 - CAJA-GRASA. 4 y 5 - ESTRIBO CAJA-GRASA. 6 - SUSPENSIÓN SIN VÁLVULAS.

188

7 - ARMADURA DE BASTIDOR. 8 - SOPORTE TIMONERÍA. 9 - TIMONERÍA DE FRENO. 10 - PLACAS CONSTRUCTOR Y NUMERACIÓN.

Figura 8-8. Componentes del Bogie del tipo Y21.




Esc

Figura 8-10. Bogie de vehículo autopropulsado de Alta Velocidad. Coche motor de la Serie 103.

Figura 8-9. Bogie de vehículo de Rodadura desplazable, (ancho Renfe y UIC) de la Serie 120.




8.4.1 EJE MONTADO

Este consiste en dos ruedas unidas fijamente por un eje común, lo que implica que ambas ruedas tengan la misma velocidad angular y mantengan una distancia constante entre ellas. Las ruedas del eje montado comienzan su vida con unas bandas de rodadura puramente cónicas, típicamente 1/20 ó 1/40. Estas bandas de rodadura se desgastan rápidamente en servicio, de forma que pasan a tener una curvatura en dirección transversal. En la figura 8-12 se observan los componentes principales del eje montado.

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Figura 8-11. Ejes Montados para bogies de vehículos motores.

190

Figura 8-12. Referencias: 1, eje; 2, rueda; 3, muñón; 4, disco del freno; 5, engranaje dentado.




El eje montado proporciona:

 La distancia necesaria entre el vehículo y la vía.  El movimiento de lazo que determina el movimiento dentro de la vía, incluyendo las curvas y agujas.  Los medios de transmisión de las fuerzas de tracción y de frenado a los raíles para acelerar y decelerar el vehículo.

El diseño del eje montado depende de:

 El tipo del vehículo (si ejerce tracción o arrastre).  El tipo de sistema de frenado utilizado (freno del zapata, disco del freno en el eje, o disco del freno en rueda).  La construcción del centro de la rueda y la posición de cojinetes respecto al eje (interior o exterior).  El deseo de limitar fuerzas de una frecuencia más alta usando elementos elásticos entre el centro de la rueda y la llanta.

En curvas, el rail exterior tendrá un radio más grande que el rail interior. Esto significa que una rueda cilíndrica tiene que recorrer más distancia en el rail exterior que en el rail interior. Como las ruedas que se mueven en los raíles interiores y exteriores deben tener el mismo número de revoluciones por unidad de tiempo, esto no puede producirse por rodamiento puro. Para que las distancias recorridas por las dos ruedas sean iguales, una o las dos “deslizarán” aumentando así la resistencia a rodadura, y causando desgaste entre rueda y rail. La solución es fabricar la superficie de rodadura de las ruedas con un perfil cónico cuyo ángulo  (figura 8-13) de inclinación sea variable con respecto al eje montado.

Figura 8-13. Elementos principales de un perfil de la rueda.

La posición del punto de contacto cuando el eje montado está en una posición central respecto a los raíles determina la llamada “cinta circular”, donde se mide el diámetro de la rueda. En el lado interno de la rueda, el perfil cónico tiene una pestaña que impide el descarrilamiento y guía al vehículo una vez que las fuerzas de fluencia disponibles se han agotado.

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Un eje montado libre con perfiles cónicos se moverá lateralmente en una curva de tal forma que la rueda externa esté rodando en un radio más grande (debido al ángulo del cono) que el interno. Puede verse que para cada radio de la curva solamente existe un valor de la conicidad que elimina el deslizamiento. Como diferentes vías ferroviarias tienen diferentes poblaciones de radios de curvatura, la forma del perfil de rueda que provee el deslizamiento mínimo depende de las características de la vía. Las administraciones ferroviarias especifican normalmente los perfiles permisibles de la rueda para su infraestructura y el grado de desgaste permitido antes de que sea requerido un reperfilado. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 191



Mientras que la rueda se desgasta, la forma del perfil se puede alterar perceptiblemente dependiendo de un gran número de factores. Éstos pueden incluir el perfil de curvatura de la ruta, el diseño de la suspensión, el grado de las fuerzas de tracción y frenado aplicadas, la forma del perfil medio del rail encontrada y el régimen de lubricación. El desgaste de la banda de rodadura incrementará la altura del reborde, y eventualmente ocasionará que golpee las bridas de la vía. Si el desgaste de zona de contacto hace que el perfil llegue a ser excesivamente cóncavo tensiones dañinas pueden surgir en el lado externo de la rueda y el rail, y es conocido como falso daño de reborde. El desgaste del reborde puede conducir al aumento del ángulo del reborde y a la reducción de su grosor.

Figura 8-14. Situaciones posibles de contacto entre la rueda y el rail: (a) contacto en un punto; (b) contacto en dos puntos; (c) contacto conforme.

En condiciones extremas, esto podría aumentar el riesgo de descarrilamientos por separación de aguja. Los perfiles de la rueda son restaurados generalmente a su forma de diseño mediante torneados periódicos. Esto se puede realizar normalmente sin la necesidad de quitar el eje montado del vehículo. Está claro que las condiciones del contacto variarán considerablemente en función de la forma de la rueda y del perfil de la vía. Estas pueden ser de contacto en un punto, en dos puntos, o de contacto conforme según las indicaciones de la figura 8-14, el contacto en un punto (a) se produce entre los perfiles cónicos o de banda de rodadura de la rueda y el perfil redondeado del raíl. Las ruedas se desgastan rápidamente a la forma local del rail. Con el contacto en dos puntos (b) la rueda toca además el rail con su reborde. En este caso, el contacto de rodadura tiene dos diferentes radios que producen deslizamiento intensivo y desgaste rápido del reborde. El contacto conforme (c) aparece cuando el perfil de la rueda y el lado del ancho de vía de la cabeza del rail se desgastan hasta el punto de que sus radios en los alrededores de la zona de contacto se vuelven muy similares.

Figura 8-15. Mediciones del estado de los perfiles de rueda con calibres de precisión.

8.4.2 CAJAS DE GRASAS

Esc

Para asegurar la unión entre los ejes y el bogie, y facilitar la rodadura de los ejes se dispone de un elemento llamado caja de grasas colocado entre el eje de las ruedas y el bastidor. La caja de grasa permite transmitir los esfuerzos de frenado desde los ejes a la masa del vehículo y lubricar las partes metálicas disminuyendo el rozamiento y el calentamiento del eje. Sobre ella se fijan los resortes o ballestas que soportan el bastidor del vehículo, transmitiendo la carga a la parte final del eje de la rueda, (mangueta).

192




La caja de grasas es el dispositivo que permite que el eje montado rote proporcionando el alojamiento del cojinete y también los montajes para que la suspensión primaria una el eje montado al bogie o al bastidor del vehículo. La caja de grasas transmite fuerzas longitudinales, laterales, y verticales del eje montado sobre los otros elementos del bogie. Las cajas de grasas se clasifican según:  Su posición respecto al árbol dependiendo de si los cojinetes están en el exterior o interior.  El tipo del cojinete usado, ya sean de rodillos o lisos. Los de rodillos producen una reducción de caldeos, del coeficiente de rozamiento y de los costes de conservación y reparación necesarios. RODAMIENTO DE RODILLO A RÓTULA

ALOJAMIENTO SUPERIOR TETÓN MUELLE

TAPÓN CAJA GRASA

TAPA POSTERIOR

DISPOSITIVO DE BLOQUEO

ANILLO DISTANCIADOR

ANILLO OBTURADOR

Figura 8-16. Componentes de una caja de grasa tipo.

La forma externa de la caja de grasa se determina por el método de conexión entre la caja de grasas y el armazón del bogie y pretende alcanzar una distribución uniforme de fuerzas en el cojinete. La construcción interna de la caja de grasa está determinada por el cojinete y su método de sellado. Las cajas de grasas con cojinetes lisos (figura 8-17 a), consisten en una carcasa (1), el propio rodamiento (2) que generalmente se hace de una aleación con bajo coeficiente de fricción (p. ej., bronce o metal blanco), la placa del cojinete (3) que transmite las fuerzas desde la carcasa de la caja de grasas al cojinete, y un dispositivo de lubricación (4) que lubrica el cojinete del árbol. Los sellados delanteros y traseros (5 y 6) protegen la caja de grasas de la suciedad y de cuerpos extraños, mientras que el sellado delantero (6) se puede quitar para supervisar el estado del cojinete y para agregar el lubricante.

Esc

(a)

(b)

Figura 8-17. Despiece caja de grasa con cojinetes lisos (a) y de rodillos (b).




Figura 8-18. Rodamiento de Rodillo.

Las fuerzas verticales y longitudinales son transmitidas a través de la superficie interna del cojinete y de las fuerzas laterales por sus caras. Las cajas de grasas con cojinetes lisos están en gran parte obsoletas pues tienen serias y numerosas desventajas:  Alto coeficiente de fricción al comenzar desde reposo  Baja fiabilidad  Mantenimiento laborioso  Contaminación ambiental Sin embargo, desde un punto de vista dinámico del comportamiento del vehículo, las cajas de grasas con cojinetes lisos tenían ciertas características positivas. Estos últimos años, las cajas de grasa con cojinetes lisos que no requieren lubricación se han reintroducido en ciertos tipos de material rodante aunque su uso sigue siendo raro. Las cajas de grasas con cojinetes tipo rodillo se clasifican según:  El tipo del cojinete (cilíndrico, cónico, esférico)  El método de fijación (por presión, por encogimiento, por casquillos)

Esc

El factor principal que determina la construcción de la caja de grasa es la manera en que experimenta las fuerzas axiales y su distribución de la carga entre los rodillos. Los cojinetes de rodillos cilíndricos tienen alta capacidad dinámica en la dirección radial, pero no transmiten fuerzas axiales (figura 8-19a). La experiencia sobre el funcionamiento de material rodante en ferrocarriles mostró que las caras de rodillos pueden resistir fuerzas laterales. Sin embargo, para conseguir esto exitosamente, es necesario regular no sólo el diámetro, sino también la longitud de los rodillos, la separación radial, y las separaciones axiales. Los cojinetes cónicos (figura 8-19 b y c) transmiten fuerzas axiales a través de la superficie cilíndrica debido a su inclinación sobre el eje de rotación. Es necesario por tanto mantener las tolerancias en diámetros y separaciones del rodillo casi un orden de magnitud más ajustada que las de los cojinetes cilíndricos. Además, los cojinetes cónicos tienen coeficientes de fricción más altos comparados con los cojinetes de rodillo radiales y por lo tanto generan más calor. Esto no sólo aumenta el consumo en tracción, sino que también crea dificultades en el diagnóstico de las unidades de caja de grasas durante el movimiento. Recientemente, los cojinetes de tipo cartucho han sido ampliamente utilizados. Su característica especial es que no es necesario desmontar el rodamiento para su fijación, sino que se instala de una sola pieza. Los cojinetes esféricos no se han empleado demasiado debido a su alto coste y a su baja capacidad de soportar peso, aunque tienen una ventaja significativa al proporcionar una mejor distribución de carga entre las filas delanteras y las traseras en caso de flexión del eje.

194




Figura 8-19. Construcciones de cojinetes de rodillo: (a) cilíndrico de doble fila; (b) autoalineable de una fila; (c) cónico de dos filas.

Figura 8-20. Uso de cojinetes esféricos: (a) cojinete triple de trenes de alta velocidad japoneses; (b) cojinete triple de trenes de alta velocidad franceses.

Los rodamientos de bolas, sin embargo, son combinados a menudo con cojinetes cilíndricos en aplicaciones ferroviarias para transmitir fuerzas axiales. El material rodante de los trenes de alta velocidad tiene a menudo tres cojinetes en la caja de grasas: dos transmitiendo fuerzas radiales y uno (a menudo un rodamiento de bolas) que trabaja axialmente (figura 8-20).

8.4.3 RUEDAS

Las ruedas y los ejes de transmisión son las partes más críticas del material rodante ferroviario. Un fallo mecánico o un exceso en las dimensiones del diseño pueden causar el descarrilamiento. Las ruedas se clasifican como macizas o con llanta y los tipos de unión según las indicaciones de la figura 8-22.

Rueda maciza. Rueda de radios. Llanta. Pestaña. Mangueta.

Esc

1. 2. 3. 4. 5.

Figura 8-21. Ruedas ferroviarias. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 195



Las ruedas macizas (figura 8.22. a), tienen tres elementos importantes: la llanta, el disco, y el cubo, y se diferencian principalmente en la forma del disco.

Las ruedas con llanta (figura 8.22. b), tienen puesta una llanta unida al disco de rueda que puede ser quitada y sustituida cuando alcanza su límite de torneado.

Las ruedas pueden tener discos de tipo recto, cónico, con forma de S, con radios, u ondulados según sus secciones transversales. Un disco recto reduce el peso de la construcción y puede ser formado tal que el espesor del metal corresponda al nivel de la tensión local. Los discos cónicos y con forma de S sirven para aumentar la flexibilidad de la rueda, por tanto reduciendo las fuerzas de la interacción entre las ruedas y los raíles. Los discos ondulados tienen mejor resistencia a la flexión lateral.

Figura 8-22. Tipos importantes de ruedas ferroviarias.

El deseo de reducir las fuerzas de interacción rueda-raíl, reduciendo la masa no suspendida ha conducido al desarrollo de las ruedas elásticas (figura 8.22. c), que incorporan una capa de material con un módulo bajo de elasticidad (caucho, poliuretano). Éstos ayudan a atenuar las fuerzas de frecuencias más altas que actúan en el interfaz de la rueda-raíl.

Esc

La mejora de la fiabilidad de los rodamientos despertó el interés en las ruedas que rotaban independientemente, que proporcionan reducciones significativas en la masa no suspendida debido a la eliminación del eje. Por desacoplamiento de las ruedas, el eje montado que rota independientemente elimina la mayoría de las fuerzas de guiado en el eje. Tales ejes han encontrado aplicaciones, ya sea en material rodante de ancho de vía variable que permite una transición rápida de un ancho de vía a otro, o en transporte urbano sobre raíles donde un bajo nivel de suelo es necesario.

196

Figura 8-23. Ruedas de rodadura independiente de trenes TALGO




8.4.4 SUSPENSIÓN

La suspensión es el conjunto de los elementos elásticos, los amortiguadores y los componentes asociados que conectan los ejes montados con la carrocería del coche. Si el bogie tiene un bastidor rígido, la suspensión consiste generalmente en dos etapas: suspensión primaria conectando los ejes montados con el bastidor del bogie, y la suspensión secundaria entre el bastidor del bogie y el cabezal o la carrocería. Tales bogies se llaman doblemente suspendidos. A veces, típicamente en bogues de carga se utiliza solamente una suspensión de una etapa. Donde ésta ocupa la posición primaria de la suspensión a menudo se llama “suspensión de la caja de grasas.” En la posición secundaria de la suspensión, puede ser llamada “suspensión central”.

Figura 8-24. Suspensión con Ballestas.

Figura 8-25. Suspensión con Muelles y Amortiguadores.

8.4.5 ELEMENTOS ELÁSTICOS (RESORTES)

Esc

Los elementos elásticos (resortes) son los componentes que vuelven a sus dimensiones originales cuando las fuerzas que causaban su alargamiento dejan de actuar sobre ellos. Se utilizan los elementos elásticos para:  Igualar las cargas verticales entre las ruedas (la descarga de cualquier rueda es peligrosa porque causa una reducción o pérdida de las fuerzas de guiado).  Estabilizar el movimiento de vehículos en vía (las oscilaciones laterales por excitación propia, p. ej., la oscilación pendular de los ejes es peligrosa).  Reducir las fuerzas y las aceleraciones dinámicas debido a las irregularidades de la vía.

Figura 8-26. Diferentes resortes de Caucho-metal: (a) compresión; (b) compresión y cortadura; (c) torsión; (d) de tipo campana; (e) de tipo leva.




Figura 8-27. Esquema mostrando la operación de una suspensión de aire típica: (a) Posición de equilibrio; (b) Carrera ascendente; (c) Carrera descendente. Fotografía de la suspensión con balona neumática de TALGO.

En una suspensión de aire típica (figura 8-27), en la posición (a) arriba, el sistema está en equilibrio estático cuando la presión dentro del compartimiento elástico (bolsa de aire) 1 proporciona la altura prescrita P. Para reducir la rigidez del resorte el compartimiento elástico está conectado con un depósito de equilibrio (volumen adicional) 2. Cuando la carga aumenta (posición (b)) la bolsa de aire 1 se comprime y baja la válvula 5 del sistema de control 4. Esto hace que el aire comprimido del depósito principal 6 sea admitido en el sistema del resorte neumático a través del tubo 9 y del orificio 7, aumentando así la presión. Esto restaura el resorte 1 a la posición del equilibrio (a) otra vez y la válvula de control 4 detiene el flujo del aire del compartimiento principal 6 a la bolsa de aire. La reducción de la carga (posición (c)) hace que la bolsa de aire se levante y la válvula de control 5 se levanta. En este caso el tubo 9 conecta con la atmósfera 10 a través del orificio 8 y cae la presión en la bolsa de aire 1. La altura del resorte se reduce y vuelve a la posición de equilibrio otra vez.

Esc

El depósito de equilibrio 2 y el orificio de amortiguamiento 7 son características importantes en la operación del resorte neumático. El aumento del volumen del depósito de equilibrio conlleva la disminución de la rigidez del resorte. La reducción del tamaño del orificio de amortiguamiento aumenta las características amortiguadoras del resorte (aumentando la disipación cinética de la energía), pero también aumenta la rigidez. La rigidez lateral del resorte neumático depende de la forma del compartimiento elástico.

198




8.4.6 AMORTIGUADORES

La amortiguación es proporcionada generalmente en suspensiones de vehículos ferroviarios por dispositivos de amortiguación viscosa o de fricción. La fricción seca resulta del deslizamiento relativo entre dos cuerpos rígidos en contacto. La fuerza de fricción puede ser constante o dependiente de la masa de la carrocería del vehículo, pero actúa siempre resistente al movimiento relativo. La amortiguación de vibraciones se puede obtener también por otros medios tales como la introducción de amortiguadores activos controlados proporcionalmente a la velocidad. Un amortiguador es el dispositivo que controla oscilaciones en la suspensión primaria o secundaria del vehículo mediante disipación de la energía. Los amortiguadores de fricción son los dispositivos que transforman la energía de oscilaciones en la energía térmica por la fricción seca. Los amortiguadores de fricción se utilizan principalmente en las suspensiones de vehículos de carga debido a su bajo costo y simplicidad. Dependiendo de su construcción los amortiguadores de fricción se pueden clasificar en cuatro tipos: integrados en el elemento elástico, integrados en la suspensión del resorte, telescópicos, y de palanca. En el caso de los bogies con un bastidor sólido, los amortiguadores de fricción en la suspensión primaria deben resistir desplazamientos del eje montado. Es deseable que en suspensiones primarias el amortiguador tenga una característica asimétrica proporcionando menor amortiguamiento de fuerzas en compresión que en extensión. Los amortiguadores hidráulicos son superiores en este aspecto. La ventaja principal de los amortiguadores de fricción planos y espaciales es su capacidad de amortiguar vibraciones en varias direcciones y en ciertos casos proporcionar conexiones elásticas a la fricción entre las diferentes partes de bastidores del bogie. Tales propiedades permiten la simplificación significativa de los bogies mientras que conservan un amortiguamiento razonable de vibraciones complejas. Son, por lo tanto, ampliamente utilizadas en bogies de carga a pesar de desventajas como la generación de fuerzas de fricción imprevisibles y el hecho de que la reparación y el ajuste de las fuerzas de fricción pueden requerir la elevación de la carrocería del coche y obligar a desmontar el sistema de resorte.

Figura 8-28. Amortiguadores en bogie de Locomotora (de la S/333.3).

Esc

Los amortiguadores hidráulicos se utilizan casi universalmente en bogies de viajeros y a veces también se utilizan en bogies modernos de carga. La energía disipada en un amortiguador hidráulico es proporcional a la velocidad, y por lo tanto a la amplitud y a la frecuencia de vibración. Así, el amortiguador hidráulico se autoajusta a las excitaciones dinámicas y proporciona una amortiguación fiable de las oscilaciones del vehículo.




La característica del amortiguador puede ser o bien simétrica, cuando las fuerzas de resistencia son iguales para tracción y compresión, o asimétrica. Los amortiguadores con relaciones simétricas son utilizados típicamente en suspensiones secundarias. Los asimétricos se utilizan con frecuencia en suspensiones primarias por causar, en el movimiento de la rueda sobre una irregularidad convexa, fuerzas más grandes que al negociar una cóncava. Como resultado, los amortiguadores pueden ser diseñados con una característica asimétrica que proporciona una fuerza más pequeña en la compresión que en la tracción. Sin embargo, grandes fuerzas de amortiguación en extensión pueden disminuir perceptiblemente la carga vertical de la rueda, aumentando así el riesgo de descarrilamiento. Por lo tanto los amortiguadores ferroviarios son menos asimétricos que los del automóvil.

Figura 8-29. Amortiguadores hidráulicos.

La fijación de los amortiguadores hidráulicos al vehículo se realiza generalmente por medio de monturas elásticas o casquillos, para prevenir la transmisión de vibraciones de alta frecuencia. La presión interna en el amortiguador a menudo le confiere características elásticas. Por lo tanto, los amortiguadores hidráulicos se modelan a menudo como un resorte y amortiguador viscoso en serie.

8.4.7 TOPES DE LOS ELEMENTOS DE RODADURA

Los topes son los dispositivos que limitan los desplazamientos relativos de los elementos del bogie en dirección longitudinal y lateral. 8.4.7.1

BALLESTAS

Esc

Un diseño primario simple de la suspensión utiliza ballestas (figura 8-30), para limitar el movimiento de la caja de grasa. Este diseño tiene varias desventajas, incluyendo el desgaste rápido de las superficies de fricción que conlleva aumentos en separaciones, carencia de características elásticas longitudinales y laterales, y una fuerza creciente de fricción en dirección vertical durante la tracción y el frenado, cuando la caja de grasas oprime los encajes. El diseño se podría mejorar usando materiales antifricción que no requieran lubricación y tengan alta resistencia al desgaste.

200

Figura 8-30. Caja de grasas situada por ballestas.



GUÍAS CILÍNDRICAS


8.4.7.2

Estas constan de dos guías verticales y dos tubos que deslizan a lo largo de ellos. Típicamente las guías verticales se unen al bastidor del bogie y los tubos a la caja de grasas según las indicaciones de la figura 8-31. Los barriles se unen a la caja de grasas a través de casquillos coaxiales de goma y por lo tanto proporcionan una cierta flexibilidad entre el eje montado y el bastidor del bogie en las direcciones longitudinal y lateral. Debido a la simetría axial de los árboles de goma, la rigidez en las direcciones longitudinal y lateral es la misma, lo que puede limitar la obtención de características óptimas para la suspensión.

Figura 8-31. Conexión entre la caja de grasas y el bastidor del bogie usando guías cilíndricas.

La limitación del desplazamiento de la caja de grasas con las guías cilíndricas, donde el desplazamiento de la caja de grasas a lo largo de las guías se produce por deformación a cortadura del bloque multi-laminar de caucho-metal, está exenta de las desventaja de la construcción clásica. Tales diseños de la caja de grasa se utilizan en los bogies del TGV Y2-30 francés. Para obtener la relación óptima de la rigidez horizontal y vertical este bloque consiste en dos secciones longitudinalmente orientadas. 8.4.7.3

ACOPLAMIENTOS CON VIGA

Esc

El deseo de evitar el desgaste condujo al desarrollo de acoplamientos bajo la forma de vigas elásticas finas que soportaban el eje montado en la dirección longitudinal (figura 8-32). Cuando los resortes de suspensión primarios se deforman, los acoplamientos de viga se doblan, mientras que para tracción y frenado experimentan tensión o compresión. Para proporcionar flexibilidad vertical en semejante construcción es necesario que al menos uno de los enlaces tenga flexibilidad longitudinal. Esto se alcanza uniendo la viga a un soporte de resorte longitudinalmente flexible (el acoplamiento de Minden Deutz) o uniendo los enlaces al bastidor a través de juntas radialmente elásticas (suspensión primaria IS de trenes japoneses). La desventaja principal de tales diseños es la alta tensión que se produce alrededor de los empalmes en cualquier extremo de la viga.

Figura 8-32. Conexión entre la caja de grasas y el bastidor del bogie usando acoplamientos con viga.



RESTRICCIONES USANDO ACOPLAMIENTOS RADIALES


8.4.7.4

El uso de casquillos de caucho-metal evita la fricción superficial y el desgaste correspondiente. El problema principal con un acoplamiento radial es obtener movimiento lineal de las cajas de grasa cuando los acoplamientos rotan. Alstom diseñó tal arreglo donde los acoplamientos se colocan en diversos niveles en configuración anti-paralelogramo (figura 8-33) y esto ha encontrado un uso amplio.

Figura 8-33. Acoplamientos radiales colocados a diversas alturas en una configuración en anti-paralelogramo (en el diagrama), y detalle de la suspensión de un tren de Alta Velocidad S/100 de Alstom.

Los acoplamientos que conectan la caja de grasas al bastidor proporcionan el desplazamiento lineal de su centro. Una cuidadosa elección del tamaño y el material de los elementos de goma nos puede permitir obtener los valores deseados de rigidez en diversas direcciones. Debido a la posición de los enlaces, los desplazamientos laterales no causan el desalineado de la caja de grasas y por lo tanto proporcionan unas condiciones óptimas para los cojinetes. Una de las desventajas del diseño del enlace de radio es la rigidez vertical significativa de la conexión debido a la rigidez de torsión de los casquillos. El aumento de la longitud de las palancas disminuiría la rigidez vertical, pero está limitado por el espacio disponible en el bastidor del bogie. 8.4.7.5

LIMITADORES USANDO BRAZOS TIRADOS (RADIALES)

Esc

Las suspensiones de brazos tirados permiten el diseño de bastidores de bogie más cortos y más ligeros. Tales diseños son ampliamente utilizados ahora en suspensiones primarias de vehículos de viajeros, tales como el bogie Y32 (figura 8-34). Las desventajas de tales diseños incluyen el desplazamiento longitudinal de las cajas de grasas causada por el desplazamiento vertical de la suspensión y del par aplicado al bastidor del bogie debido al desplazamiento lateral del eje montado.

202

Figura 8-34. Suspensión de brazo tirado en un bogie Y32.



BARRAS DE TRACCIÓN


8.4.7.6

Éstas se utilizan normalmente para transmitir las fuerzas longitudinales (tracción y frenado) en la suspensión primaria o secundaria. Están formadas típicamente por una barra con un “rosquilla de goma” o casquillos en cada extremo. Pueden ser de longitud ajustable (figura 8-36), para mantener las dimensiones lineales necesarias por el desgaste de las ruedas y componentes de la suspensión.

Figura 8-36. Barra de tracción.

Figura 8-35. Barras de tracción y frenado de un coche de viajeros.

8.4.8 CONEXIÓN DE LA CAJA CON EL BOGIE

Esc

La conexión entre la caja y el bogie debe:  Permitir que el bogie rote respecto a la carrocería del coche en curvas.  Transmitir las fuerzas verticales, de tracción y de frenado.  Proporcionar control adicional de las acciones laterales en la suspensión.  Ayudar a mantener la estabilidad del bogie.  Proporcionar la estabilidad longitudinal de los bastidores del bogie y la misma distribución de la carga sobre los ejes montados (para material rodante de tracción). Estos problemas se solucionan de diferente manera dependiendo del tipo de material rodante- tracción o arrastre, de viajeros o carga, de alta velocidad o normal. Si el vehículo es estable hasta la velocidad de diseño, entonces la introducción de resistencia adicional a guiñada no es necesaria. Si la deformación estática de la suspensión es suficiente, entonces la flexibilidad vertical en la unión del cuerpo del coche al bogie puede no ser necesaria. Los diseños apuntan generalmente a realizar la conexión del cuerpo del coche al bogie tan simple como sea posible usando una pequeña cantidad de elementos y reduciendo el número de elementos con superficies de fricción.

Figura 8-37. Conexiones de caja a bogies en coche de viajeros y en locomotora de tracción.



PLACA CENTRAL PLANA


8.4.8.1

En bogies de carga de tres partes la conexión más común es la placa circular central plana, fijada por el perno pivote en su centro (figura 8-38). La placa transmite la mayoría del peso de la carrocería y las fuerzas de interacción longitudinales y laterales. El perno pivote tiene grandes holguras en el plano de la caja y solo proporciona restricción de desplazamiento en caso de emergencia. Cuando la carrocería oscila en la placa central plana, se produce un par de resistencia gravitacional de característica suave. La placa central permite que el bogie rote en curvas y crea un par de fricción que resiste a la rotación del bogie. Por lo tanto la placa circular del centro proporciona una conexión entre el bogie y la caja en todas las direcciones. Un elemento así es de simple construcción, pero tiene varias desventajas. En primer lugar, existen separaciones en las direcciones laterales y longitudinales. En segundo lugar, el movimiento relativo ocurre bajo alta presión de contacto y por lo tanto las superficies sufren un desgaste significativo. En curvas, la carrocería se inclina del lado de soporte, creando un par de fricción adicional que resiste la rotación del bogie y aumenta las fuerzas rueda-carril. Cuando el cuerpo del coche balancea en vía recta, la superficie de contacto llega a ser muy pequeña y las altas presiones del contacto pueden conducir a grietas en la placa central. Para combatir estos problemas, los diseños modernos utilizan una placa plana central combinada con soportes laterales elásticos que resisten el balanceo del cuerpo del coche y reducen la carga en el soporte central.

Figura 8-38. Placa plana del centro.

8.4.8.2

BOWL ESFÉRICO CENTRAL

En este caso, la caja se apoya sobre el bowl esférico y los portadores laterales elásticos (figuras 8-39 y 8-40). La ventaja de este diseño es la carencia de separación en el plano horizontal y ningún contacto del borde durante el balanceo del vehículo. Esto da lugar a niveles reducidos de tensión de contacto y aumenta la vida de servicio del bowl esférico central.

Esc

Son ampliamente utilizados en los bogies de carga de UIC, trenes eléctricos, y coches subterráneos en Rusia.

204

Figura 8-39. Bowl esférico central.




Figura 8-40. La caja se apoya sobre el bowl esférico y los portadores laterales elásticos.

8.4.8.3

PIVOTE CENTRAL

El deseo de excluir el contacto de borde y de aumentar el par de fricción para resistir la guiñada del bogie condujo al desarrollo de los bogies con pivotes centrales según se muestra en la figura 8-41. La mayoría de la masa del chasis es transmitida en este caso a los soportes laterales y el cuerpo del coche puede girar respecto al travesaño únicamente en relación con el cabezal sobre el eje vertical. Este diseño es ampliamente utilizado en coches de viajeros de la antigua URSS. Las desventajas incluyen los huecos en las direcciones longitudinal y lateral. El diseño sólo proporciona suficiente calidad de rodadura para los bogies que tienen baja rigidez lateral de suspensión secundaria.

Figura 8-41. Pivote central.

8.4.8.4

UNIÓN WATTS

Esc

Esta disposición, ilustrada en la figura 8-42, permite que el bogie pivote se mueva lateralmente mientras que restringe el movimiento longitudinal. Por lo tanto proporciona medios de transmitir fuerzas de tracción y de frenado. Los pivotes de la unión están equipados con casquillos de goma para prevenir la transmisión de vibraciones de alta frecuencia a través del mecanismo.




Figura 8-42. Unión Watts.

8.4.8.5

UNIÓN DE PÉNDULO

Esc

La unión de péndulo consiste en una barra vertical conectada en sus extremos al bastidor del bogie y a la caja por medio de casquillos de goma cónicos según las indicaciones de la figura 8-43. El mecanismo se mantiene en una posición central por la acción de dos resortes precomprimidos. Los soportes elásticos laterales proporcionan estabilidad lateral al cuerpo del coche. Para los pequeños desplazamientos, típicos del penduleo del bogie en vía recta, el soporte de péndulo proporciona rigidez casi infinita, determinada por la compresión inicial de resortes. Cuando se producen grandes desplazamientos en las curvas, el soporte proporciona una rigidez baja. Así, la ayuda del péndulo tiene una característica suave no lineal. La desventaja de tal disposición es la conexión rígida con una holgura en la dirección longitudinal, los complejos requisitos de ajuste los resortes precomprimidos, y las fuerzas de fricción en los soportes adicionales de deslizamiento.

206

Figura 8-43. Unión de péndulo.



Principios básicos de climatización

9. PRINCIPIOS BÁSICOS DE CLIMATIZACIÓN

9.1

CONCEPTOS BÁSICOS EN REFRIGERACIÓN

9.1.1 CALOR Y TEMPERATURA

CALOR.- Efecto producido por la vibración de las moléculas de una sustancia.

o o

CALOR SENSIBLE.- Produce el aumento de la temperatura de una sustancia. CALOR LATENTE .- Produce el cambio de estado de una sustancia.

TEMPERATURA.- Intensidad de calor (medida con un termómetro). ENTALPÍA.- Cantidad de calor que posee una sustancia por unidad de masa. La Entalpía se mide en calorías, que corresponde a:

Esc

La cantidad de calor que es necesario proporcionar a 1gr de agua destilada a una presión de 1 atm para aumentar su temperatura de 14,5 a 15,5 °C. Existen varias unidades de medida. Kcal = 1000 cal = (Frigoría) cal = 4,187 J Joule = 0,239 cal (Julios, unidad SI) Watt = 0,860 cal kW = 860 cal BTU = 252 cal (British Thermal Unit)

Figura 9-1.




9.1.2 PRESIÓN

Es la fuerza que se ejerce sobre una superficie. En el siglo VII, Evangelista Torricelli demostró que la atmósfera ejerce un peso que varía con la altitud.En efecto, al nivel del mar, ese peso corresponde al peso de una columna de mercurio de 760 mm de altura con 2

una sección de 1cm . En unidades del sistema internacional, se utiliza generalmente el bar que equivale a una presión de 0,9807 2

Kg/cm .

Figura 9-2.

En climatización se utiliza el valor de presión manométrica o presión relativa a la atmosférica.

Esc

Figura 9-3.

208




9.1.3 TEMPERATURA DE SATURACIÓN

La temperatura a la que un cuerpo cambia de estado se denomina “temperatura de saturación”. Una variación de la presión hace variar la temperatura de saturación. Ejemplo : El agua, al nivel del mar hierve a 100°C, en la montaña esta temperatura de ebullición es mas baja. Al contrario en un recipiente bajo presión, la temperatura de ebullición es más alta.

atm °C ebullición 1,34 2,16 2,65 3,21

125 135 140 145

Figura 9-4.

La relación entre la presión y la temperatura para un gas a volumen constante es directa.

Figura 9-5. Puente de manómetros con escalas presión/temperatura para distintos gases.

Esc

Figura 9-6. Escala presión/temperatura de distintos gases.




9.1.4 DIAGRAMA DE MOLLIER

Este diagrama relaciona la presión, la temperatura, las variaciones de calor, y el estado del fluido.

Esc

Figura 9-7.

210

Figura 9-8.




9.1.5 ACONDICIONAMIENTO DEL AIRE

Al hablar de acondicionamiento de aire se debe tener en cuenta las tres formas distintas de las que el cuerpo se vale para disipar calor:

Convección

Radiación

Evaporación

Esc

La temperatura y la humedad son importantes para conseguir un alto grado de confort, por lo que el tratamiento del aire deberá moverse en parámetros de temperatura y humedad adecuados al cuerpo humano. Así mismo la renovación del aire que se va a acondicionar es imprescindible para conseguir el grado de confort adecuado.

Figura 9-9.



FLUIDOS FRIGORÍFICOS (REFRIGERANTES)


9.2

Se utilizan por su gran absorción de calor, no deben ser inflamables ni tóxicos, no deben ser corrosivos con los metales usados en los equipos, deben ser fácilmente detectables con los medios disponibles, deben ser compatibles (miscibles) con los aceites usados en refrigeración.

ODP (Ozone Depleting Potential): potencial de destrucción de la capa de ozono. Todo fluido que tenga cloro provoca la destrucción de la capa de ozono, que nos protege de la radiación ultravioleta procedente del sol. Los HCFCs y fundamentalmente los CFCs contribuyen a la destrucción del ozono en las capas altas de la atmósfera.

GWP (Global Warming Potential): contribución al calentamiento global o efecto invernadero. Los gases con efecto de invernadero (CFCs, HCFCs y HFCs) impiden que los rayos del Sol vuelvan a salir de la Atmósfera, contribuyendo al calentamiento del planeta.

Figura 9-10.

GAZ A EFFETS DE SERRE

Gases de efecto

COUCHE OZONE

Capa de Ozono

Esc

Figura 9-11.

¡Siempre se deben recuperar los fluidos frigoríficos!

212



ACEITES USADOS EN REFRIGERACIÓN


9.3

 Aceites minerales: Son aceites parafínicos o nafténicos. Se utilizaban específicamente para el R12, R406a. (Dañan la capa de Ozono)

Figura 9-12.

 Aceites sintéticos: Son aceites de tipo Polialquilen glicol (PAG) o Poliol Ester (POE). No es aconsejable mezclar estos dos aceites entre sí. Se utilizan esencialmente con el R134a, R404a, R407c, etc.…

Figura 9-13.

Esc

¡Jamás deben mezclarse los aceites MINERALES, con los POE!



COMPONENTES DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN


9.4

9.4.1 COMPRESOR.

Según su construcción dividen en:

1. -Abiertos. Motor y compresor están separados, el movimiento se transmite mediante correas, ejes de transmisión, cardan, etc. 2. -Semi-abiertos. Motor y compresor forman parte de un mismo conjunto, aunque son dos elementos que se pueden separar, por ejemplo para su reparación.

3. -Herméticos o cerrados. Motor y compresor forman parte de un mismo conjunto no se pueden separar, hay que sustituir el conjunto completo.

Figura 9-14. Compresores abierto, semiabierto y hermético.

9.4.2 CONDENSADORA.

Elimina el calor del refrigerante, a la salida del compresor, permitiendo el paso de gas a líquido. Pueden ser

Esc

1. -Simple. Un solo cuerpo. 2. -Compuesto. Para mejorar la etapa de condensación o para duplicar el circuito, de condensación (Ejemplo A/A de sala de Civias).

214

Figura 9-15. Unidad condensadora.




9.4.3 DEPÓSITO DE LÍQUIDO.

Sirve de recipiente al líquido refrigerante procedente del condensador, mantiene constante la carga de refrigerante en el circuito.

Figura 9-16.

9.4.4 FILTRO DESHIDRATADOR.

Elimina humedad y suciedad del circuito.

Figura 9-17.

9.4.5 MIRILLA O VISOR DE LÍQUIDO.

Muestra el grado de humedad del circuito.

Punto Verde -> Buen estado. Punto amarillo -> Saturado de humedad (Debe cambiarse el filtro deshidratador).

Esc

o o

Figura 9-18.




9.4.6 VÁLVULA DE EXPANSIÓN TERMOSTÁTICA

Introduce el líquido refrigerante en el evaporador (pulveriza), permitiendo que el líquido refrigerante pase a gas. Auto regula su apertura por medio de un bulbo remoto conectado a la salida del evaporador.

Figura 9-19.

9.4.7 EVAPORADOR.

Permite el intercambio de calor del aire al líquido refrigerante, pasando este al gas. 1. -Simple. Un solo cuerpo.

Esc

2. -Compuesto. Para mejorar la etapa de evaporación o para duplicar el circuito, de evaporación (Ejemplo A/A de sala de Civias).

216

Figura 9-20.




9.4.8 PRESOSTATOS

Presotato de Alta Protege al equipo contra presiones elevada (producidas por mala ventilación del condensador, avería de los ventiladores, etc.). o Apertura-> 20 bar o Cierre -> 16 bar Presostato de Baja. Protege al equipo contra presiones de funcionamiento muy bajas (producidas por roturas de tuberías, fugas de refrigerante, etc.). o Apertura-> 0,5 bar o Cierre -> 1,5 bar

Figura 9-21. Presostatos de alta, baja y regulación.

Presostato de regulación. Arranque y paro del compresor (Opcional).

Presostatos de aire. Para control de los ventiladores (Opcional).

Válvulas solenoide (electroválvulas).

Esc

A. De corte de circuito de alta. B. De corte del circuito de by-pass (Opcional) C. De regulación de capacidad del compresor (2 ó 4 cilindros)

Figura 9-24. Válvula solenoide de corte.

Figura 9-22. Presostato de aire impulsado.

Figura 9-23. Válvula solenoide de capacidad de compresores.



FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN.


9.5

Esc

Figura 9-25.

218




9.5.1 ANÁLISIS DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN.

Figura 9-26.

El ciclo de refrigeración está constituido por dos ciclos adiabáticos (sin intercambio de calor puntos 3-4 y 7-1) y dos ciclos isotérmicos (sin cambio de temperatura puntos 5-6 y 1-2), definidos por Carnott.

Esc

Las partes de que consta el ciclo son: A. -El compresor recoge el gas procedente de la evaporadora (punto 3), lo comprime aportándole calor, por el hecho de la compresión, y lo manda a la condensadora. B. -En la condensadora, el gas muy caliente, a temperatura y por tanto presión constante pierde calor que es “robado” por el aire que pasa por esta, pasando de gas a líquido (puntos 4, 5, 6). C. -El líquido procedente de la condensadora pasa por la válvula de expansión (punto 7), donde se produce una gran expansión del líquido, acompañada de una fuerte bajada de la presión y por lo tanto de la temperatura. D. -El líquido a baja temperatura entra en la evaporadora (punto 1), donde a temperatura y presión constante “roba” calor del aire que está pasando a través de esta, enfriándolo, y permitiendo que el líquido refrigerante, que está tomando calor del aire pase a gas, volviendo el ciclo al principio (punto A).



ZONA DE CONFORT.


9.6

El objetivo de un sistema de refrigeración es colocar los parámetros de temperatura, humedad, y calidad del aire dentro de la zona de confort humana. Ver figura siguiente.

Figura 9-27.

Esc

Los vehículos ferroviarios para el transporte de pasajeros, así como las propias cabezas tractoras, disponen de sus correspondientes equipos de aire acondicionado, que en los trenes más modernos, son un subsistema del sistema informático embarcado. El conocimiento y el correcto mantenimiento de estos equipos, permite que su objetivo (el confort humano) se consiga con un alto grado de efectividad, siendo hoy en día uno de los parámetros que determinan la buena valoración del transporte por los usuarios.

220



Introducción a vehículos de última generación (Comunicaciones)

10. INTRODUCCIÓN A VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN (COMUNICACIONES)

10.1 INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES 10.1.1

HARDWARE

Figura 10-1.

El diagrama básico de un ordenador, estará compuesto por:

   

Esc

El microprocesador. Ejecutará la lógica programada, tendrá el control de todas las operaciones. El reloj. Marcará el tiempo de ejecución de las operaciones. La BIOS. Contendrá el/los programas de arranque del ordenador. La RAM. Memoria volatil donde se almacenan programas y datos para su proceso por el microprocesador.  Buses. Para la comunicación de los distintos dispositivos con el microprocresador.  Periféricos. Todos los dispositivos necesarios para la realización de las tareas encomendadas al microprocesador.  Monitores, discos de almacenamiento, impresoras, tarjetas de red, teclado…




10.1.2

SOFTWARE

Bit: Unidad de información (dos estados).

1, on

0, off

Múltiplos del Bit:

Byte: 8 bits (media palabra).

Figura 10-2.

Kbyte: 1024 Byte. Mbyte: 1024 Kbytes. Gbyte: 1024 Mbytes. Tbyte: 1024 Gbytes.

La cantidad de información viene determinada por:  El número de estados (dos estados en un sistema binario 0 ó 1).  El número de posiciones ( número de bits )  Con 1 bit -> 2 elevado a 1 = 2 estados, 1 ó 0  Con 2 bits -> 2 elevado a 2 = 4 estados, 00, 01, 10, 11  Con 8 bits -> 2 elevado a 8 = 256 estados, desde 0000000 a 11111111

Toda la información se puede pasar a pulsos de tensión: 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0

Esc

Variable, señal: En programación, una variable es un espacio de memoria reservado para almacenar un valor que corresponde a un tipo de dato. Puede ser de tipo alfabético, numérico, alfanumérico, en cuanto al tipo de datos y booleano.

222




10.2 TRANSMISIÓN DE LA INFORMACIÓN

Para establecer la comunicación entre dispositivos y por lo tanto compartir información entre ellos hace falta: Un emisor, un receptor, un canal, un código compartido.

Elementos de una red de informática para el intercambio de información.

10.2.1

RED

Conjunto de elementos unidos entre sí.

10.2.2

RED INFORMÁTICA

Conjunto de nodos.

Figura 10-3.

10.2.3

NODO

Cada uno de los dispositivos que se unen a una red para compartir información. Comparten el mismo protocolo.

10.2.4

PROTOCOLOS

Esc

Los protocolos de red son una o más normas standard, que especifican el método para enviar y recibir datos entre varios ordenadores.




10.3 TOPOLOGÍAS DE RED Algunas de ellas son:

Esc

Usadas en los trenes de nueva generación

224



TIPOS DE REDES


10.3.1

Según sea la utilización por parte de los usuarios pueden ser:

 Redes Compartidas, aquellas a las que se une un gran número de usuarios.  Redes exclusivas, aquellas que, conectan dos o más puntos de forma exclusiva.

Según la cobertura del servicio pueden ser:

 LAN (Local Area Network).  MAN (Metropolitan Area Network).  WAN (Wide Area Network), redes internet.

10.3.2

COMPOSICIÓN DE LAS REDES

Las redes tienen tres niveles de componentes:

 Software de Aplicaciones: Programas que utilizan los usuarios de la red (personas o dispositivos) y permiten compartir información.

 Software de Red: Programas que establecen protocolos para que los ordenadores se comuniquen entre sí. Dichos protocolos se aplican enviando y recibiendo grupos de datos formateados denominados paquetes.  Hardware de Red: Son los componentes materiales que unen los ordenadores. Dos componentes importantes son: 1. Medios de transmisión (cables o fibras ópticas).

Esc

2. Adaptador de red, que permite acceder al medio material que conecta a los ordenadores.




10.4 TRANSMISIÓN DE DATOS

Transmisión síncrona La Transmisión síncrona es una técnica que consiste en el envío de una trama de datos (conjunto de caracteres) que configura un bloque de información comenzando con un conjunto de bits de sincronismo (SYN) y terminando con otro conjunto de bits de final de bloque (ETB). En este caso, los bits de sincronismo tienen la función de sincronizar los relojes existentes tanto en el emisor como en el receptor, de tal forma que estos controlan la duración de cada bit y carácter.

Transmisión asíncrona La transmisión asíncrona se da lugar cuando el proceso de sincronización entre emisor y receptor se realiza en cada palabra de código transmitido. También se dice que se establece una relación asíncrona cuando no hay ninguna relación temporal entre la estación que transmite y la que recibe. Cada carácter a ser transmitido es delimitado por un bit de información denominado de cabecera o de arranque, y uno o dos bits denominados de terminación o de parada.

Ejemplo de transmisión

Esc

Figura 10-4.

226




10.5 BUSES DE DATOS 10.5.1

BUS RS-485

La interfaz RS485 ha sido desarrollada, para la transmisión serial de datos a altas velocidades y a distancias grandes. Dado que varios transmisores trabajan en una línea común, tiene que garantizarse con un protocolo que en todo momento esté activo como máximo un transmisor de datos. La norma ISO 8482 estandariza topología de cableado con una longitud máx. de 500m.

10.5.1.1

BUS DE 2 HILOS RS485

La ventaja de la técnica de 2 hilos reside esencialmente en la capacidad multimaster, en donde cualquier participante puede cambiar datos en principio con cualquier otro.

10.5.1.2

BUS DE 4 HILOS RS485

La técnica de 4 hilos sólo puede ser usada por aplicaciones Master/Slave. Ver fig. 3.

Esc

Figura 10-5.



BALANCEO Y DESBALANCEO DE LÍNEAS


10.5.1.3

La razón por la que RS-485 puede transmitir a largas distancias, es porque utiliza el balanceo de líneas. Cada señal tiene dedicados un par de cables, sobre uno de ellos se encontrará un voltaje y en el otro se estará su complemento, de esta forma, el receptor responde a la diferencia entre voltajes. La ventaja de las líneas balanceadas es su inmunidad al ruido. La TIA/EIA-485 designa estas dos líneas como A y B.

Esc

Figura 10-6.

228

Figura 10-7.



CAN-BUS


10.5.2

El CAN-bus ha sido desarrollado, para la transmisión serial de datos a bajas velocidades (Entre 100 y 500 Kbit/seg.) y a distancias cortas. Todos los participantes tienen la misma jerarquía dentro de la red (no hay maestro y esclavos). Dado que varios transmisores trabajan en una línea común, tiene que garantizarse con un protocolo que en todo momento esté activo como máximo un transmisor de datos (cuando uno transmite los demás “escuchan la red”)

Figura 10-8.

Figura 10-9.

Esc

La transmisión es diferencial (la señal se obtiene por la diferencia de tensión entre el cable “High” y el cable “Low”), lo que hace que tenga gran inmunidad al ruido “parásito”.

Figura 10-10.



TCN (MVB/WTB)


10.5.3

El aumento de sensores y sistemas electrónicos en trenes ha provocado un aumento significativo en el número de señales que deben ser conectadas dentro de los vehículos. Dada la dificultad en la interconexión de los diferentes equipos, los fabricantes de trenes decidieron buscar una solución conjunta obteniendo como resultado en 1.999 el estándar internacional IEC 61375-1 denominado comúnmente: TCN (Train Comunication Network).

El TCN define una red de comunicaciones común entre los diferentes elementos electrónicos que componen un tren. La arquitectura del TCN incluye dos tipos de buses. o El bus MVB (Multifunción Vehículo –Bus): Interconecta los dispositivos dentro de un vehículo, aunque también puede usarse como bus de varios vehículos interconectados, (Civias de Renfe). o El bus WTB (Wire Train Bus): Interconecta los vehículos que componen un tren, (S-102, S-130…), o varios trenes.

Esc

Figura 10-11.

230

Figura 10-12.



MVB (Multifunción Vehículo Bus)


10.5.3.1

Hay un dispositivo maestro que es el administrador de bus Y múltiples esclavos. La capa física puede ser de tres tipos, operando todos ellos a 1,5 Mbps, codificación Manchester.

Electrical Short Distance: cable de par trenzado de hasta 20 m Sin aislamiento galvánico. Soporta hasta 32 dispositivos por segmento, sin repetidores (Basado en RS-485). Electrical Middle Distance: cable de par trenzado y apantallado de hasta 200 m. Con aislamiento galvánico. Soporta hasta 32 dispositivos por segmento, sin repetidores (Basado en RS-485).

Optical Glass Fibre: cable de fibra óptica de hasta 2.000 m. Conexión punto a punto con topología en estrella. Recomendado para áreas con alto ruido electromagnético, como por ejemplo, en locomotoras.

Figura 10-13.

Cableado MVB

Esc

Cable de 4 hilos trenzados en espiral. Colores de los 4 hilos del cable:  Par 1: rojo, negro - Línea A (MVB).  Par 2: blanco amarillo - Línea B (MVB). La envoltura exterior del cable está exenta de halógeno y es ignífuga.

Figura 10-14.



WTB (Wire Train Bus)


10.5.3.2

Comunicación entre distintas unidades de tren. WTB opera a 1Mbps. Cable par cruzado y apantallado. Bus redundante (2 líneas) Hasta 860m (sin repetidores) max. 32 nodos Gestión automática del acople/desacople de unidades (“inauguración del tren”). Tras el proceso de inauguración todos los vehículos reconocen automáticamente.

Figura 10-15.

Esc

El cableado del WTB es el siguiente: -Hilo blanco pin 1 (positivo) -Hilo negro pin 2 (negativo)

232




10.6 CONEXIÓN CON UN PC A TRAVÉS DE RS-232

RS-232 (Recommended Standard 232 es una interfaz que designa una norma para el intercambio serie de datos binarios entre un Equipo terminal de datos (PC) y un Equipo de Comunicación de datos, (MODEM). Para la interconexión entre un PC y otro PC, se utiliza una conexión sin usar modem, por ello se llama null modem o modem nulo (Cable serie cruzado).

Figura 10-16.

El RS-232 consiste en un conector tipo DB-25 (de 25 pines) La versión de 9 pines (DB-9) es la más usada. La interfaz RS-232 está diseñada para distancias cortas La interfaz puede trabajar en comunicación asíncrona o síncrona y tipos de canal simplex, half duplex o full duplex.

Figura 10-17.

Esc

Conexión monopunto. Si el PC no tiene puerto serie es necesario un acoplador de RS-232 a USB, y el SW que viene con el acoplador.

Figura 10-18.




10.7 CONEXIÓN DE UN PC A TRAVÉS DE RS-485

Para formar parte de la red necesitamos un acoplador de RS-485 a RS-232, o bien RS-485 a USB, y el SW que viene con el acoplador.

Figura 10-19.

El convertidor es un módulo para transferir datos serie sobre USB.

Esc

Permite conectar dispositivos serie RS-485, RS-422 o RS-232 a un PC con un puerto USB estándar.

234




10.8 CONEXIÓN DE UN PC A TRAVÉS DE ETHERNET

Ethernet es un estándar de redes de computadoras del área local. En este protocolo, la computadora utiliza una tarjeta NIC tarjeta de red para realizar la comunicación. Cada tarjeta NIC (Network Interface Card) contiene una dirección MAC (única) que corresponde a la dirección física

Para formar parte de la red:

Figura 10-20.

Identificación del PC en la red:

Dirección IP 32 bit en grupos de 8 bit. (2 elevado a 32 = 4.294.967.296 direcciones posibles). Direcciones privadas.

Esc

Clase A: 10.0.0.0 a 10.255.255.255 (8 bits red, 24 bits hosts). Clase B: 172.16.0.0 a 172.31.255.255 (16 bits red, 16 bits hosts). Clase C: 192.168.0.0 a 192.168.255.255 (24 bits red, 8 bits hosts).




Figura 10-21.

Figura 10-22.

Para realizar la conexión de un PC con un dispositivo de la red informática del tren a través de un cable Ethernet:

Esc

.-Identificar el conector Ethernet (RJ-45), de un dispositivo o una red. .-Identificar la dirección de red, modificar la dirección IP de nuestro PC, para entrar en “rango de red”. .-Conectar el cable Ethernet (paralelo o cruzado), entre el dispositivo y nuestro PC. .-Arrancar el programa adecuado (freno, convertidores, diagnostico...), para la conexión y establecer esta.

236




10.9 SISTEMAS INFORMÁTICOS EMBARCADOS

10.9.1

CAF (COSMOS)

Figura 10-23.

Desarrollado por CAF para los Trenes de Cercanías, de RENFE. Está basado en el estándar de comunicaciones de tren TCN.

Las interfaces que permiten la comunicación entre los diferentes equipos y la red, se realizan mediante los dispositivos de Entrada/Salida denominados (I/O).

Los módulos I/O controlan los distintos dispositivos conectados a la red informática, manejan tanto señales analógicas (cambian su valor en el tiempo) como digitales (mantienen su valor en el tiempo) así como una interfaz RS-485.

Esc

La principal herramienta de interacción entre el maquinista o el personal de mantenimiento y el COSMOS es la interfaz.



DIAGNÓSTICO EN PANTALLA (IHM)


10.9.1.1

El primer paso para el diagnóstico de una avería, será la consulta de las pantallas de diagnosis, donde el sistema informático muestra todas las averías y anomalías que se presentan durante el servicio del tren.

Figura 10-24.

10.9.1.2

DIAGNÓSTICO USANDO SW

El software de diagnóstico nos permite la investigación de las averías, además nos proporciona la posibilidad de mantener un histórico, con los archivos de diagnosis bajados a lo largo del tiempo. LogViewer

Configurador

Esc

Figura 10-25.

238




10.9.2

ALSTOM (TCMS)

Figura 10-26. Estructura SIE en los TMC.

Desarrollado por ALSTOM para los Trenes Modulares de Cercanías (TMC) de RENFE, recibe el nombre de Sistema de Control y Monitorización de Tren (TCMS, Train Control and Monitoring System), y está basado en el estándar de comunicaciones de tren TCN.

Esc

Las interfaces que permiten la comunicación entre los diferentes equipos y la red TCMS, se realizan mediante los dispositivos de Entrada/Salida denominados RIOM (Remote Input Output Module). Las RIOM son módulos de I/O que permiten señales tanto analógicas como digitales, así como una interfaz RS485. La principal herramienta de interacción entre el maquinista o el personal de mantenimiento y el TCMS es la interfaz hombre-máquina, IHM (DDU). Por medio de esta interfaz, el maquinista podrá introducir diferentes parámetros de conducción, y configuración de tren, así como supervisar en cada momento el estado del tren.




10.9.2.1

DIAGNOSTICO EN PANTALLA (IHM)


Figura 10-27.

10.9.2.2

DIAGNOSTICO USANDO SW

El software de diagnóstico nos permite la investigación de las averías, además nos proporciona la posibilidad de mantener un histórico, con los archivos de diagnosis bajados a lo largo del tiempo.

Esc

Mmap (Visualización y forzado de variables)

240

Figura 10-28.




10.9.3

BOMBARDIER (MITRAC)

Figura 10-29.

Desarrollado por BOMBARDIER para los Trenes S-102, S-130 de RENFE. Está basado en el estándar de comunicaciones de tren TCN. En estas series Bombardier, usa en la red TCN tanto bus cableado (EMD) como bus de fibra óptica (OGF). Las interfaces que permiten la comunicación entre los diferentes equipos y la red, se realizan mediante los dispositivos de Entrada/Salida denominados (Módulos MITRAC). Los módulos MITRAC controlan los distintos dispositivos conectados a la red informática, manejan tanto señales analógicas (cambian su valor en el tiempo) como digitales (mantienen su valor en el tiempo).

Esc

La principal herramienta de interacción entre el maquinista o el personal de mantenimiento y el sistema MITRAC es la interfaz hombre-máquina, IDU (Pantallas a izda. y dcha. del conductor). Por medio de esta interfaz, el maquinista podrá introducir diferentes parámetros de conducción, y configuración de tren, así como supervisar en cada momento el estado del tren.



SERIE 130


10.9.3.1

Figura 10-30. Arquitectura SIE de la S130.

SERIE 102

Esc

10.9.3.2

242

Figura 10-31. Arquitectura SIE de la S102.




10.9.3.3

DIAGNÓSTICO EN PANTALLA (IDU)


Figura 10-32.

10.9.3.4


El software de diagnóstico nos permite la investigación de las averías, además nos proporciona la posibilidad de mantener un histórico, con los archivos de diagnosis bajados a lo largo del tiempo. Ver y forzar variables en tiempo real

Esc

Sacar Diagnosis

Figura 10-33.




10.9.3.5

BOMBARDIER 253 (MVB+CAN)

Figura 10-34.

Desarrollado por BOMBARDIER para la LOC. 253 de RENFE. Está basado en el estándar de comunicaciones de tren TCN, sin WTB. En esta serie Bombardier, usa el MVB, como bus principal, y un CAN-Bus* como bus para los módulos de entrada/salida (LUTZE). (*CAN-Bus - Bus de área local, donde todos los dispositivos pueden mandar/recibir información de cualquier otro, sin que haya un administrador de bus, todos escuchan el bus y transmiten cuando este está desocupado, su medio de transmisión son un par de cables trenzados).

Esc

Los módulos LUTZE controlan los distintos dispositivos conectados a la red informática, manejan tanto señales analógicas (cambian su valor en el tiempo) como digitales (mantienen su valor en el tiempo). La principal herramienta de interacción entre el maquinista o el personal de mantenimiento y el sistema, es la interfaz hombre-máquina, MMI. Por medio de esta interfaz, el maquinista podrá introducir diferentes parámetros de conducción, y configuración de tren, así como supervisar en cada momento el estado del tren.

244




10.9.3.6

DIAGNÓSTICO EN PANTALLA (MMI)


Figura 10-35.

10.9.3.7


El software de diagnóstico nos permite la investigación de las averías, además nos proporciona la posibilidad de mantener un histórico, con los archivos de diagnosis bajados a lo largo del tiempo.

Esc

Figura 10-36. Visualización y forzado de variables en tiempo real.

Figura 10-37. Bajada de diagnosis vía remoto.




10.10 MANTENIMIENTO 10.10.1

MANTENIMIENTO PREVENTIVO

Plan de mantenimiento Plan de Ejecución de Mantenimiento Normas Técnicas de Mantenimiento Especificaciones Funcionales Bonos de Trabajo Programado (IS, IB, IM…) Otros (FIN, Protocolos de freno,…)

Gestor Documental

Esc

Figura 10-38. Gestor Documental Planeta.

246




10.10.2

MANTENIMIENTO CORRECTIVO

Haciendo uso de:

.-Información visual proporcionada por las distintas pantallas de diagnóstico.

.-Información proporcionada por el SW de diagnóstico y monitorización que acompaña a cada Vehículo, en el propio vehículo o con conexión remota (gsm-gsmr, Internet). .-Utilizando el SW de diagnóstico y visualización, particular de cada dispositivo. .-Otros medios (esquemas eléctricos, neumáticos etc.)

Esc

Ejemplo de SW y conexiones de un vehículo de última generación (red TCN)

Figura 10-39.




10.11 RESUMEN

Desde la aparición de la norma TCN, en 1999, (IEC 61375-1 (Comisión de Electrotecnia Internacional) los vehículos ferroviarios, han experimentado una transformación extraordinaria, que permite la reducción del cableado (las ordenes se transmiten por un bus) de forma muy significativa, así como el control, la monitorización, y el diagnóstico del vehículo de una forma centralizada y eficaz. Al mismo tiempo la norma TCN, permite la interoperabilidad entre vehículos del mismo operador, así como entre distinto operadores, y países. Los sistemas de seguridad, que permiten las redes informáticas de los nuevos trenes, nos llevan al desarrollo de un sistema para el control de trenes en toda Europa (ERTMS), permitiendo que trenes de los distintos países puedan recorrer todo el continente con el mismo sistema de control del tráfico y seguridad. El mantenimiento del vehículo, se ve apoyado, por el sistema de diagnóstico que conllevan las rede TCN, modificando sustancialmente el concepto de mantenimiento tradicional, al incorporar entre sus herramientas, la informática, que además permite el diagnostico remoto.

Esc

El conocimiento de la topología de los nuevos trenes, el uso de las nuevas herramientas (Software), así como los medios para interactuar con el tren, son elementos imprescindibles para los nuevos mantenimientos.

248



Prevención de riesgos laborales

11. PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES

11.1 INTRODUCCIÓN A LA PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES 11.1.1         

11.1.2

PRINCIPIOS GENERALES DE PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES

Evitar los riesgos Evaluar los inevitables Combatirlos en el origen Adaptar el trabajo a la persona Tener en cuenta la evolución de la técnica Sustitución de lo peligroso Planificación de la prevención Protección colectiva antes que individual Dar instrucciones adecuadas a los trabajadores

EL TRABAJO Y LA SALUD

El trabajo, nos permite satisfacer muchas de nuestras necesidades, pero también puede representar un peligro para nuestra salud, que es necesario identificar y controlar. Si tenemos en cuenta LA SALUD en todas sus dimensiones, física, mental y social, hemos de considerar todos los aspectos que puedan provocar un daño, por ejemplo, los productos que se utilizan, los equipos y herramientas, las instalaciones, etc., así como todos los aspectos organizativos, que también pueden influir en la salud. Para proteger la salud en el trabajo, es preciso entre otros aspectos:

   

11.1.3

Analizar los accidentes de trabajo y buscar sus causas. Descubrir los riesgos de contraer una enfermedad profesional, teniendo en cuenta los contaminantes existentes, su concentración o intensidad y la exposición a los mismos. Analizar la carga de trabajo, física y mental. Identificar los factores psicosociales y organizativos capaces de generar fatiga, estrés, insatisfacción laboral, etc.

LOS RIESGOS LABORALES

Se define “Riesgo Laboral” como la posibilidad de que un trabajador sufra un determinado daño derivado del trabajo. Se considera como “Daño Derivado del Trabajo”; las enfermedades, patologías o lesiones sufridas con motivo u ocasión del trabajo. En materia de prevención, si se quiere ser eficaz se tratará prioritariamente de: Evitar los Riesgos. Evaluar los que no se puedan evitar. Combatir los riesgos en su origen

Esc

  

11.1.4 

CONSECUENCIA DE LOS RIESGOS

Accidentes de trabajo. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 249


Enfermedades Profesionales. Otros daños para la salud (fatiga, estrés, insatisfacción laboral, etc.) Repercusiones económicas y de funcionamiento.


  

Para proteger la salud en el trabajo, es preciso entre otros aspectos:  

Esc

 

Analizar los accidentes de trabajo y buscar sus causas. Descubrir los riesgos de contraer una enfermedad profesional, teniendo en cuenta los contaminantes existentes, su concentración o intensidad y la exposición a los mismos. Analizar la carga de trabajo, física y mental. Identificar los factores psicosociales y organizativos capaces de generar fatiga, estrés, insatisfacción laboral, etc.

250




11.2 RIESGOS ESPECÍFICOS EN EL MANTENIMIENTO DEL MATERIAL FERROVIARIO 11.2.1

ATROPELLOS, ATRAPAMIENTOS Y ARROLLAMIENTOS CON VEHÍCULOS/TRENES

DESCRIPCIÓN Existe riesgo de atropello y de golpes con trenes y vehículos cuando en el lugar donde se ejecutan trabajos existe la posibilidad de circulación en las inmediaciones de los mismos. CAUSAS Los talleres están ubicados en las inmediaciones de las vías, y en ocasiones, por necesidades del trabajo, se debe acceder a la misma (cruzándola o acercándose) y a la vez podemos encontrarnos con la existencia de circulación de composiciones, por ello se deben seguir unas pautas para minimizar éste riesgo. Además de lo anterior, dentro de los talleres normalmente hay presencia de carretillas elevadoras en continuo movimiento transportando materiales pesados. MEDIDAS PREVENTIVAS Al cruzar las vías hay que asegurarse de que no existe circulación en las vías contiguas.

Si existen vehículos estacionados en las vías situadas fuera de las naves de los talleres, se recomienda mantener una distancia de seguridad de 3 metros ante los mismos. Se utilizarán prendas de alta visibilidad en todo caso. Los trenes o vehículos estacionados deberán tener siempre asegurada su inmovilización por medio de frenos o calces. Este riesgo se debe al uso de maquinaria y a las operaciones de manipulación y transporte de material por medios mecánicos de conducción o automáticos de guiado, que dentro de un taller, en playas de tránsito y estacionamiento de vehículos o en plena vía están en continuo funcionamiento. Deberá existir una correcta iluminación, con el fin de evitar riesgos de caídas, choques u otros posibles accidentes. Las zonas de trabajo deberán ser amplias, y aquellas zonas que sean peligrosas, deberán estar correctamente señalizadas.

Figura 11-1. Prendas de alta visibilidad.

Las zonas de tránsito se mantendrán libres de obstáculos (cajas, piezas de montaje, etc.).

Esc

No se acarrearan cargas u objetos que obstaculicen la visión, y antes de transportar una carga manualmente, se deberá inspeccionar el recorrido que se va a realizar para retirar cualquier obstáculo con el que el trabajador pudiera chocar.



EXPOSICIÓN A CONTACTOS ELÉCTRICOS (DIRECTOS O INDIRECTOS)


11.2.2

DESCRIPCIÓN Dentro de los talleres existe la posibilidad de que se produzcan accidentes por causa de la electricidad con que se alimentan instalaciones y equipos, ya sea por contactos eléctricos directos (al tocar partes activas) o indirectos (se produce con masas puestas accidentalmente en tensión) y ya sean tanto en alta como en baja tensión por el uso de maquinaria y herramientas eléctricas, por la posible presencia de cables de alta tensión de catenaria o por la realización de trabajos de mantenimiento de sistemas eléctricos (secciones de reparación y montaje eléctrico y electrónico). Alta tensión: más de 1000V C.A. y de 1500V C.C. (catenaria). Baja tensión: menos de 1000V C.A. y de 1500V C. C. (equipos mecánicos de trabajo). CAUSAS Baja tensión:

Incorrecta manipulación de aparatos eléctricos: equipos de soldadura eléctricos, taladros. Mal estado de la instalación eléctrica; clavijas, cables, enchufes, (ejemplo: tocar cables sin aislamiento, trabajar con partes húmedas en pies o manos y/o sin protección). Alta tensión: No respetar las distancias de proximidad o de peligro establecidas: 1,12 m en las líneas de 3000 voltios de corriente continua y de 1,27 m en las líneas de 25.000 voltios en corriente alterna. No seguir las 5 reglas de oro a la hora de realizar trabajos en las proximidades de instalaciones eléctricas.

Figura 11-2. Incorrecta manipulación

Definiciones: Trabajador autorizado: trabajador autorizado por el empresario para realizar determinados trabajos con riesgo eléctrico, en base a su capacidad para hacerlos de forma correcta. Trabajador cualificado: trabajador autorizado que posee conocimientos especializados en materia de instalaciones eléctricas, debido a su formación específica en materia de instalaciones eléctricas, debido a su formación específica en materia de instalaciones eléctricas, debido a su formación acreditada, profesional o universitaria, o a su experiencia certificada de dos o más años. MEDIDAS PREVENTIVAS Siempre que exista este tipo de riesgo, debe

Esc

Figura 11-3. Manipulación correcta.

existir una correcta señalización del mismo, tanto si hablamos de baja como de alta tensión.

BAJA TENSIÓN: Contactos directos: El interior de los cuadros, cajas y armarios eléctricos sólo podrán ser manipulados por personal autorizado (personal de mantenimiento). En herramientas eléctricas portátiles, comprobar que el sistema de protección de aislamiento es correcto. 252




Alejar partes activas de los lugares donde las personas trabajan o circulan. Cerrar las partes activas en cajas o armarios para impedir todo el contacto accidental con las mismas. La conexión de cables a las tomas de corriente se realizará siempre con clavijas, nunca directamente con los bornes de los cables. Contactos indirectos: No se realizarán trabajos en el sistema eléctrico de la máquina sin haber desconectado previamente el motor. En máquinas que lleven toma de tierra como sistema de protección, comprobar que la misma es correcta y que la máquina se conecta a una toma de tierra.

ALTA TENSIÓN (contactos directos e indirectos):

Seguir las cinco reglas de oro: desconectar, prevenir cualquier posible retroalimentación, verificar ausencia de tensión, poner a tierra y en cortocircuito y proteger frente a elementos próximos en tensión. Respetar distancias de peligro y proximidad citadas anteriormente.

Figura 11-4. Señalización.

11.2.3

EXPOSICIÓN A SUSTANCIAS NOCIVAS O TÓXICAS.

DESCRIPCIÓN CONTAMINANTES QUÍMICOS

Dentro de los talleres pueden existir zonas en las que en el aire encontremos partículas, vapores, gases o aerosoles que forman parte de los productos que se utilizan, o sustancias que pueden formarse durante los procesos de emplastecido, pintura, soldadura, … El riesgo se produce cuando el trabajador está expuesto a alguna de estas sustancias y puede intoxicarse, o del mismo modo, si por error o desconocimiento ingiere algún tipo de sustancia tóxica. Éste tipo de sustancias se clasifican en categorías en función de sus propiedades toxicológicas: sensibilizantes, irritantes, corrosivos, nocivos, tóxicos o muy tóxicos. CAUSAS CONTAMINANTES QUÍMICOS

En algunas zonas de los talleres se realizan diversas tareas en las cuales el trabajador puede estar en contacto con dichas sustancias, entre ellas se destacan las siguientes: Inhalación de polvo a la hora de limpiar conductos de aire acondicionado con aire a presión, humos de soldadura, vaciado de depósitos de trenes diésel, montaje y desmontaje de fibra de vidrio, utilización de productos químicos de limpieza y de reparación, inhalación de vapores de pintura. MEDIDAS PREVENTIVAS

Esc

Utilizar EPIS necesarios para proteger vías respiratorias con filtros adecuados a los contaminantes existentes. Si se manipulan sustancias cáusticas, corrosivas se utilizarán además guantes. Se debe tener información sobre los riesgos que tienen las sustancias que se manipulan y las medidas preventivas específicas que se deben tomar. Las condiciones de manipulación de los productos deben ser adecuadas. Para ello hay que seguir las indicaciones de las etiquetas de los mismos: Ficha de datos de seguridad: identificación de la sustancia, composición, identificación de peligros, manipulación y almacenamiento, información toxicológica.




Frases R: Informan sobre la naturaleza del riesgo específico. Frases S: Consejos de prudencia Los recipientes de los productos empleados deben estar siempre correcta-mente etiquetados y se debe conservar legible durante todo su periodo de utilización. Se recuerda a los trabajadores expuestos la importancia de extremar la higiene personal (lavarse antes de comer o beber, ducharse al finalizar la jornada, mantener separada la ropa de trabajo y la de la calle). Se recuerda que está prohibido comer o beber fuera de las zonas habilitadas para ello. En zonas donde se realizan trabajos de soldadura y pintura se recomienda la instalación de mecanismos de aspiración localizada, extracción o ventilación.

Figura 11-5. Zonas afectadas.

PROTECCIÓN DE LAS VÍAS RESPIRATORIAS

Los equipos de protección respiratoria se pueden dividir en dos grupos:  Aparatos filtrantes que dependen de la atmósfera ambiente, y filtran el aire contaminado.  Aparatos aislantes, independientes de la atmósfera ambiente, que suministran aire respirable asegurando así una protección contra el aire contaminado o la falta de oxígeno. El cartucho filtrante se elige en función de:    

Los tóxicos contra los que se desea protegerse Tipo de trabajo que debe efectuarse Modo de ejecución y de la duración de la intervención Los aparatos disponibles

CLASES DE FILTROS DE PROTECCIÓN

FILTROS PARA PARTÍCULAS

CLASE

ALMACENAJE

P1

Para protegerse contra las partículas de materias inertes

ilimitado

P2

Para partículas de materiales poco tóxicas

ilimitado

P3

Para partículas de materias tóxicas Para partículas de materias cancerígenas Para partículas de materias radiactivas Bacterias, virus, enzimas

ilimitado

Esc 254

CAMPO DE UTILIZACIÓN




FILTROS PARA GASES Y VAPORES

CLASE

COLOR

CAMPO DE UTILIZACIÓN

ALMACENAJE

A

marrón

gas y vapores orgánicos emitidos por disolventes cuyo punto de ebullición es mayor de 65º

5 AÑOS

AX

marrón

gas y vapores orgánicos emitidos por disolventes cuyo punto de ebullición es menor o igual a 65º

5 AÑOS

B

Gris

gas y vapores inorgánicos

4 AÑOS

E

amarillo

anhídrido sulfuroso

4 AÑOS

NO

azulblanco

contra gases nitrosos

4 AÑOS

SX

violeta

sustancias especificas

4 AÑOS

K

verde

amoniaco

4 AÑOS

Hg

rojoblanco

vapor de mercúrico (tiempo de uso menor a 50 h)

4 AÑOS

11.2.4

RUIDO, EXPLOSIONES, VIBRACIONES Y RADIACIONES

11.2.4.1

RUIDO

Se define el ruido como todo sonido no deseado por el receptor susceptible de producir efectos físicos, fisiológicos o psicológicos sobre una persona o grupo de personas. En sentido fisiológico el sonido es el resultado de las variaciones de presión en el aire sobre el oído. El oído convierte estas variaciones de presión en señales eléctricas que son interpretadas por el cerebro como sonido. Todo ello influye sobre el nivel de atención, el tiempo de reacción, y así, en el número de errores en el trabajo. La exposición a niveles elevados de ruido durante períodos prolongados puede producir disminución de la capacidad auditiva (hipoacusia). CAUSAS Dentro de talleres el ruido procede del funcionamiento individual o al unísono de varias máquinas o herramientas de impacto, ya sean eléctricas o manuales, tales como taladros, lijadoras y equipos de aspiración, sierras, martillos. MEDIDAS PREVENTIVAS Las medidas preventivas sobre el ruido deben ajustarse a los niveles de exposición resultantes.

Figura 11-6. Protección auditiva.

Esc

Se realizarán mediciones higiénicas de acuerdo con la normativa en vigor y en función de los resultados se tomarán: Medidas técnicas: controlan el ruido en su origen: la reducción del mismo es más eficaz, se refieren al diseño de la maquinaria o al aislamiento y cerramiento de maquinaria ruidosa. Medidas organizativas: se intenta reducir el nivel de exposición del trabajador disminuyendo el tiempo de exposición. Vigilancia de la salud: realización de audiometrías periódicas a trabajadores expuestos.




En todo caso, y si fuera necesario, se deben utilizar protectores auditivos adecuados al tipo de ruido existente. Existe un vínculo entre el ruido y los accidentes, debiéndose ser tomado en consideración.  

  

Dificulta a los trabajadores escuchar y comprender correctamente las voces y las señales. Oculta el sonido de un peligro que se aproxima o de las señales de advertencia (por ejemplo, las señales de marcha atrás de los vehículos). Distrae a trabajadores como, por ejemplo, los conductores. Contribuye a que aparezca estrés laboral, que incrementa la probabilidad de cometer errores. Los problemas en la comunicación y el aislamiento, ante la incapacidad de comunicarse las personas, tienden a dificultar el diálogo. FACTOR CONTAMINANTE (Ruido) | V DEFECTO ORGÁNICO O FUNCIONAL (Oído interno) | V DISCAPACIDAD (alt. función) | V MINUSVALÍA (Disminución calidad de vida y repercusión socioeconómica)

11.2.4.2

EXPLOSIONES

Se entenderá por atmósfera explosiva la mezcla con el aire, en condiciones atmosféricas, de sustancias inflamables en forma de gases, vapores, nieblas o polvos, en la que, tras una ignición, la combustión se propaga a la totalidad de la mezcla no quemada. En función de la velocidad de mezcla de la sustancia inflamable con el aire, su concentración y de cómo se produce la ignición, se puede diferenciar entre: Deflagración: propagación inferior a la velocidad del sonido. Detonación: propagación más severa (superior a la velocidad del sonido). Las sustancias inflamables o combustibles se considerarán sustancias capaces de formar atmósferas explosivas, a no ser que el análisis de sus propiedades demuestre que, mezcladas con el aire, no son capaces por sí solas de propagar una explosión. CAUSAS Dentro de los recintos del taller existen depósitos de gas oil y propano, tales como cisternas, bombonas, además de mangueras, manómetros, los cuales pueden generar éste tipo de riesgo.

Esc

MEDIDAS PREVENTIVAS Impedir la formación de atmósferas explosivas. Evitar la ignición de atmósferas explosivas: evitar llamas y la generación de chispas. Mantener la obligación de no fumar en las instalaciones del taller. Un buen orden y limpieza de las zonas de trabajo principalmente de las zonas donde se manipulan o almacenan sustancias inflamables o explosivas.

256




Recoger inmediatamente cualquier derrame o vertido de sustancias inflamables. En el caso de depósitos de propano o gasoil, evitar la generación de cargas electrostáticas a través de su puesta a tierra y utilizar calzado y ropa de trabajo anti estáticos y herramientas no generadoras de chispas. Las áreas de riesgo se clasificarán en zonas teniendo en cuenta la frecuencia con que se produzcan atmósferas explosivas y su duración. Respetar en todo caso la señalización referente a accesos a áreas o zonas en las que puedan formarse atmósferas explosivas. Si se debe realizar trabajos en zonas de riesgo, se debe realizar conforme a las instrucciones del empresario y según el sistema de permisos de trabajos establecidos.

Figura 11-7. Uso de extintores.

11.2.4.3

VIBRACIONES

En algunos puestos de trabajo de talleres se detectan vibraciones que afectan al sistema mano-brazo, y se definen como la vibración mecánica que, cuando se transmite al sistema de mano y brazo, puede suponer efectos nocivos para la salud de los trabajadores. CAUSAS Son producidas por las herramientas manuales a motor: radiales, martillos neumáticos, tornos, taladros, etc.). MEDIDAS PREVENTIVAS Fijar las herramientas manuales mecánicas. Se deben utilizar herramientas en buen estado de funcionamiento y conservación. Elegir el equipo de trabajo adecuado, diseñado de forma ergonómica y que genere el menor número de vibraciones posible. Reducir los niveles de exposición diaria.

Esc

Una vibración se puede definir como la oscilación de partículas alrededor de un punto en un medio físico cualquiera (aire, agua, etc.). Las vibraciones de muy baja frecuencia hacen sentir su efecto en el aparato vestibular del oído, la de baja frecuencia afectan al sistema nervioso. Este tipo de vibraciones están presentes en máquinas en movimiento, trenes, aviones automóviles, etc.

Figura 11-8. Vibraciones mano-brazo.



RADIACIONES


11.2.4.4

Cuando se realizan trabajos de soldadura y corte, especialmente cuando hay arco eléctrico, se producen radiaciones de tipo no ionizante. CAUSAS Cuando se realizan trabajos de soldadura dentro de los talleres es cuando se detecta una exposición a radiaciones no ionizantes por soldadura (luminosa y ultravioleta). La parte más comúnmente afectada son los ojos.

MEDIDAS PREVENTIVAS Cuando se realicen procesos de soldadura se utilizaran equipos de protección corporal y de los ojos adecuados. No se debe mirar nunca directamente al arco eléctrico sin protección adecuada. Se debe utilizar un cerramiento inactínico para acotar las zonas de soldadura y señalizar dichas zonas. Limitar el acceso de personas no autorizadas. Utilizar mecanismos de extracción adecuados para los humos producidos en la soldadura.

Figura 11-9. Radiaciones no ionizantes n

Cuando se trata de tus ojos, las segundas oportunidades no existen.

Numerosos procesos de corte y soldadura emiten radiaciones luminosas peligrosas. Las dolencias oculares más comunes derivadas de la radiación UV/IR son la quemaduras de retina y de córnea por la exposición prolongada a radiaciones térmicas. Estos daños causados por la luz de alta intensidad pueden evitarse si se utiliza la protección adecuada del modo correcto.

Esc

Hasta que se encuentra la protección facial y ocular adecuada, puede verse expuesto a dolores de cabeza, irritaciones de garganta y fatiga general que sólo parece disminuir durante las vacaciones. Todos los humos derivados de las soldaduras contienen partículas contaminantes y los daños provocados son muy insidiosos. A menudo, las enfermedades provocadas por estos humos tardan semanas, meses y, a veces, incluso años en aparecer.

258



Formación complementaria – PBL3

12. FORMACIÓN COMPLEMENTARIA

12.1 PBL-3 - INTRODUCCIÓN AL PANEL DE MANDO 12.1.1

ASPECTOS GENERALES

Las funciones a desarrollar por el Panel de Mando tipo PBL-3, homologado por normativa UIC, son las necesarias para producir variaciones de presión en la tubería de mando de freno automático TFA, mediante impulsos eléctricos gestionados desde el puesto de conducción. Podemos decir que es un panel gobernado eléctricamente a distancia, que dispone de los elementos necesarios (electroválvulas, válvulas, presostatos, etc.) para la gestión de la TFA y por tanto de la aplicación o el afloje de los Cilindros de Freno del vehículo que lo incorpora.

Figura 12-1. Conjunto PBL3 sobre bastidor.

Esc

El panel PBL-3, está constituido por una placa base de aluminio, sobre la que se han fresado los conductos neumáticos necesarios para la interconexión de la totalidad de los componentes del panel. La superficie fresada de la placa, se cierra mediante una tapa de aluminio por el sistema de encolado. La tapa de cierre debe tener efectuados una serie de taladros que permitan el paso de los diversos espárragos roscados sobre la placa base para el anclaje de los componentes neumáticos del panel.



ELEMENTOS QUE LOS FORMAN

12.1.2.1

COMPONENTES


12.1.2

Electroválvula de vigilancia (pos. 1): Electroválvula de neutro (pos. 2): Electroválvula de sobrecarga (pos. 3): Electroválvula de freno (pos. 5): Electroválvula de afloje (pos. 4): Llave de aislamiento de la EV-Vigilancia (pos. 6): Relé de escape de la EV-Vigilancia (pos. 8): Válvula Relé Principal (1B) (pos. 9): Presostato diferencial tipo G (4,8) (pos.10): Manocontacto tipo H (3) (pos. 11) Llave anulación de la TFA (pos. 7) Válvula de escape lineal. Distensor piloto (pos. 12): Válvula de corte (pos. 13)

Figura 12-2. Componentes en PBL3.

Distensor de escape lineal

Depósito de sobrecarga.

Esc

Depósito de Equilibrio.

260


Figura 12-3. Vista lateral PBL3. Componentes



Colector de Tuberías (Zócalos)

D. Aux C3W

Esc

98 Litros

C. Freno Bogie 2

TFA

C. Freno Bogies ½ F. Directo

TDP

C. Freno Bogie 2

Alim. F. Dir/Aux

F. Estac. 98 Litros

1………………………..COLECTOR MECANIZADO 2………………………..10 ACOPLAMIENTO AUTOMÁTICO BOSCH ¼” 3………………………..10 TAPÓN + CADENETA DE PROTECCIÓN 4………………………..10 MACHO DE ACOMETIDA BOSCH 5………………………..2 ANILLO TÓRICO R18 6………………………..8 ANILLO TÓRICO AN 7………………………..8 ANILLO TÓRICO AN 8………………………..5 TAPÓN M24x150 LEGRÍS 9………………………..12 TAPÓN M12x125 LEGRÍS 10………………………5 JUNTA DE COBRE 11………………………12 JUNTA DE COBRE 12………………………2 TAPÓN DE PROTECCIÓN PARA ROSCA 1” 13………………………5 TAPÓN DE PROTECCIÓN PARA ROSCA ½” 14………………………8 TAPÓN DE PROTECCIÓN PARA ROSCA 3/8” Figura 12-4. Colector de tuberías. Zócalo.




Cámaras de primera depresión.

Figura 12-6. Vista lateral 1 de cámara de primera depresión.

12.1.2.2

FUNCIONALIDAD DE LOS COMPONENTES

12.1.2.2.1

ELECTROVÁLVULAS 21 C.

Figura 12-5. Vista lateral 2 de cámara de primera depresión.

Esc

Podemos encontrar tres tipos: Electroválvulas Directas de dos vías. Electroválvulas Directas de doble circuito. Electroválvulas Inversas. Electroválvulas Directas de dos vías. Electroválvula de freno graduado: Electroválvula Directa (excitada aísla la utilización – depósito de equilibrio - con la Atmósfera), y desexcitada poner a la atmósfera el depósito equilibrador por medio de la electroválvula de afloje graduado y de la cámara de primera depresión. Electroválvula de afloje graduado: Electroválvula Directa tiene por misión (electroválvula excitada), poner en comunicación el depósito equilibrador con la presión reducida a 5 bares del distensor piloto.

262

Figura 12-7. Electroválvula Directa dos vías.




Electroválvulas Directas de doble circuito. Empleada como electroválvula de sobrecarga, tiene por función poner en comunicación la tubería general TFA, por una parte, con la cámara de reacción de la válvula relé de la tubería general TFA, lo que provoca la posibilidad del gran caudal de éste último y, por otra parte, con el depósito de sobrecarga.

Figura 12-9. Excitada.

Figura 12-8.Desexcitada.

Excitada en figura 12-9, la cámara A comunica con U1 y U2 y desexcitada, la cámara A queda aislada completamente de las dos posibles utilizaciones a modo de válvula de retención. Electroválvulas Inversas.

Esc

 Electroválvula de neutro: Electroválvula Inversa (electroválvula no excitada), pone en comunicación la tubería general TFA interna del panel con la cámara de mando de la válvula de corte (5).  Electroválvula de vigilancia: Electroválvula Inversa (electroválvula no excitada), pone en comunicación la tubería general TFA interna del panel con la cámara de mando del Relé de Escape.

Figura 12-10. Electroválvula Inversa.



RELÉ DE ESCAPE.


12.1.2.2.2

Su función es poner la tubería general de freno TFA (Alimentación) a la atmósfera (Escape), cuando se produce la desconexión de la electroválvula de vigilancia (Pilotaje) por la actuación de cualquier emergencia (ASFA, H.M, corte de tren, etc.), como se puede comprobar en figura 12-11 lado derecho.

Figura 12-11. Vistas seccionadas de la válvula relé de escape.

12.1.2.2.3

DISTENSOR DE ESCAPE LINEAL.

Su función es poner a la atmósfera el depósito de sobrecarga en un tiempo medio de 185 segundos, cuando éste deja de estar alimentado por la electroválvula de sobrecarga. Calibrado D

R

R

Calibrado D

Cámara B

Calibrados C

Figura 12-12. Distensor de escape lineal.

Al solicitar una sobrecarga el aire que se encuentra en la cámara de reacción de la válvula relé principal, pasa por la EV de Sobrecarga y entra en la cámara B de la válvula de escape lineal.

Esc

Por el efecto del paso calibrado (D) de la válvula, al adquirir aire en la cámara B empuja el resorte o muelle R hacia arriba estrangulando los pasos C parcialmente. De esta forma el caudal de aire que entra en la cámara B es igual al que sale por el calibrado D. Si desexcitamos la EV de Sobrecarga, no entrará más caudal en la cámara B, pero si está destruyéndose por el paso calibrado D. Los pasos C se abrirán por efecto del muelle R y al haber menos presión la descarga será constante (lineal).

264



MANOSTATO DIFERENCIAL TIPO G.


12.1.2.2.4

Su función es asegurar la excitación de la electroválvula de afloje graduado, cuando la presión en el depósito equilibrador es superior a 4,8 bar, recubriendo las posibles pérdidas en dicho depósito.

Compara la presión de control fija de la cámara B dada por el distensor de 5 Bar, con la presión variable o de pilotaje de la cámara A o presión de Equilibrio.

Figura 12-13. Manostato tipo G.

12.1.2.2.5

PRESOSTATO H

Su función es mantener excitada la electroválvula de afloje hasta 3 bar, posición de “rearme automático”, cuando esta presión es alcanzada, desexcita la electroválvula de afloje graduado y mantiene excitada la electroválvula de freno.

Figura 12-14. Presostato H.

Esc

Dispone de una sola cámara que recibe la presión de trabajo y un conjunto de contactos para los circuitos eléctricos. Consigue el ajuste dando más o menos tensión al muelle.



VÁLVULA RELÉ TIPO 1B.


12.1.2.2.6

Su función consiste en reproducir en la tubería de freno automático TFA, la presión del Depósito de Equilibrio o presión de pilotaje, a un gran caudal posibilitando la fácil moderabilidad de la TFA y por tanto del freno. Consta de una cámara A de alimentación, donde recibe la presión de D. Principales. Una cámara U de utilización en este caso para el llenado de TFA. Una cámara de reacción que se utiliza para la estabilización del propio relé, así como para el llenado del depósito de sobrecarga en este proyecto.

Figura 12-15. Vistas seccionadas de la válvula relé tipo 1 B.

12.1.2.2.7

DISTENSOR PILOTO.

Su función es, por una parte, suministrar en servicio normal, una presión reducida a 5 bar que sirva de alimentación de referencia al depósito de equilibrio, para la presión de régimen de la tubería general TFA, y por otra parte, en posición de sobrecarga, elevar la presión de régimen hasta 5,4 bar en D. de Equilibrio. Cuando no está alimentada la válvula, el muelle R empuja el diafragma 1 y la cámara A (DP) estará en comunicación con la cámara B (DE). Al someter a presión de DP la cámara A, comienza el llenado de la cámara B y las cámaras C y D por los pasos 2 y 1 respectivamente.

Esc

Cuando la presión en B alcance los 5 bar el muelle R estará rendido en la medida que cierre el asiento V, no entrando más presión en B (DE). Cuando se solicita una sobrecarga meteremos (EV sobrecarga) presión de TFA en la cámara E empujando con el diafragma 2, abrirá el asiento V hasta alcanzar 5,4 bar aproximadamente. Al destruir la sobrecarga por el distensor lineal se destruirá la presión en la cámara E por lo que el vástago se separa de la válvula y por el vástago (hueco) se destruye la sobrepresión hasta 5 bar.

266


Figura 12-16. Distensor piloto.


LLAVES DE AISLAMIENTO


12.1.2.2.8

Llave de aislamiento (eliminación de supervisión). Su función es poner en comunicación la electroválvula de vigilancia con la tubería general interna TFA del panel o aislarla.

Figura 12-17. Llaves de aislamiento (elimina supervisión).

Llave de aislamiento (condena relé de escape). Su función es poner en comunicación el relé neumático de escape con la tubería general TFA, o aislarlo.

Figura 12-18. Llaves de aislamiento (condena relé de escape).

12.1.2.2.9

DEPÓSITOS.

Depósito equilibrador. El depósito equilibrador de 4 litros de capacidad está fijado sobre la cara trasera del panel. Su función es contener un cierto volumen de aire, y presión variable entre 0 y 5,4 bar aprox. controlada básicamente por las electroválvulas de freno y afloje. Sirve de referencia para pilotar la válvula relé 1B que mantiene en la tubería general una presión del mismo valor.

Esc

Depósito de sobrecarga. El depósito de sobrecarga de 1,5 litros está fijado sobre la cara trasera del panel. Su función es servir de volumen de temporización en el establecimiento y en la eliminación de la sobrecarga. Cámara de primera depresión. La cámara de primera depresión está fijada sobre la cara trasera del panel y su volumen es de 0,4 litros. Su función es crear, tras un frenado inicial, una caída brusca de presión en el depósito equilibrador de manera que todos los distribuidores de freno automático de la rama reaccionen aplicando el valor de frenado correspondiente al primer escalón. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 267


GESTOR DE OPERACIONES DE TFA

12.1.3.1

SITUACIÓN PRELIMINAR ANTES DEL FUNCIONAMIENTO (NSA EN AISLAMIENTO)


12.1.3



El D.E., la cámara de mando de la relé tipo 1 B y la cámara inferior del diferencial G están puestos a la atmósfera a través de la EV de afloje graduado en posición desexcitada, la cámara de primera depresión y la EV de frenado graduado, también desexcitada.

 

La válvula relé 1B pone a la atmósfera la presión de la TFA a través de la propia válvula. Al encontrarse descargada la TFA no pilotamos la válvula de corte por lo que en la válvula de escape ya no existe TFA.



Los D.P. Se encuentran cargados entre 8 y 9 bar.

Figura 12-19. Vista seccionada del PBL3. NSA en aislamiento.

La presión de D.P. alimenta al relé principal 1B y al Distensor de 5 bar. El Distensor Piloto pone a disposición del panel la presión piloto de 5 bar salvo en operaciones de sobrecarga y afloje rápido.

 

5bar en cámara inferior de EV de afloje y cámara superior de presostato G. Contacto alto abierto, contacto bajo cerrado.



La EV de vigilancia se excita cuando todos los dispositivos de seguridad están rearmados y pone a la atmósfera la cámara de mando del relé de escape, aislando la TFA de la atmósfera.

Esc

 

268



AL PONER EL NSA EN SERVICIO Y MANIPULAR EL MPF.


12.1.3.2

Se excitará la EV de freno por hilo del borne (4), diodo VS-SE y contacto inferior cerrado del manocontacto G. Se excitará la EV de afloje por hilo de borne (4) y manocontacto H.

Figura 12-20. Vista seccionada del PBL3. NSA en servicio (aplicación de afloje).

La presión de utilización (5 bares) procedente del Distensor Piloto (12) pasará a través de la válvula abierta de la electroválvula de Afloje (8) y alimentará a:



Cámaras de EV de Freno.

   

D. Equilibrio. Cámara inferior de G y H. Cámara de pilotaje del relé 1B. Cámara 1ª Depresión.

Esc

Cuando el D.E. alcanza los 3 bar (automatismo gracias al tarado del H) El contacto cerrado del presostato H abre el circuito eléctrico y la E.V. de afloje se desexcita por lo que se interrumpe el llenado al cerrar la válvula en la cámara inferior. La E.V. de freno (8) permanece excitada por lo que mantiene aislada de la atmósfera la presión alcanzada de 3 bares. La válvula relé tipo 1B (11) repite la presión del pilotaje en su cámara inferior poniendo en comunicación la presión procedente en TDP con la tubería TFA a la presión de 3 bar. 12.1.3.3

AFLOJE GRADUADO

Con impulsos de MPF podemos subir la TFA de forma maderable, actuando por la borna (5), diodo VS-DD EV de afloje.



AUTOMATISMO DE 4,8 A 5 BAR.


12.1.3.4

Al superar la presión de 4,8 en el D.E. se produce una elevación a 5bar de forma automática gracias a la conmutación del manocontacto G cerrando directamente el hilo de borne 4, excitando la EV de afloje. Al disponer de los 5 bar de forma constante (realimentación del D.E.) el pilotaje a la relé principal será siempre constante y esta responderá reponiendo las posibles pérdidas en la TFA.

Figura 12-21. Vista seccionada del PBL3. Automatismo de 4,85 a 5 bar.

La EV de freno queda desexcitada por un contacto del manocontacto G quedando la cámara de primera depresión a la atmósfera. 12.1.3.5

PRIMER ESCALÓN DE FRENO.

Esc

Con un breve impulso hacia freno desde el MPF conseguimos desexcitar la EV de afloje comunicando el DE con una cámara (primera depresión) provocando la caída rápida del DE a 4,6 bar aplicando 0,4 bar en CF. El manocontacto G (con diferencial de 0,2 bar) cambia de estado, por lo que la EV de afloje queda desexcitada y con el otro contacto excita la EV de freno haciendo estanco el DE y la cámara de primera depresión (bucle neumático). El DE queda aislado (por la válvula inferior de la EV de afloje) del distensor piloto. Atención: Con depresiones inferiores a 0,4 bar no garantizas aplicación de freno (según sensibilidad de distribuidores).

270



FRENO GRADUADO.


12.1.3.6

Cada vez que frenamos con el MPF, desexcitamos la EV de freno haciendo caer la presión del DE por medio del paso calibrado (19), cámara de primera depresión y calibrado (23) en EV de freno. La caída de presión en el D.E. es tanto mayor cuanto más largo sea el mantenimiento del MPF en esa posición.

Figura 12-22. Vista seccionada del PBL3. Freno graduado.

Esc

En la gráfica se pueden observar la representación de la TFA sobre trazo amarillo, pudiendo interpretar el primer pulso de freno (llenado del depósito de primera depresión), el automatismo de 4,8 a 5 bar, el automatismo de 3,2 bar, finalmente el afloje hasta la presión de estabilización de 5 bar y la representación del cilindro de freno sobre el trazo morado, obedeciendo a los requerimientos de la TFA.

Figura 12-23. Representación gráfica de TFA y cilindro de freno.



SOBRECARGA


12.1.3.7

La función de sobrecarga únicamente es posible cuando la presión en el depósito de equilibrio (14) es superior a 4,8 bar; y el manipulador de freno MPF no está en posición de "freno". Con el interruptor de sobrecarga en ON (en pupitre de conducción), por el micro del G y los bornes 4 y 5, excitamos la EV de sobrecarga por borna (7), quedando encendido el piloto integrado en el propio interruptor. Estando excitada la EV de sobrecarga, el aire de TFA (también contenido en la cámara de reacción del Relé Principal), es admitido por un orificio reducido en el D. de sobrecarga (15) y bajo el pequeño pistón del distensor piloto, desplazándolo ligeramente hacia arriba provoca el incremento del D.E. a 5,4 bar (por EV de afloje).

Figura 12-24. Vista seccionada del PBL3. Sobrecarga.

12.1.3.8

DESTRUCCIÓN DE LA SOBRECARGA.

Con la desexcitación de la E.V. de sobrecarga por el interruptor en OFF de pupitre, el depósito de sobrecarga (15) está aislado de la tubería TFA y de la cámara de reacción de la válvula relé 1B (11).

La eliminación de la presión del D. de Sobrecarga es progresiva y en un tiempo medio de 150 segundos gracias a la Válvula de Escape Lineal.

Esc

La bajada de presión simultanea bajo el pequeño pistón del Distensor Piloto, lo desequilibra, cerrando la admisión y abriendo el escape por donde se eliminara la sobrepresión del D.E y paralelamente de la TFA gracias a la actuación del Relé Principal. Pasados 180 s. el valor final del Depósito Equilibrador y por tanto de TFA será de la presión inicial, 5 bar.

272



AFLOJE RÁPIDO.


12.1.3.9

El panel PBL-3 no contempla el golpe de llenado energizando una EV (de afloje rápido) y haciendo llegar a TFA la presión de depósitos principales de forma intempestiva y brusca, como ocurre en el PBL-2. En el panel PBL-3 cuando el maquinista solicita un afloje rápido intervienen relés eléctricos externos al panel que energizan la EV de sobrecarga durante un tiempo efectuándose una acción similar a la de sobrecarga. Al pulsar AR excitamos un relé y por un contacto de este relé en serie con el microcontacto de la EV de freno excitamos la EV de sobrecarga. (Solo será posible el AR cuando la EV de freno este excitada). Es siempre posible interrumpir el afloje rápido por un impulso sobre el manipulador MPF hacia la posición de "Frenado". En el ascenso del DE, al llegar a 4,8 bar el G cambia de estado desexcitando la EV de freno y cesando la acción de AR al desexcitar la EV de sobrecarga. La EV de afloje queda excitada en posición de marcha. 12.1.3.10

POSICIÓN DEL NSA EN NEUTRO.

La posición en Neutro impide el mando del freno de locomotora y tren desde el panel afectado. Al posicionar el NSA en neutro, excitamos la EV de Neutro (por el borne 2) y ponemos a la atmósfera la cámara de pilotaje de la válvula de corte por la válvula de escape de dicha EV de Neutro. El circuito neumático entre la válvula relé 1B (11) y la tubería de TFA se interrumpe. Al posicionar el NSA en neutro, se desexcita la EV de vigilancia, por ella misma se pilota la “válvula de escape” por emergencia y se destruye la TFA. Una vez que la TFA se ha destruido, no hay pilotaje posible (válvula de corte cerrada) en relé de escape por lo que la TFA vuelve a ser estanca en situación de locomotora conducida.

Figura 12-25. Vista seccionada del PBL3. NSA en neutro.

12.1.3.11

URGENCIA POR ACTUACIÓN DE LOS AUTOMATISMOS EN EMERGENCIA.

Esc

Después del disparo de alguno de los dispositivos de frenado de emergencia (hombre muerto, sobrevelocidad, ASFA, Presostatos de mínima etc.) la electroválvula de vigilancia se desexcita. La presión de la tubería TFA pilota el relé de escape a gran caudal (2) que vacía en un tiempo mínimo la presión de la TFA.



Esc


Formación complementaria – Distribuidor SW4

12.2 DISTRIBUIDOR SW4 12.2.1

DESCRIPCIÓN GENERAL.

La misión del Distribuidor SW4 dentro del sistema de freno neumático es transformar las órdenes de freno y afloje, transmitidas a través de la tubería de freno automático TFA, en aplicaciones y aflojes de los cilindros de freno. La TFA, según normativa UIC es de 5 bar. Así partiendo de una situación de afloje total (5 bar en TFA) una disminución en la presión de TFA provocara la reacción del distribuidor que alimentará a los cilindros de freno con una presión inversamente proporcional al valor de la depresión en TFA, con la siguiente relación:

 

5 bar TFA = 0 bar en C. de F. 3,5 bar en TFA = 3,8 bar en C. de F.

Esc

Figura 12-26. Distribuidor SW3/4.



CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES.


12.2.2 

Velocidad de propagación 280 m/s (condición U.I.C. 540… V>250 m/s).



El freno se aplica en 0,7 s. para un descenso de presión en la tubería de freno T.F.A. de 0,6 bar en 6 s. (condición U.I.C 540 y 547…. t < 6 s.).



El freno no se aplica para un descenso de presión en la tubería de freno (T.F.A.) igual o inferior a 0,4 bar en 60 s. (condición U.I.C. 540 y 547, p= 0,3 bar).



El distribuidor es insensible a los aflojamientos rápidos de corta duración cuando está aflojado.



Después de un frenado a fondo la presión en la T.F.A. puede ser elevada a 7 bar sin peligro de sobrecarga del depósito auxiliar ni del depósito de control durante un tiempo aproximado de 20 S. (como mínimo tiempo de aflojamiento de los CF).



Como mínimo en cualquier caso el tiempo de protección es aproximadamente igual al tiempo de afloje total de los cilindros de freno.

Se pueden realizar graduaciones de frenado y afloje de 0,05 bar.



Caudal suficiente para alimentar a 2 cilindros de 16" (cuando no se utilizan relés de freno).

Esc



276



COMPONENTES QUE LO FORMAN.

12.2.3.1

DISPOSITIVO PRINCIPAL.


12.2.3

Aúna las funciones principales del conjunto distribuidor. Incorpora el dispositivo de control que detecta las variaciones de presión en la tubería TFA y permite la alimentación al circuito de C.F.

Esc

Figura 12-27. Dispositivo principal.




Se compone de los siguientes elementos:

Vástago hueco (1), pistón (12) y diafragma (17) que separa las cámaras de control y TFA. La válvula (30) equipada de resorte y junta tórica que permite el paso de aire hacia los cilindros de freno cuando es accionada por el vástago (1). Un segundo pistón (14) y su diafragma (21) a través de su diámetro interno, permite el paso de la presión de la TFA hacia la atmósfera cuando se produce la apertura de la válvula (24) que es guiada por la guía de resorte (28).

Figura 12-28. Vista seccionada del dispositivo principal.

Esc

Este dispositivo se denomina conjunto acelerador de la TFA en la primera depresión. El efecto acelerador desaparece cuando aparece presión de cilindros de freno, controlado por la tobera (41), en la cámara inferior del diafragma (21). La estabilización de la presión en los cilindros de freno se consigue por la acción opuesta del conjunto de pistón (5) y diafragma (6) que transmiten el esfuerzo al pistón guía (28). Como elementos separadores de los dispositivos mencionados están los cierres de membrana (16, 8 y 26).

278



DISPOSITIVO LIMITADOR DE PRESIÓN MÁXIMA EN CF.


12.2.3.2

Este dispositivo tiene como misión limitar la presión máxima que llega al circuito de C.F. ante cualquier eventualidad de sobrecargas o anomalías del sistema.

Figura 12-29. Limitador de presión máxima en cilindros de freno.


  

12.2.3.3

Un resorte (19) guiado por la pieza (3) cuya fuerza está calculada para rendirse al esfuerzo ejercido por el conjunto de pistón (18) guiado por el cierre de membrana (7) cuando la presión bajo el diafragma (6) iguala o supera 3,8 bar. El pistón (18) arrastra la válvula (14) hacia su asiento (15). El contacto de la válvula (14) sobre su asiento (15) queda amortiguado por el muelle (10). El conjunto de válvula (14) se cierra sobre el pistón (18) mediante la tuerca autoblocante (11). El conjunto del dispositivo se cierra en su parte superior sobre el cuerpo estándar (1) mediante el tapón de cierre (1). El aislamiento de cámaras se efectúa mediante anillos tóricos. VÁLVULA DE RETENCIÓN DEL LLENADO DEL DEPÓSITO AUXILIAR.

Esc

Esta válvula antirretorno permite el llenado del depósito auxiliar DA (RA) con presión procedente de la TFA e impide que esa misma presión pueda retornar a la tubería TFA.

Figura 12-30. Válvula de retención del depósito auxiliar. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 279




Está constituida por la válvula metaloplástica (1) y su muelle (3). La válvula se desplaza en el cilindro interno del tapón (2) que cierra el conjunto roscado sobre el cuerpo del distribuidor garantizando la estanqueidad por la junta (4).

Figura 12-31. Vista seccionada de la válvula de retención del depósito auxiliar.

12.2.3.4

DISPOSITIVO CIERRE DEL ACELERADOR.

Durante el proceso de carga del depósito auxiliar, cuando se alcanzan los 3 bar de TFA, la válvula de cierre del acelerador pone a la atmósfera la cámara aceleradora de Dispositivo Principal.

Figura 12-32. Vista seccionada del dispositivo de cierre del acelerador.

Esc

La presión procedente de TFA desde dispositivo acelerador (dispositivo principal), se interrumpe cuando se cierra la válvula (3) inmovilizada por el anillo elástico (9) y solidaria al conjunto de pistón (12). Los muelles 2 y 8 aseguran el cierre en oposición a la presión procedente del depósito auxiliar DA (RA). Los anillos tóricos (1) garantizan la estanqueidad del pistón (12 y asiento (10). El conjunto se cierra mediante el tapón (6) y el anillo elástico (7); la estanqueidad está garantizada por la junta tórica (5).

280



DISPOSITIVO DE CORTE.


12.2.3.5

La "válvula de corte" tiene por misión controlar y moderar el llenado de los depósitos de Control y Auxiliar; impide la sobrecarga del depósito de control DC por eventual desajuste de la presión de la TFA y facilita la eliminación de esa misma presión de sobrecarga.

Figura 12-33. Vista seccionada del dispositivo de corte.


Esc

El dispositivo se compone en su parte inferior por el conjunto de válvulas que controlan el llenado y caudal de los depósitos de control DC y auxiliar DA. El paso calibrado (5) controla el caudal de llenado del depósito de control DC, roscado sobre la válvula pulida (9) y ambos se desplazan en el interior de la guía (8). El conjunto (5, 8 y 9) se aloja en el interior de la válvula pulida (10) que cuando es pulsada permite el llenado del depósito auxiliar DA (RA). Todo el conjunto descrito se aloja en la caja de válvulas (1) que se rosca en el cuerpo central del distribuidor. La estanqueidad se garantiza por la junta tórica (12). La caja de válvulas (1) tiene mecanizada su parte superior en cuyo cilindro se desplaza el conjunto del pistón que incorpora la válvula de corte compuesto por la propia válvula de corte (26) y su muelle de llamada (15) que se desplazan en el interior del asiento de válvula (47) roscado en el pistón-guía mecanizada (24) y su diafragma (13). El pistón guía (24) dispone de un taladro perpendicular que permite el alojamiento del empujador (17) para la apertura de la válvula de corte (26). El conjunto del pistón (24) se guía por medio del manguito (22). En la zona superior de la válvula se emplaza el pistón (20) equipado con su diafragma (13) y muelle de llamada (19). Este conjunto de pistón (20) posibilita la apertura de la válvula de corte (26) y en consecuencia la comunicación entre TFA y DC en posiciones de freno aflojado e impide esa misma comunicación cuando existe presión en cilindros de freno CF (cara inferior del diafragma 13). El conjunto del dispositivo de corte se cierra por el tapón (21 y tornillos y arandelas (23, 30). Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 281


VÁLVULA DE PRIMER TIEMPO.


12.2.3.6

Este dispositivo tiene por misión controlar el llenado de los C.F en el primer tiempo de aplicación (0,4 bar en CF).

Figura 12-34. Vista seccionada de la válvula de primer tiempo.

Se compone de los siguientes elementos: El pistón (2) está equipado con su diafragma (13) apoyado en el cierre membrana (5). El pistón se desplaza sobre el interior del asiento de válvula mecanizado (11) y junta tórica (6) y aloja en su extremo inferior el conjunto de válvula (10), junta tórica (9) y muelle (8). La tapa de cierre (1) sirve de guía en su parte superior al pistón (2) y su junta tórica (16). El muelle (15) se aloja en el interior de la tapa (1) y apoyado sobre la cara superior del pistón (2) permite que la válvula (10) esté abierta hasta que la presión en la cámara inferior del diafragma (13) desplace el conjunto de pistón (2) hacia la zona superior venciendo la resistencia del resorte (15). 12.2.3.7

VÁLVULAS DE PURGA AUTOMÁTICA-MANUAL.

Esc

Al ser accionada de forma manual destruye la presión del Depósito de control y del auxiliar. Las válvulas de purga automática-manual, permiten mediante un impulso en la palanca (7) el vaciado automático de la presión en el depósito de control DC (sólo en distribuidores para material remolcado). En la aplicación para locomotoras serie 333, la purga del depósito de control DC así como la purga del depósito auxiliar DA, son del tipo manual, es decir, se produce la purga siempre que se mantenga accionada la palanca (7).

282

7 Figura 12-35. Vista seccionada de la válvula de purga automática-manual.





El conjunto de válvulas se emplaza en la tapa mecanizada inferior (15) que, mediante el manguito (18) y cierre de membrana (16) sirve de guía (dispositivo principal) al pistón (12) y cámara inferior DC del diafragma (17). Las válvulas (13) están alojadas sobre sus respectivos conductos inmovilizadas por los muelles (12) y cerradas por los tapones (11) y juntas tóricas (10). La guía (21) aloja el muelle (14) y responde a los accionamientos de la palanca (7); la arandela (22) y el cierre elástico (23) la inmovilizan en su emplazamiento. La tapa se cierra sobre el cuerpo del distribuidor mediante los tornillos de M12 (19). La tapa inferior equipada (15) incluye el dispositivo de reinicialización del acelerador compuesto por la válvula (1), el asiento (3), el resorte (2), el protector (6) y el anillo de cierre (5). 12.2.3.8

LLAVE DE CAMBIO MERCANCÍAS VIAJEROS.

Sobre la cara lateral del cuerpo estándar del distribuidor, opuesta a la tapa de la válvula relé, se emplaza la llave de cambio que selecciona los modos de frenado en Viajeros o Mercancías adaptando los tiempos de aplicación y afloje del freno (presión en cilindros de freno) a cada caso.

Figura 12-36. Vista seccionada de la llave mercancías/viajeros.


Esc

Un cuerpo de válvula (1) en cuyo interior se aloja el disco cerámico fijo (2) y el disco cerámico móvil (3). Sobre la tapa de cierre (7) se emplaza el eje (9), anillo tórico (8), muelle (4), arandela de bloqueo (13), cuñas guía y casquillo de centraje (15). Completan el conjunto la palanca de accionamiento (12) y su pasador (10). La tapa de cierre (7) se cierra sobre el cuerpo (1) mediante los tres tornillos de M8 (6). Sobre la cara posterior del cuerpo (1) y en la zona de amarre al cuerpo estándar del distribuidor, se incorporan las juntas tóricas (11) en los conductos neumáticos del cilindro de freno.



VÁLVULA DE REINICIO DEL ACELERADOR.


12.2.3.9

Cuando la presión en el volumen (V23), presión piloto de los cilindros de freno, disminuye por debajo de aproximadamente 0,2 bar, la válvula (115) se abre gracias al muelle 114.

Figura 12-37. Vista seccionada de la válvula de reinicio del acelerador.

Esto acelera el vaciado de los cilindros de freno por el canal (C42) y garantiza el reinicio rápido del acelerador del dispositivo principal.

12.2.3.10

LLAVE DE AISLAMIENTO.

Si por cualquier razón, el distribuidor tiene que ser aislado, será necesario interrumpir la conexión entre la tubería de freno TFA y el distribuidor utilizando la llave de aislamiento (71). La llave de aislamiento se instala sobre la brida habilitada en la parte inferior del soporte intermedio, o directamente sobre el distribuidor (brida DB) en ambos casos intercalada en el circuito neumático de la TFA.

La actuación de la llave de aislamiento (71) causa una aplicación inmediata de los frenos. Debe completarse con una operación manual de la válvula de purga para drenar todas las capacidades.

Cuando la llave de aislamiento (67) se sitúa en posición de aislamiento, causa la aplicación de los frenos seguida de un aflojamiento por la purga del depósito auxiliar RA. Figura 12-38. Vista seccionada de la llave

Esc

de aislamiento.

284



FUNCIONAMIENTO

12.2.4.1

CARGA DEL SISTEMA. LLENADO DE LOS DEPÓSITOS AUXILIAR DA Y DE CONTROL DC.


12.2.4

El aire comprimido pasa desde la tubería TFA al distribuidor, vía llave de aislamiento (71) y filtro (70), llega a las cámaras (V22) del dispositivo principal, (V41) de la válvula de corte y (V38) del limitador de sobrecarga. Dispositivo principal.

El pistón (56) que se integra en el vástago hueco (52) se mueve hacia abajo para comprimir el muelle (47) y cerrar la válvula de aceleración (46), (de este modo la presión de la tubería TFA se aísla de la atmósfera).

El circuito del cilindro de freno es puesto a la atmósfera por medio del vástago hueco (52).

Esc

La válvula principal (51) apoya en su asiento (S12) por la acción del muelle (50), estando comprimido el muelle de acople (53) encajado entre el manguito (49) y el pistón (48).

Figura 12-39. Vista seccionada del dispositivo principal.

Los circuitos (C37) y (C11) no se interrumpen. La alimentación a los depósitos auxiliar RA y de control RC se produce tan pronto como empieza el llenado.




Válvula de corte: Bajo la acción del muelle (109), la válvula (107) se apoya en su asiento (S7).

El aire desde la tubería de freno TFA fluye por el calibre (112) a la cámara (V43) y el depósito de control RC, por los conductos (C37), (C11), (C4) y (C5). Esta presión en la cámara (V43) que actúa sobre el pistón (91) hace que la válvula (107) se abra. El aire desde la TFA llena el depósito auxiliar por el conducto (C35), la válvula de retención (86) y el circuito (C15).

La presión de la cámara (V46) es la misma que la de la cámara (V43).

La presión en el depósito auxiliar RA se regula por la diferencia de presión ejercida sobre el pistón (91). Los tiempos de llenado de los depósitos de control RC y auxiliar RA son idénticos. Válvula de retención del depósito Auxiliar.

Figura 12-40. Vista seccionada de la válvula de corte.

86

Válvula metaloplástica 86 sobre asiento S9 por el muelle 79 posibilita la comunicación de aire en un solo sentido (desde TFA hacia el Depósito Auxiliar). Impide la descarga del Depósito Auxiliar cuando desciende la TFA.

Figura 12-41. Vista seccionada de la válvula de retención del depósito auxiliar.

Válvula de cierre del acelerador.

Esc

La presión del depósito auxiliar RA en la cámara (V34) empuja el pistón (76) contra el muelle (75). Cuando la presión en la cámara (V34) es aprox. 3 bar, el pistón (76) abre la válvula (74) posibilitando la comunicación entre las cámaras (V35) y (V36) y por tanto comunicando la cámara aceleradora con la atmosfera.

Figura 12-42. Vista seccionada de la válvula de cierre del acelerador.

286




Válvula limitadora de presión en Cilindro de Freno.

Mientras la presión del depósito auxiliar no alcance 3.8 bar, la válvula (65) estará abierta por el muelle (63) que actúa sobre un pistón (62).

Tan pronto como la presión en el depósito auxiliar alcance 3.8 bar, la válvula (65) se cerrará al igual que los conductos de esta válvula, por ejemplo, (C22) y (C23), cuya presión máxima estará limitada a 3.8 bar.

Figura 12-43. Vista seccionada de la válvula de limitadora de presión en cilindro de freno.

Válvula de primer tiempo.

En la fase de frenado, la cámara del cilindro del freno (V27) está a presión atmosférica y la válvula (57) se mantiene abierta por la acción del muelle (59).

El aire puede ahora pasar libremente desde la válvula limitadora de presión a la cámara (V18) de la válvula principal.

Esc

La válvula (57) se mantiene abierta hasta el inicio de la aplicación del freno (presión en C de Freno).

Figura 12-44. Vista seccionada de la válvula de primer tiempo.



POSICIÓN DE MARCHA (PLANO 1)


12.2.4.2

En la posición de marcha, la tubería de freno TFA está conectada al depósito de control DC (RC). El freno no se aplica por un descenso de presión en la tubería de freno TFA igual o inferior a 0.4 bar en 60 segundos. Esta característica permite que cualquier sobrecarga en el depósito de control sea eliminada sin iniciar ninguna aplicación de freno. Las partes móviles del distribuidor se posicionan según se muestra en el plano 1. Válvula principal.

El pistón (56) bajo la acción del muelle (43) está en contacto con la cubierta inferior (37). El pistón (45) se mantiene en su posición más baja en contacto con el cuerpo principal (1) bajo la acción del muelle (47) y empujado por la válvula (46). El muelle (53) está atrapado entre el pistón (48), el manguito (49) y el vástago (52). La válvula principal (51) se cierra en su asiento (S12) bajo la acción del muelle (50). Válvula limitadora de presión en C. de Freno.

La válvula (65) se cierra en su asiento (S15) debido a la presión en la cámara (V31), equilibrando el esfuerzo del muelle (63). Los conductos (C22) y (C23) que salen de la válvula están a una presión limitada a 3.8 bar. Válvula de primer tiempo.

La válvula (57) está abierta bajo la acción del muelle (59). Válvula de corte.

En los tres modelos, en posición de marcha, es posible la comunicación entre la tubería de freno TFA y el depósito de control y depósito auxiliar llegando a igualarse con la TFA.

Limitador de sobrecarga.

Las válvulas (72) y (73) se abren bajo la acción del muelle (82). Ya que la presión del tubo del freno varía poco, la conexión entre el depósito de control y el tubo del freno se mantiene. Este distribuidor no dispone de este dispositivo. Válvula de cierre del acelerador.

Los conductos (V20), (C13) y (C34) se conectan a la atmósfera por la válvula (74) debido al pistón (76) que empuja hacia abajo la presión del depósito auxiliar y contra el esfuerzo del muelle (75). Válvula relé (para los distribuidores equipados con esta válvula)

Esc

Las cámaras (V10) y (V11), o (V4) y (V7) están a presión atmosférica por el vástago hueco (52) de la válvula principal y cámara (V11) o (V7), junto con el cilindro del freno se conecta a la atmósfera por el vástago del pistón (15), o (12) y la válvula (14) o (5).

288


Esc



Figura 12-45. Carga del sistema y posición de marcha (Plano 1).



POSICIÓN DE FRENO (PLANO 2)


12.2.4.3

Fase de aceleración. Los distribuidores SW4 son sensibles a una disminución de presión en la tubería de freno TFA, de 0.6 bar en 6 segundos. Cuando el conductor reduce la presión en la tubería de freno TFA, la diferencia de presión entre las cámaras (V16) y (V22) hace que el pistón (56) y el vástago hueco (52) se muevan, lo que empuja a la válvula (46) fuera de su asiento (S13). Esta acción permite que la presión de la tubería de freno TFA vaya a la atmósfera a través del pistón (45), cámara (V20), conducto (C13), la válvula de cierre del acelerador y el conducto (C34). La diferencia de presión entre la tubería de freno TFA y el depósito de control RC aumenta. Como el vástago (52) continúa ascendiendo, el manguito (49) entra en contacto con el cuerpo, comprimiendo el muelle (53). Después el vástago (52) eleva la válvula principal (51) haciendo que la presión de la cámara (V18), limitada a 3.8 bar, pase o al falso cilindro (CF.F), si el distribuidor tiene una válvula relé, o al cilindro del freno por los conductos (C16) y (C24). La presión que pasa al cilindro del freno también fluye a través del calibre (55) en el conducto (C8) y volumen (V21). El pistón (45) se eleva hasta contactar con la válvula (46), interrumpiendo la conexión entre la tubería de freno TFA y la atmósfera. Ahora, la fase de aceleración se termina. Se efectúa una reducción local de presión de alrededor de 0.35 bar en el conducto TFA. Si la caída de presión se interrumpe en la tubería TFA, la presión del cilindro del freno en la cámara (V19) que empuja contra el pistón (48) genera un esfuerzo antagonista que es igual al producido por la diferencia de presión entre las cámaras (V16) y (V22), el equipaje móvil del mecanismo principal equilibra la válvula (51) que apoya sobre los asientos de la válvula de admisión (S12) y asiento de escape del vástago hueco (52). Aislamiento del depósito de control RC por la válvula de corte. Simultáneamente, la diferencia de presión entre el depósito de control RC y la tubería de freno TFA, en las cámaras (V43) y (V46) hace que el equipaje del pistón (91) descienda, asegurando así, el cierre de la válvula (90) en su asiento (S8) del pistón (91). El depósito de control se aísla así, de la tubería de freno TFA. El aumento de la presión del cilindro del freno en la cámara (V44) hace que el pistón (87) ascienda y comprima el muelle (88), confirmando el aislamiento del depósito de control, que estará aislado hasta que el distribuidor se rearme, siguiendo una completa liberación del freno (TFA=5bar). Cierre del dispositivo de primer tiempo. Al principio de una aplicación, la presión a gran caudal en el conducto (C18) llega procedente del limitador de presión C.F. (C22) a la válvula principal (51) que permite que el aire fluya al cilindro de freno. Cuando la presión del cilindro alcanza 0.7 bar en la cámara (V27), el pistón (58) se desplaza hacia arriba comprimiendo el muelle (59) y cerrando la válvula (57). Este circuito a gran caudal se interrumpe y el llenado del circuito del cilindro continúa a través de los conductos (C22), y los pasos calibrados en la llave G/P (M/V).

Esc

Alimentación del cilindro de freno a través llave G/P (M/V). La presión del aire comprimido a través de los pasos calibrados instalados en la llave G/P está limitada a 3,8 bar por la válvula limitadora de presión. Los tiempos de aplicación son independientes de la presión en el depósito auxiliar. (Esta presión en el D. Aux. puede ser mayor que la presión en la tubería de freno TFA en algunos casos). Con la llave G/P en posición « P » (viajeros) la presión limitada en el conducto (C22) fluye hacia la válvula principal (51) a través de los pasos calibrados (22) y (23) en paralelo (llave G/P), y después por el conducto (C19). Con la llave en posición « G » (mercancías) la presión fluye sólo a través del calibre (23) mientras que el calibre (22) se obtura por la llave G/P.

290



Esc


Cierre de la válvula principal. La presión que pasa a través de la válvula principal (51) hacia el cilindro de freno, pasa simultáneamente en la cámara (V19-cámara de reacción). Esta presión aumenta hasta que el esfuerzo descendente sobre el diafragma (54) y el pistón (48) es igual y opuesto al esfuerzo ascendente producido por la diferencia de presión entre las cámaras (V16) y (V22). Entonces, el conjunto del diafragma principal se mueve hacia la posición intermedia de fase o equilibrio, en la que tanto la válvula principal (51) como los bordes del vástago hueco (escape) (52) y asiento de válvula (S12) están en contacto cerrando la alimentación y escape.

Figura 12-46. Posición de freno graduado (Plano 2).



POSICIÓN DE FRENO MODERABLE. (PLANO 2)


12.2.4.4

Cualquier bajada de presión en la tubería de freno TFA, conlleva un desequilibrio entre las cámaras de diafragma superior e inferior del pistón (56), que hace que el vástago (52) ascienda y abra la válvula principal (51) permitiendo un incremento de presión en el cilindro de freno. La presión en la cámara (V19), que actúa sobre el pistón (48) se incrementa en la misma medida hasta que se encuentre una nueva posición de equilibrio, y la válvula (51) se vuelva a abrir. El distribuidor SW4 es sensible a las reducciones de la presión de 0.05 en la tubería de freno TFA, sobre toda la zona de moderabilidad del freno. Cuando se utiliza con una válvula relé integrada, ésta reproduce todas las variaciones de presión del circuito piloto de freno (cilindro de freno ficticio CF.F.) Frenado máximo (Plano 2)

La zona de freno gradual del distribuidor conforme a la especificación UIC, está comprendida entre 5 bar y 3.5 bar en la tubería de freno TFA. Cuando la presión en la tubería de freno se reduce por debajo de 3.5 bar, el equilibrio de presiones en el pistón principal (56) y en el pistón de reacción del cilindro del freno (48) desaparece, y el conjunto asciende hasta pararse en el cuerpo (1). La válvula principal (51) se queda abierta y la máxima presión pasa al cilindro correspondiendo a la desarrollada por la válvula limitadora de presión, 3,8 bar. 12.2.4.5

FRENO DE EMERGENCIA (PLANO 3)

Para los distribuidores con la opción de válvula automática de reducción de sobrecarga (no es el caso de este distribuidor). Cuando la presión de la tubería de freno TFA (V49) cae alrededor de 0,5 bar, la presión del depósito de control que actúa en el área del asiento de la válvula (97) empuja a la válvula (97) contra su muelle (96), permitiendo que algo de aire salga a la atmósfera a través del paso calibrado (101). Mientras que la presión de la tubería de freno TFA continúa cayendo hasta cero, la presión del depósito de control en la cámara (V48) hace que la válvula (97) esté abierta contra su muelle (96), hasta que la presión en la cámara (V48) se haya reducido a 4,9 bar, es cuando la válvula (97) se vuelve a cerrar. Esta reducción de la presión del depósito de control RC a 4,9 bar posibilita que cualquier presión de sobrecarga accidental sea eliminada automáticamente. 12.2.4.6

POSICIÓN DE AFLOJAMIENTO DEL FRENO (PLANO 4)

Aflojamiento moderado.

Cualquier incremento de presión en la tubería de freno automático TFA da como resultado un desequilibrio entre las caras de diafragma del pistón (56) y cámara (V19). El pistón (56) y vástago (52) descienden y provoca la apertura del escape a través del vástago hueco (52) que se separa de la válvula de admisión (51). La presión del cilindro del freno en la cámara (V19) cae, hasta que se alcance un nuevo equilibrio entre las cámaras mencionadas, momento en que el pistón se mueve a su posición de fase o equilibrio, donde el borde del vástago hueco (52) se ajusta a la válvula de alimentación (51) cerrando el escape de presión del cilindro de freno. El aire de escape fluye a la atmósfera por el circuito (V23) y por los pasos calibrados de afloje situados en la llave G/P, que selecciona el vaciado a través del calibre (20) en posición « G » (mercancías) o conjuntamente a través de los calibres (20) y (21) en posición « P » (viajeros), dependiendo de la posición de la llave. Rearme del dispositivo principal.

Esc

Hacia el final de un aflojamiento total del freno, cuando la presión de la tubería de freno TFA ha alcanzado entre 4.80 y 4.85 bar, bajo la acción de los resortes (53), (47) y (43) el equipaje de la válvula principal compuesto por los pistones (48), (45) y (56) desciende hacia la base, hasta que el pistón (56) se apoya en la cubierta inferior (37). El muelle (53) es una vez más comprimido por el manguito (49) sobre el vástago (52). El pistón (45) está en contacto con el cuerpo (1) bajo la acción del muelle (47), la válvula del acelerador (46) sobre su asiento (S13) del pistón (45). La presión del cilindro de freno se reduce a 0 bar.

292


Esc



Figura 12-47. Posición de freno de urgencia (Plano 3).




Rearme de la válvula de corte para los distribuidores SW4/3-(Plano 1)

La válvula (107) está en su asiento (S7). El pistón (91) desciende y se apoya en la válvula (107). La válvula (90) está en su asiento (S8). El pistón (87) se apoya sobre el cuerpo (1). Cuando la presión del cilindro del freno es menor de 0.1 bar, el pistón (87) bajo la acción del muelle (88) desciende, empujando a la válvula (90) separándola de su asiento (S8); la presión del depósito de control se iguala con la tubería de freno TFA a través del orificio calibrado (112).

Reinicio del acelerador.

En cuanto el dispositivo de corte está rearmado, es necesario reiniciar la función del acelerador en el dispositivo principal. Por tanto, cuando la presión en el volumen (V23), presión piloto de los cilindros de freno, disminuye por debajo de aproximadamente 0,2 bar, la válvula (105) se abre gracias al muelle (114). Esto acelera el vaciado de los cilindros de freno por el canal (C42) y garantiza el reinicio rápido del acelerador del dispositivo principal.

Llenado del depósito auxiliar (Plano 1)

Si la presión en la cámara (V43) es mayor que la de la cámara (V46), el pistón (87) mantiene el asiento (S7) abierto al desplazar la válvula (107) ; la presión en la tubería de freno TFA puede llenar rápidamente el depósito auxiliar por el circuito (C35) y la válvula de retención del depósito auxiliar (86). La rápida recarga del depósito auxiliar RA continúa hasta que las presiones se igualan.

Aflojamiento rápido por impulsos de larga duración (Plano 4).

Esc

La válvula (107) está en contacto con su asiento (S7) bajo la acción del muelle (109). La válvula (90) está en contacto con su asiento (S8) bajo la acción del muelle (92). Si la presión del cilindro del freno en la cámara (V44) es mayor de 0.1 bar, el pistón (87) se queda en contacto con el cuerpo (1). Cuando la presión del cilindro del freno cae por debajo de 0.1 bar, el pistón (87) empuja para abrir la válvula (90) bajo la acción del muelle (88). En estas condiciones, hay comunicación entre la tubería de freno TFA y el depósito de control RE. La protección del depósito de control contra la sobrecarga se une al tiempo de descarga del cilindro del freno. Esta protección es tan solo de 10 segundos para el modo pasajeros P (V) y de 40 segundos para el modo mercancías G (M), de acuerdo con las prescripciones de la UIC.

294


Esc



Figura 12-48. Posición de afloje graduado (Plano 4).



AISLAMIENTO DEL FRENO.


12.2.4.7

Aislamiento del distribuidor. Si por cualquier razón, el distribuidor tiene que ser aislado, será necesario interrumpir la conexión entre la tubería de freno TFA y el distribuidor utilizando la llave de aislamiento (71) o (67). La llave de aislamiento se instala sobre la brida habilitada en la parte inferior del soporte intermedio, o directamente sobre el distribuidor (brida DB) en ambos casos intercalada en el circuito neumático de la TFA. La actuación de la llave de aislamiento (71) causa una aplicación inmediata de los frenos. Debe completarse con una operación manual de la válvula de purga para drenar todas las capacidades. Cuando la llave de aislamiento (67) se sitúa en posición de aislamiento, causa la aplicación de los frenos seguida de un aflojamiento por la purga del depósito auxiliar RA.

12.2.4.8

VÁLVULA DE PURGA AUTOMÁTICA (PLANO 5).

No es de aplicación a Loc. 333. No obstante incluimos su descripción para información general.

Purga automática clásica (Según versiones)

Al ser nula la presión en la tubería de freno TFA a la altura del distribuidor, basta por tanto con accionar durante un breve período (impulso) a válvula de purga mediante el conjunto de mando clásico para vaciar por completo el cilindro de freno CF. De esta manera se provoca la apertura de la válvula (35) que se mantendrá abierta por el vástago (38) interpuesto entre la válvula y su asiento. El vaciado de la presión del depósito de control RC a través de la válvula (35) provoca a su vez, el vaciado de la presión en el cilindro de freno a través del vástago hueco (52) del pistón (56) en el dispositivo principal. Debido al orificio calibrado (100) en el conducto (C5), si la presión inicial en el conducto de la tubería de freno TFA no es nula, el accionamiento de la válvula de purga sólo provoca un aflojamiento parcial del freno.

Purga automática independiente de la presión en TFA.

Esc

En ausencia del orificio (100), basta con accionar durante un breve instante la válvula de purga por medio del conjunto de mando para vaciar completamente el cilindro de freno CF. Esto ocurre independientemente del valor inicial de la presión de la tubería de freno TFA en el distribuidor. Al accionar la válvula mediante el dispositivo (32), se produce la apertura de la válvula (35) que se mantiene abierta por el vástago (38) hasta que la presión en el depósito de control RC se iguale con la presión de la tubería de freno TFA. Este vaciado parcial del depósito de control RC conlleva el vaciado completo del cilindro de freno CF a través del vástago hueco (52) del pistón (56) del dispositivo principal.

296


Esc



Figura 12-49. Posición de purga automática (Plano 5).



Esc


Formación complementaria – Bobinado de máquinas eléctricas rotativas.

12.3 BOBINADO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS 12.3.1

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

12.3.1.1

GENERALIDADES

Una máquina eléctrica rotativa es un dispositivo que transforma la energía cinética en eléctrica, o viceversa, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en dos grandes grupos: generadores y motores.

Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Al generador de corriente continua se le denomina dinamo y al de corriente alterna alternador. Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama de “excitación”, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica, permite crear un flujo magnético que se establece en el conjunto de la máquina. Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas rotativas están provistas de partes giratorias, que suelen estar montadas sobre un eje que se sustenta al armazón por medio de cojinetes o rodamientos. En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estator y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estator. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos son el ejemplo más simple de una máquina rotativa. Los siguientes ejemplos pertenecen a un alternador de una central térmica en reparación (figura 12-50) y a varios motores de corriente alterna de distintos tamaños (figura 12-51).

Esc

Figura 12-51. Motores de corriente alterna.

Figura 12-50. Alternador de central térmica.



TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS


12.3.1.2

Las maquinas eléctricas rotativas se dividen en varios tipos que se detallan en el siguiente cuadro:

Figura 12-52. Tipos de máquinas eléctricas rotativas.

Según el tipo de corriente, pueden ser de corriente continua o de corriente alterna. Según la funcionalidad de la máquina, pueden ser generadores o motores.

Las dinamos y los motores de corriente continua son de un solo tipo conceptual y las diferencias existen a la hora de efectuar el conexionado entre el circuito inductor y el inducido. Estos tipos los veremos con más detenimiento en capítulos posteriores.

Esc

Las máquinas de corriente alterna son de tipos más variados, dependiendo del número de fases y de la relación entre las velocidades de giro del campo magnético y la de giro del rotor (sincronismo).

300



PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR


12.3.1.3

Figura 12-53. Generador.

Cuando un conductor se mueve en el interior de un campo magnético cortando líneas de campo, se genera en él una corriente eléctrica.

12.3.1.4

PRINCIPIO BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR

Esc

Figura 12-54. Motor.

Cuando un conductor, por el que circula una corriente, se sitúa en el interior de un campo magnético, se crea una fuerza sobre él que produce su desplazamiento.



GENERADOR UNIVERSAL


12.3.1.5

Para el conocimiento del funcionamiento de un generador, estudiemos como ejemplo universal al generador elemental de corriente continua como mostramos en el siguiente ejemplo:

Colector

Figura 12-55.

Una espira girando a una velocidad en el interior de un campo magnético uniforme, genera una fuerza electromotriz que deriva en la creación de una corriente que circula por el interior de dicha espira. El sentido de la corriente en la espira se invierte en cada semiperiodo, al cruzar el conductor activo la línea neutra. Si el cambio de sentido de la espira se hace coincidir con el cambio de la escobilla mediante el colector, conseguimos una corriente unidireccional.

Esc

Al aumentar el número de delgas, la fuerza electromotriz obtenida tiene menor ondulación acercándose más a la tensión continua que se desea obtener.

302



MOTOR BÁSICO


12.3.1.6

Todo empezó gracias al científico Hans Christian Oersted que comprobó cómo colocando una espira alrededor de una brújula, si hacía pasar una corriente por la espira, la aguja de la brújula (el imán) se movía. Demostró así, la relación que había entre la electricidad y el magnetismo.

Con este experimento se demostró que la espira al ser atravesada por una corriente generaba un campo magnético (fuerzas magnéticas) que interactuaban con la fuerza magnética de la aguja imantada, produciendo Figura 12-56. Principio del motor. en esta un giro. Por lo tanto si hacemos pasar corriente por unas espiras (bobinado) y en su interior tenemos un imán que puede girar sobre un eje (rotor) hemos conseguido un motor eléctrico, ya que el eje del imán se movería y hemos convertido la energía eléctrica en energía mecánica en el movimiento del eje.

Esc

Figura 12-57. Motor eléctrico.



ELEMENTOS DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA ROTATIVA


12.3.1.7

Las máquinas eléctricas rotativas están compuestas, generalmente, de distintos elementos o partes que podemos dividir en dos grandes grupos. Elementos electromagnéticos y elementos mecánicos. ELEMENTOS ELECTROMAGNÉTICOS. Son todos aquellos que están diseñados para facilitar o producir efectos eléctricos o magnéticos. Entre ellos podemos distinguirlos de la siguiente manera: 

Magnéticos.Su funcionalidad se dirige a la creación de campos magnéticos. Entre ellos podemos distinguir:

Polos principales. Alrededor de ellos se encuentran las bobinas principales y están construidos de chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí. Polos de conmutación. Al igual que los principales, están construidos de chapas magnéticas y en ellos van alojadas las bobinas auxiliares o de conmutación. Expansiones polares. Salientes que se colocan en los extremos de los polos principales. Su forma está diseñada para aprovechamiento de las líneas de fuerza sobre el inducido. Núcleo del inducido. O paquete de chapas del inducido formado por ranuras radiales donde se introducen las bobinas del inducido. También construido por apilamiento de chapas magnéticas aisladas entre sí.



Eléctricos.Son los formados de material conductor (generalmente cobre) y son recorridos por la corriente eléctrica con distintas finalidades. Bobinas inductoras. Encargadas de la producción de los principales campos inductores. Bobinas de conmutación. O auxiliares encargadas de facilitar la conmutación. Bobinas de inducido. Crean los campos del inducido.

Colector. Encargado de repartir la alimentación a las distintas bobinas del inducido. Constituido por láminas de cobre con forma trapezoidal llamadas delgas, aisladas entre sí por finas láminas de mica. Todas ellas montadas de forma cilíndrica y sujetas con platos metálicos aislados. Porta escobillas. Elemento que se encarga de alojar las escobillas proporcionándoles la presión necesaria. Escobillas. Están siempre en contacto con el colector del inducido proporcionándole en cada momento de la alimentación necesaria. Se fabrican de un material más blando que el cobre del que se fabrican los colectores para facilitar su desgaste y no el del colector. Suelen estar construidas de una aleación de grafito y cobre. Placa de bornas. Placa donde se conectan los bornes de alimentación exterior del motor.

Esc

Cableados de conexión. Todas las conexiones entre elementos internos se efectúan con cables o pletinas aisladas.

ELEMENTOS MECÁNICOS. Constituidos por el resto de elementos metálicos encargados del sustento de la máquina en sí, del resto de elementos y de transmitir los esfuerzos mecánicos, generalmente en forma de movimiento rotatorio, generados en la máquina o, en caso de los generadores, aplicados sobre ella.

304




Según su función los podemos diferenciar en dos grupos:



De trabajo. Ejes, rodamientos, poleas, engranajes, ventiladores, etc. Elementos encargados de transmitir esfuerzos mecánicos.



De sustentación. Culata o carcasa, tapas, soportes, bandejas, etc. Elementos cuya misión es la de mantener la estabilidad de la máquina y sus elementos frente a los esfuerzos y vibraciones.

La mayor parte de todos estos elementos los detallamos en el siguiente dibujo:

Figura 12-58. Elementos de una máquina eléctrica rotativa.

12.3.1.8

MÁQUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE CONTINUA

Desde el punto de vista constructivo, estas máquinas están constituidas por dos núcleos de hierro, generalmente chapas magnéticas laminadas, uno fijo (carcasa o culata) y otro móvil (inducido o armadura). En ambos núcleos van ubicadas bobinas de diferentes formas que crean campos electromagnéticos que interactúan, de manera que se pueda obtener o una tensión generada o un par motriz en el eje, según la maquina trabaje como motor o como generador.

Esc

Las bobinas del inducido se definen como aquellas en las que se induce un voltaje, y las bobinas inductoras ubicadas en la carcasa, son las encargadas de producir el flujo magnético principal de la máquina. El circuito eléctrico de la carcasa o fijo de excitación, está compuesto por las bobinas principales de campo, las bobinas auxiliares o de conmutación y en su caso, las bobinas de compensación. El circuito eléctrico del inducido está compuesto por el devanado inducido y por el conmutador o colector.




El colector es un simple rectificador mecánico formado elementalmente por dos semi-anillos aislados, cuya misión es rectificar la onda de tensión interna generada, transformándola en una corriente continua en el caso de funcionar como generador, o de convertir la corriente continua aplicada externamente mediante las escobillas, en una corriente alterna que generará un campo magnético en el inducido de la máquina, cuando funciona como motor. Las escobillas de grafito, se mantienen fijas en la línea imaginaria que separa dos polos opuestos, y hacen contacto en todo momento con la superficie del colector, manteniendo constante la presión sobre este mediante unos resortes. Su conexión con el exterior se realiza mediante una trencilla metálica de la que va provista ella misma o el portaescobillas que la sustenta. Cuando la máquina de corriente continua funciona como generador (dinamo), al hacer girar el inducido en el campo magnético creado por el inductor, produce una fuerza electromotriz.

Si se cierra el circuito mediante la conexión de una carga externa, circula una corriente por el inducido (Ia), saliendo del polo positivo de la pila que representa la fuerza electromotriz (E) y provoca, en el propio inducido, dos caídas de tensión, una en la resistencia propia de los conductores del inducido (VRa), y otra en las escobillas (Ves).

Al circular la corriente por el inducido, crea su propio campo magnético, modificando al creado por las inductoras (reacción de inducido). Esto obliga a cambiar la posición de las escobillas, ya que las delgas que presentan una f.e.m. nula cambian por la nueva dirección del flujo magnético. Cuando funciona como motor, la intensidad del inducido se invierte, al ser provocada por la tensión de alimentación y cambia el sentido de las caídas de tensión en las resistencias del inducido y de las escobillas.

Figura 12-59. Diferencias entre generador y motor.

Esta intensidad crea una fuerza contra electromotriz (E), que es la que produce el campo magnético del inducido generando un par motor que hace que rote. En los motores de corriente continua para cambiar el sentido de giro del inducido, basta con cambiar la polaridad de la alimentación. Su velocidad se regula variando la tensión. En definitiva, podemos sacar en conclusión que las principales características diferenciadoras de las máquinas rotativas de corriente continua son:

REVERSIBILIDAD. Pueden funcionar tanto como generador, que como motor.



Se compone de dos partes diferenciadas: Parte fija o INDUCTOR y parte móvil o INDUCIDO.



El inducido se compone de COLECTOR.

Esc



306



CONEXIONADO DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA


12.3.1.9

Una de las formas de clasificar las máquinas de corriente continua, es la manera en que podemos conectar sus circuitos inductor e inducido. Los diferentes tipos de conexión son: Conexionado en serie:

El devanado inductor se encuentra conectado en serie con el inducido.

Figura 12-60. Conexión serie.

Conexionado en paralelo o Shunt:

El devanado inductor y el inducido se conectan en paralelo.

Figura 12-61. Conexión paralelo.

Conexionado Compuesto o Compound:

Consta de dos devanados inductores. El primero se encuentra conectado en serie con el inducido. El segundo se conecta en paralelo.

Figura 12-62. Conexión compuesta.

Conexionado independiente:

Esc

Las fuentes de alimentación del inductor y la del inducido, son diferentes.

Figura 12-63. Conexión independiente.



EJEMPLOS DE MATERIAL EN RENFE DE CORRIENTE CONTINUA


12.3.1.10

Inductor

Inducido

Figura 12-64. Motor S-269.

Inducido

Inductor


Inducido

Inductor

Esc


308

Inducido

Inductor

Figura 12-67. Grupo motor generador (GMG) S-269



MÁQUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE ALTERNA


12.3.1.11

Son máquinas que se alimentan o producen corriente alterna y pueden clasificarse según el número de fases que intervienen en su funcionamiento (monofásicos o trifásicos), o dependiendo del sincronismo existente entre la velocidad del campo magnético creado por el estator y la velocidad de giro del rotor (síncronos o asíncronos). Son máquinas reversibles al igual que los motores de corriente continua, es decir, que funcionan tanto como motor que como generador. 12.3.1.12

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. SÍMIL DE MOTOR DE C.A.

Si hacemos girar un imán en forma de “U” a una velocidad determinada “Vs” alrededor de una aguja imantada, esta girará a la misma velocidad a la que gira el imán. Vs = Vi >> Motor Síncrono.

Figura 12-68. Símil de motor síncrono.

Esc

Si hacemos girar un imán en forma de “U” a una velocidad determinada “Vs” alrededor de una masa circular metálica, esta girará a la misma inferior a la que gira el imán. Vs > Vi >> Motor Asíncrono.

Figura 12-69. Símil de motor asíncrono.

El imán giratorio simula el campo magnético giratorio creado por el estator del motor y la aguja imantada o el disco metálico serían el rotor.



CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO


12.3.1.13

Se puede crear un campo magnético giratorio haciendo circular tres corrientes desfasadas entre si 120o por tres bobinas, cuyos ejes estén desfasados a su vez 120o en el espacio. Para ello podemos aplicar una corriente trifásica a tres bobinas colocadas a 120º unas de otras. Si colocamos un imán en el centro, girará. Esto nos indica la existencia de un campo magnético giratorio.

El instante en que por una de las bobinas circula la corriente máxima, por las otras dos circulará una corriente menor, igual en ambas y de sentido contrario a la primera. Mientras en esa bobina se produce el máximo flujo entrante, en las otras dos se produce un flujo menor, igual entre ambas a la primera y con sentido de flujo saliente. La combinación de estos dos flujos refuerza el campo en la misma dirección del primero. Cuando la corriente es máxima en una de las bobinas, el lujo resultante apunta en dirección al eje de esa misma bobina.

Figura 12-70. Campo magnético giratorio.

Como en un sistema trifásico la máxima corriente, y con ella el máximo flujo, va pasando de una fase otra, el campo magnético irá apuntando en la dirección de cada bobina sucesivamente y de esta manera se produce el campo magnético giratorio. 12.3.1.14

MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA SÍNCRONO

Esc

Los motores síncronos son máquinas síncronas que se utilizan para convertir energía eléctrica en energía mecánica de rotación. La característica principal de este tipo de motores es que trabajan a velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la red y de otros aspectos constructivos de la máquina. La máquina síncrona es una máquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor síncrono. Está constituido por dos devanados independientes: a) Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la máquina y que se coloca en el rotor. b) Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que está construido de un material ferromagnético, generalmente de chapas de acero al silicio. La estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la figura siguiente. Este último tipo, por lo general, siempre que el motor tuviese solo un par de polos.

310

Figura 12-71. Motor de C.A. síncrono.



MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA ASÍNCRONO


12.3.1.15

El motor asíncrono fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla en 1885-86. Dos años más tarde se construyó una máquina con el rotor en forma de jaula de ardilla. El rotor de bobinado se desarrolló a principio del S.XX. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor). La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción. Hoy en día se puede decir que la mayoría de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo, trabajando en general a velocidad prácticamente constante. No obstante, y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia (inversores y cicloconvertidores), en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable. La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: construcción simple, bajo peso, mínimo volumen, bajo coste y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico. Hay dos tipos básicos de motores asíncronos:

Motores de jaula de ardilla: el devanado del rotor está formado por barras de cobre o aluminio, cuyos extremos están puestos en cortocircuito por dos anillos a los cuales se unen por medio de soldadura o fundición.



Motor de rotor bobinado: el devanado del rotor de estos motores está formado por un bobinado trifásico similar al del estator, con igual número de polos.

Esc



Figura 12-72. Motor de C.A. asíncrono.




En definitiva, podemos sacar en conclusión que las principales características diferenciadoras de las máquinas rotativas de corriente continua son:



REVERSIBILIDAD. Pueden funcionar tanto como generador, que como motor.



Se compone de dos partes diferenciadas: Parte fija o ESTATOR y parte móvil o ROTOR.



Se caracteriza por su estator bobinado y por su rotor SIN COLECTOR.



Tiene BAJO COSTES DE MANTENIMIENTO en comparación con cualquier otro tipo de motor.



MAYOR FIABILIDAD.



Obtiene MAYOR POTENCIA por unidad de peso.

Para invertir el sentido de giro de un motor asíncrono trifásico, basta con invertir el sentido de giro del campo magnético giratorio, para lo cual hay que intercambiar dos fases cualesquiera entre sí. Para variar la velocidad del motor, será suficiente con variar la frecuencia de alimentación del estator.

12.3.1.16

DESLIZAMIENTO

Como sabemos, en los motores asíncronos trifásicos de jaula de ardilla, las velocidades de giro del campo magnético giratorio del estator y la velocidad de giro del rotor, nunca pueden ser iguales. Esto ocurre fundamentalmente por dos razones. La primera porque hay unas pérdidas por rozamiento que se lo impiden y la segunda, que en el supuesto caso de que se desplazase a la misma velocidad que el imán, la variación de flujo sobre los recintos cerrados, de la jaula de ardilla, sería nula, y por tanto la f.e.m. inducida también y por lo que la fuerza resultante también sería nula. Llamamos deslizamiento a la diferencia entre esas dos velocidades y suele mostrarse en tanto por ciento.

Esc

S = Deslizamiento Ns = Velocidad del campo magnético del estator. Nr = Velocidad del rotor.

Figura 12-73. Deslizamiento.

312

∙ 100



EJEMPLOS DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ASÍNCRONOS EN RENFE


12.3.1.17

Motor S 102

Motor S 103

Figura 12-74. Motores S102 y S103.

Motor S 104

Motor S CIVIA

Figura 12-75. Motores S104 y S-CIVIA.

Esc

Motor S 450

Motor S 252

Motor S 253

Figura 12-76. Motores S450, S252 y S253.



BOBINADOS. GENERALIDADES

12.3.2.1

DEFINICIÓN DE BOBINADO


12.3.2

Entendemos por bobinado al conjunto de bobinas que forman parte de una máquina eléctrica, así como las conexiones existentes entre ellas, la que las conectan con el colector o con la placa de bornas.

Figura 12-77. Bobinado de estator de C.A.

12.3.2.2

Figura 12-78. Estator de hilo bobinado.

TIPOS DE BOBINADO.

Existen distintos tipos de bobinados atendiendo a: 

A su número de salidas.  Bobinado abierto.  Bobinado cerrado.



A la forma de la superficie sobre la que se bobina.  Bobinado en anillo.  Bobinado de tambor.



Al número de capas por ranura.  De una sola capa.  De doble capa.

12.3.2.3

BOBINADOS ABIERTOS Y CERRADOS

Bobinados abiertos.

Esc

Sus bobinas presentan dos o más extremos libres que llegan a la placa de bornas, a los anillos o a la conexión de estrella. Es típico de las máquinas de corriente alterna, en las que existe una o más fases, cada una de las cuales tienen un principio y un final libres.

314


Figura 12-79. Bobinado abierto.



Bobinados cerrados.

Sus bobinas forman uno o más circuitos cerrados. Es típico de las máquinas de corriente continua, en las que para su funcionamiento, se precisa un colector de delgas sobre el que frotan las escobillas y entre las cuales debe existir siempre continuidad.

12.3.2.4

Figura 12-80. Bobinado cerrado.

BOBINADOS EN ANILLO Y DE TAMBOR

Bobinado en anillo.

Es aquel en el cual las espiras son arrolladas sobre el anillo que constituye la armadura del inducido. Las bobinas solo poseen un lado activo, que es el que se encuentra en el lado exterior y es paralelo al eje de rotación, ya que únicamente éste corta líneas de fuerza al girar la armadura.

Figura 12-81. Bobinado en anillo.

Bobinado de tambor.

Los dos lados activos de cada bobina están colocados en la superficie exterior o interior de la armadura. De esta forma, cada espira dispone de dos conductores activos.

Actualmente, los bobinados en anillo están totalmente en desuso, empleándose únicamente los bobinados en tambor por poseer las siguientes ventajas:

Figura 12-82. Bobinado de tambor.

Esc

Presentan una mayor economía de cobre, ya que los bobinados en tambor disponen de dos conductores activos por espira mientras que los bobinados en anillo solo disponen de una. La menor cantidad de cobre trae como consecuencia que los bobinados en tambor tengan menos resistencia y, por ello, se producen menos pérdidas eléctricas y menor calentamiento, por lo tanto, mejor rendimiento. Las bobinas del bobinado en tambor pueden ser preformadas sobre un molde adecuado, dándoles la forma conveniente, permitiendo el uso de máquinas automáticas. El proceso de fabricación, representa una importante reducción de la mano de obra a emplear con el consiguiente abaratamiento del proceso.



BOBINADOS DE UNA O DOS CAPAS.


12.3.2.5

Atendiendo al número de lados activos (capas) que podemos introducir dentro de las ranuras de la armadura (paquete de chapas), podemos encontrar bobinados de una sola capa por ranura (a) o bobinados de dos capas por ranura (b) En los primeros, cada lado activo de las bobinas, ocupan una única ranura de la armadura. En los de doble capa, cada ranura de la armadura es compartida por uno de los dos lados activos de dos bobinas distintas.

Figura 12-83. Capas de bobinado.

Cuando el bobinado es de dos capas, la capa que está en el fondo de la ranura se llama capa inferior, baja o interior y la que se encuentra junto al entrehierro es llamada capa superior, alta o exterior. Los bobinados de máquinas de corriente continua se construyen modernamente en dos capas, mientras que los de corriente alterna son ejecutados tanto en una como en dos capas. 12.3.2.6

REPRESENTACION GRÁFICA DE BOBINADOS

Para el estudio y el cálculo de los bobinados de máquinas eléctricas, es preciso representarlos de forma gráfica. Para este fin se emplean distintos tipos de esquemas que podemos clasificar en: rectangular, circular y simplificado. Esquema rectangular.

Para representar gráficamente el esquema rectangular de un bobinado, debemos imaginarnos que el colector (en caso de referirnos a una máquina de corriente continua) aumenta de diámetro hasta hacerse igual al de la armadura del inducido. Igualmente que las cabezas de bobinas del lado contrario al colector se

abren en abanico, con lo que el colector, Figura 12-84. Esquema rectangular. la armadura y las cabezas de las bobinas forman una sola superficie cilíndrica. Luego imaginaremos un corte en este cilindro, según una de sus generatrices, y abriendo su superficie lateral, lo desarrollaremos sobre el plano. Esquema circular.

Esc

Para representar gráficamente el esquema circular de un bobinado, imaginaremos que lo vemos desde el lado del colector y supondremos que las generatrices del cilindro que forma la armadura, se abren hasta colocarse en el mismo plano que la cara anterior del colector. Finalmente, para poder representar las cabezas del lado contrario al colector, haremos la simple unión de los lados activos correspondientes. En definitiva, sería como si abriésemos el inducido como un paraguas.

316


Figura 12-85. Esquema circular.



Esquema simplificado.

Normalmente, en los talleres de bobinado no es necesario disponer del esquema competo, sino que es suficiente conocer los datos y condiciones del bobinado y un esquema simplificado de su ejecución.

Figura 12-86. Esquema simplificado.

En las máquinas de corriente alterna, lo imaginaremos de estas mismas formas, pero sustituyendo el colector por los distintos conexionados, por ejemplo los de estrella permanente, si fuera el caso. 12.3.2.7

BOBINAS

Entendemos como bobina a cada uno de los conjuntos compactos de espiras que unidos entre si forman el bobinado inducido o inductor de la máquina. En los inducidos y estatores van alojadas en las ranuras de las armaduras y en las inductoras van alrededor de los polos.

Figura 12-88. Bobina de inducido de C.C. S-333.

Figura 12-87. Bobina de estator de C.A. S-253.

Las bobinas inductoras están formadas por un arrollamiento de hilo o pletina de cobre. Cada una de las vueltas de conductor (espiras), están aisladas entre sí y todo el conjunto del bobinado es recubierto de materiales aislantes para evitar derivaciones al núcleo sobre el que van arrolladas.

Esc

A las puntas de comienzo y finalización de la bobina se les denomina salidas de bobina y es donde se efectúa su conexionado. Todo el recorrido del bobinado contituye la zona activa de la bobina.

Figura 12-89. Bobinas inductoras.




En las bobinas de inducido de c.c. o de estator de c.a. podemos distinguir varias partes:



Zonas activas. Son las partes rectas de la bobina que van alojadas en el interior de la armadura. En estas zonas se genera el campo magnético.



Cabezas. Zonas generalmente circulares que conectan las zonas activas entre sí. Sus dimensiones dependerán de los aspectos constructivos de la máquina.



Puntas. También llamadas salidas, son los principios y terminaciones de la bobina que irán conectadas a otras bobinas, al colector o a las conexiones de salida o estrella según el caso.

Cabezas

Zonas activas

Puntas

Figura 12-90. Partes de una bobina.

12.3.2.8

BOBINAS ABIERTAS Y CERRADAS

En las bobinas abiertas, sus espiras cierran circuito a través de colector por la parte delantera o conector por la trasera. Disponen de una o ninguna cabeza de bobina.

Figura 12-91. Bobina abierta.

Esc

En las bobinas cerradas sus espiras son continuas teniendo una o varias entradas y salidas. Disponen de dos cabezas de bobina. Se denomina cabeza anterior a la situada junto a las puntas y posterior a la opuesta.

Figura 12-92. Bobina cerrada.

318



POLOS MAGNÉTICOS


12.3.2.9

En todo circuito magnético se distinguen “polos Norte”, zonas donde salen las líneas de fuerza del flujo, y “polos Sur”, zonas por donde entran estas líneas de fuerza del flujo. El número total de polos de una máquina se designa por “2p”, por lo que “p” es el número de pares de polos.

 Nº total de polos = 2p  Nº de pares de polos = p

Figura 12-93. Motor de 4 polos.

Entrehierro es el espacio existente entre el rotor y el estator. Este espacio ha de ser el menor posible para el mejor funcionamiento de la máquina. 12.3.2.10

PASO POLAR

Es la distancia que existe entre los ejes de dos polos consecutivos, tomada sobre arco de circunferencia de entrehierro o en número de ranuras.

Designando con D al diámetro de dicha circunferencia y siendo “2p” el número de polos de la máquina, el valor del paso polar Pp, valdrá:

Figura 12-94. Paso polar.

Este valor vendrá dado en centímetros.

Esc

Para este estudio es mucho más interesante conocer el paso polar expresado en nº de ranuras. Para determinarlo expresemos por K el número total de ranuras de la armadura, con lo que el paso polar en nº de ranuras Yp valdrá:

Este valor puede ser un número entero de ranuras o un número fraccionario.



PASO DE RANURA


12.3.2.11

Denominamos paso de ranura al número de ranuras que es preciso saltar para ir desde un lado activo de una bobina hasta el otro lado activo. Se representa por Yk . Este paso tiene que ser forzosamente entero. También es llamado “ancho de bobina”. En el ejemplo siguiente disponemos de un paso de ranura desde la nº 1 a la nº 10, por lo tanto el paso de ranura será de 9. El valor del paso de ranura debe ser aproximadamente igual al valor del paso polar y debe ser, forzosamente, un número entero.

Y k ≈ Yp

Siendo Yk el paso de ranura y Yp el paso polar.

Figura 12-95. Paso de ranura.

12.3.2.12

TIPOS DE PASOS DE RANURA

Como hemos comentado anteriormente, el paso de ranura puede ser aproximadamente igual al paso polar. Esto quiere decir que en algunos casos coinciden exactamente y en otros no, pero su valor es muy aproximado siendo superior en algunos casos e inferior en otros. Esto da lugar a la existencia de tres tipos de pasos de ranura:

  

Paso diametral: Cuando el paso de ranura coincide exactamente con el paso polar. Paso acortado: Cuando el paso de ranura es menor que el paso polar. Paso alargado: Cuando el paso de ranura tiene un valor superior al paso polar.

Esc

Las principales razones para tomar un paso acortado o alargado pueden ser: 1) Cuando el paso polar resulta de un valor fraccionario, es imposible tomarlo como paso de ranura, ya que éste debe ser exactamente entero. Así pues, la exigencia física del paso de ranura obliga a tomar un valor diferente al paso polar, sea acortado o alargado. 2) A veces se acorta el paso, por exigirlo el cálculo de la máquina, para disminuir el estorbo entre las cabezas de bobinas o por otras razones de funcionamiento. En los bobinados de corriente continua no es conveniente acortar o alargar el paso de ranura por razones derivadas de la buena marcha de la conmutación, sobre la cual influye desfavorablemente cualquier acortamiento o alargamiento del paso. Estos efectos perjudiciales son aún más sensibles en las máquinas provistas de polos auxiliares o de conmutación. Por consiguiente, podemos enunciar las dos reglas siguientes, que deben ser estrictamente cumplidas:

 

320

Máquinas con polos auxiliares.- Solamente se podrá acortar o alargar el paso de ranura en los casos en que el paso polar tenga un valor fraccionario. El acortamiento o alargamiento será menor que una ranura, justamente la fracción necesaria para que el ancho de bobina tenga un valor entero exacto. Máquinas sin polos auxiliares.- En los bobinados de esta máquinas, se consiente un acortamiento algo mayor, por lo que además de la fracción indicada en la regla 1ª, podrá acortarse hasta una ranura más.




Figura 12-98. Paso diametral

12.3.2.13

.

Figura 12-97. Paso alargado.

Figura 12-96. Paso acortado.

TIPOS DE RANURA

Las ranuras de las armaduras pueden ser principalmente de los tipos que mostramos en los siguientes ejemplos.

Figura 12-99. Tipos de ranura.

12.3.2.14

ESPIRA

Esc

Entendemos por espira, cada una de las vueltas que da la pletina o el hilo conductor alrededor de una bobina, o bien, cualquier conductor eléctrico que forma una línea cerrada circular o rectangular plana.

Figura 12-100. Espira.

Figura 12-101. Detalle de espira seccionada.



SECCIONES INDUCIDAS


12.3.2.15

Entendemos por sección inducida el conjunto de espiras comprendidas entre dos delgas del colector que se encuentran sucesivamente recorriendo el bobinado. La sección inducida puede estar formada por una sola espira o de varias en serie, pero únicamente dispone de dos extremos libres los cuales se conectan a las dos delgas, entre las cuales está comprendida. En los bobinados de tambor, cada sección inducida comprende dos haces activos; uno, colocado en la capa superior de una ranura, y el otro, situado en la capa inferior de la otra ranura que le corresponde.

a) Una sola sección inducida. Dos conexiones. b) Dos secciones inducidas. Cuatro conexiones. c) Tres secciones inducidas. Seis conexiones.

Figura 12-102. Secciones inducidas.

Debemos tener en cuenta algunas generalidades de importancia sobre las secciones inducidas:

PRIMERA En un bobinado de dos capas por ranura, el número de bobinas “B” es igual al número de ranuras “K”.

B=K

SEGUNDA El número total de secciones inducidas “S” del bobinado será igual al producto del número de bobinas “B” por el de secciones inducidas “U” de cada bobina.

S=B•U S=K•U

Esc

TERCERA El número de delgas del colector “D” debe ser igual al número total de secciones inducidas “S”.

322

D=S




Para numerar las ranuras de la armadura se da a una cualquiera de ellas el número 1 y a las siguientes los números sucesivos, hasta recorrer la periferia completa de la armadura. Para numerar las secciones inducidas, se empieza por dar el número 1 a la que está situada más a la izquierda en la ranura 1, luego se van dando los números sucesivos a las siguientes secciones, siguiendo la periferia de la armadura en el mismo sentido que se siguió al numerar las ranuras.



Ranuras

Secciones







’ ’ ’

’

’









Delgas de colector

        

Figura 12-103. Numeración de ranuras.

Para determinar una sección inducida de una capa inferior, bastará con numerarla como su correspondiente superior y acompañarla de un apóstrofe ‘. La sección inducida nº 1, corresponderá a la delga nº 1 del colector. 12.3.2.16

ANCHO DE SECCIÓN

Entendemos por ancho de sección a la distancia, medida en secciones inducidas, que existe entre los dos haces activos de una misma sección inducida. El ancho de sección debe de tener, forzosamente, un valor entero y se representa por “Y1”. Es necesario calcular el ancho de sección, después de haber elegido el paso de ranura “Yk”.

Esc

De esta manera y siendo “U” el número de secciones inducidas por bobina, el ancho de sección tendrá como valor:

Y1 = Yk • U

Figura 12-104. Ancho de sección.



BOBINADOS DE CORRIENTE CONTINUA

12.3.3.1

GENERALIDADES Y CONDICIONES


12.3.3

Debemos tener en cuenta que para todos los bobinados de corriente continua existen las siguientes generalidades:   

  

Todos los bobinados inducidos de C.C. tienen colector. Los bobinados inducidos modernos de C.C. son todos de tambor y de dos capas por ranura. Todos los bobinados inducidos de corriente continua deben de ser cerrados para que en el circuito donde apoyan las escobillas siempre exista continuidad. Las fuerzas electromotrices totales generadas en los distintos circuitos paralelos del inducido, deben de ser iguales. Del mismo modo, las resistencias interiores de estos circuitos paralelos, deben de ser iguales. Las ramas de bobinas de estos circuitos tienen que disponer de igual nº de espiras con idéntica longitud de conductor.

Para que todas estas circunstancias puedan ser posibles, debemos recordar a la hora de construir un inducido de corriente continua que:    

Todas las ramas en paralelo del bobinado tengan el mismo número de lados activos de bobinas. Todas las bobinas tengan idéntico número de secciones inducidas. Todas las secciones inducidas tienen que tener igual número de espiras. Todas las bobinas deben de ser conformadas en el mismo molde y de forma idéntica.

Esc

Para efectuar la fabricación de las bobinas, es muy importante poder disponer de personal muy especializado o de maquinaria automatizada para realizar el conformado de las bobinas.

324

Figura 12-105. Máquina automática para el conformado de bobinas.



BOBINAS INDUCTORAS


12.3.3.2

Llamamos bobinas inductoras a las que se encuentran alrededor de los polos inductores. Son las encargadas de producir los campos magnéticos fijos en los estatores de corriente continua. Generalmente y atendiendo a la función que desempeñan, podemos clasificarlas en:

Bobinas principales. Junto a los polos principales, producen los campos magnéticos principales del inductor (norte o sur). Bobinas de conmutación. O auxiliares se encargan de producir unos campos que ayuden a realizar una buena conmutación en el colector.

Esc

Bobinas de compensación. Son bobinas, generalmente de pletina y con pocas espiras que se encargan de eliminar distorsiones en los campos principales. Suelen estar formadas de pletina gruesa y van alojadas en las ranuras que a tal efecto se disponen en los polos principales.

Figura 12-106. Bobinas inductoras.



COLECTOR DE DELGAS


12.3.3.3

Es un conjunto de láminas de cobre, llamadas delgas, aisladas entre sí por una capa de mica y que giran solidariamente con el rotor. Las delgas están conectadas eléctricamente a las bobinas del devanado inducido y por medio de ellas dicho devanado se puede conectar con el exterior mediante las escobillas.

Figura 12-107. Conjunto colector, porta escobillas y escobilla.

Figura 12-109. Colector sección.

Figura 12-108. Colector.

12.3.3.4

CONMUTACIÓN

Cuando las espiras del inducido pasan de la influencia de un polo a la influencia de otro, las fuerzas electromotrices creadas cambian de sentido. Esta inversión se produce justo en la llamada línea neutra que es cuando las escobillas cortocircuitan las dos delgas del colector correspondientes a dos espiras influidas por polos distintos.

Figura 12-111. Línea neutra.

Esc

Cuando la máquina se encuentra en carga, los valores de estas corrientes suelen ser muy elevados produciéndose una inversión en el sentido de dichas corrientes cuando las Figura 12-110. Conmutación. espiras pasan por las escobillas. Esto da lugar a unos fenómenos más o menos controlables y que en conjunto forman el efecto al que llamamos conmutación.

326



DEVANADO INDUCIDO


12.3.3.5

Conocemos como devanado inducido a la totalidad del circuito eléctrico que forman el conjunto de bobinas, situadas en el inducido, así como los terminales que las unen a las distintas delgas del colector, si estos existieran.

La forma de las bobinas y de conectar sus terminales a las delgas del colector, clasifica los bobinados de corriente continua en dos grupos: bobinados imbricados y bobinados ondulados.

Figura 12-112. Bobinado de un inducido.

En los bobinados imbricados un grupo polar se obtiene conectando en serie varias bobinas de una misma fase, todas ellas correspondientes al mismo polo. Por esta razón, en estos bobinados hay que retroceder para conectar el final de una bobina con el principio de la siguiente. Estos bobinados pueden ser de una o dos capas, y pueden ser de paso diametral, alargado o acortado y siempre se ejecutan por polos.

Esc

A diferencia de lo que sucede en los bobinados imbricados, en los devanados ondulados, una bobina se conecta con otra de la misma fase que está situada bajo el siguiente par de polos. Por esta razón, en estos devanados hay que avanzar a conectar el final de una bobina con el principio de la siguiente (pues el final de una bobina, está detrás del principio de la siguiente con la que se conecta. Esto hace que estos arrollamientos tengan forma de onda, lo que da origen a su denominación. Los bobinados ondulados se fabrican de dos capas y se ejecutan por polos. Estos arrollamientos pueden ser de paso diametral, alargado o acortado.

Figura 12-114. Bobinado imbricado.

Figura 12-113. Bobinado ondulado.



BOBINADO EQUIPOTENCIAL


12.3.3.6

En todo bobinado que contiene ramas en paralelo, las fuerzas electromotrices generadas en las distintas ramas paralelas, deben ser exactamente iguales. Las armaduras, provistas de bobinados imbricados simples, deben disponer de un número de ranuras múltiplo del número de pares de polos, a fin de conseguir la deseada igualdad de fuerzas electromotrices en las distintas ramas paralelas. No obstante y a pesar de ser cumplida esta condición, se observa en las máquinas provistas de bobinado imbricado, que las fuerzas electromotrices generadas en los diferentes circuitos paralelos, son distintas. El motivo de esta anormalidad es que los flujos que recorren los distintos circuitos magnéticos de la máquina son muy diferentes, siendo debido a cualquiera de las causas siguientes:

  

Diferencias en el entrehierro bajo los distintos polos. Diferencias que pueden ser originadas por ejemplo por un montaje defectuoso. Diferencias en las reluctancias1 de los distintos circuitos magnéticos a consecuencia, por ejemplo, de haber empleado materiales de calidades diferentes. Diferencias en las fuerzas magnetomotrices de las bobinas polares que excitan los distintos circuitos magnéticos. Diferencias que pueden ser debidas, por ejemplo, a que esas bobinas están constituidas por distinto número de espiras (por error de construcción).

En los bobinados imbricados simples, al unir todas las escobillas de una misma polaridad mediante su respectivo puente, se originan corrientes de circulación entre ellas, las cuales no son utilizadas en el circuito exterior cuando existan diferencias en los flujos de los distintos circuitos magnéticos, presentándose corrientes de compensación que atravesarán las superficies de contacto de dichas escobillas junto con la corriente principal de carga.

Así, pues, es imprescindible en los bobinados imbricados colocar dispositivos especiales que impidan que las corrientes de compensación atraviesen las superficies de contacto de las escobillas. Para lograr esto, se disponen unas conexiones de pequeña resistencia, que reciben el nombre de “conexiones equipotenciales”, y cuyo objeto es que, de existir corrientes de compensación, éstas se cierren a través de ellas sin pasar por las escobillas.

Esc

Bobinas o conexiones equipotenciales

Figura 12-115. Esquema de bobinado equipotencial.

1

Reluctancia magnética de un material o circuito magnético es la resistencia que este posee al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético.

328




Paso equipotencial: La bobina equipotencial debe conectar dos puntos situados a una distancia igual a la que corresponde a un par de polos. Así pues, el paso equipotencial, medido en ranuras, será igual al nº de ranuras (K) entre el nº de pares de polos (p).

Figura 12-117. Bobina equipotencial.

12.3.3.7

Figura 12-116. Conjunto equipotencial.

IMÁGENES PRÁCTICAS DE BOBINADOS DE CORRIENTE CONTINUA

Figura 12-119. Bobinado equipotencial.

Esc

Figura 12-118. Bobinado de un inducido.

Figura 12-120. Zunchado de un inducido. Figura 12-121. Resultado final del bobinado.



BOBINADOS DE CORRIENTE ALTERNA


12.3.4

Como hemos visto anteriormente, las máquinas de corriente continua, están cada vez más en desuso y desde hace ya algunas décadas, los más utilizados son las de corriente continua. Menor coste en su mantenimiento, mayor fiabilidad, mayor potencia por unidad de peso y en definitiva mayor rendimiento, hacen que estas máquinas sean las más utilizadas actualmente. Gracias a los considerables avances alcanzados en la electrónica de potencia, han desaparecido las dificultades, que con anterioridad existían, a la hora de efectuar el control de estos tipos de máquinas. Dentro de las máquinas de corriente alterna, la más utilizada, no solo en el parque de tracción de RENFE, sino también en otros ámbitos industriales, es el motor asíncrono con rotor de jaula de ardilla y con conexión en estrella permanente. Por ello, será el bobinado de este tipo de máquina al que nos vamos a referir primordialmente. 12.3.4.1

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. SÍMIL DE LA ESCALERA

Para comprender el funcionamiento de este tipo de motor, también denominado de inducción, utilizaremos el llamado símil de la escalera.

Figura 12-122. Símil de la escalera.

Supongamos que tenemos un imán moviéndose a lo largo de una escalerilla metálica. Este imán en su desplazamiento, crea una variación de flujo en los circuitos cerrados que forman sus peldaños. Dicha variación crea una fuerza electromotriz que hace que por estos recintos circulen una corriente inducida. La fuerza que se desarrolla, hace que la escalera tienda a moverse arrastrada por el movimiento del imán. La escalera nunca podrá desplazarse a la misma velocidad que el imán, puesto que entonces la variación de flujo sería “cero” y la fuerza resultante no existiría.

Esc

En un motor asíncrono o de inducción, el imán lo formaría el devanado inductor del estator y la escalera sería las barras del rotor de jaula de ardilla.

330

Figura 12-123. Estator.


Figura 12-124. Rotor.


CONSTRUCCIÓN DEL ROTOR


12.3.4.2

Constituye la parte móvil del motor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: a) Rotor ranurado. b) Rotor de polos salientes. c) Rotor jaula de ardilla. Este último consiste en un conjunto de chapas formando un cilindro y montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectadas por ambos extremos por dos anillos que las ponen en cortocircuito y que forman la jaula. Pueden ser de jaula simple o de doble jaula.

Figura 12-125. Detalle de las barras de cobre.

12.3.4.3

COSTRUCCIÓN DEL ESTATOR

Constituye la parte fija del motor. El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si crea un campo magnético giratorio. Existen dos tipos de estatores:  

Estator de polos salientes Estator ranurado

Esc

En este último tipo, el estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio llamado “paquete”, que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad. Se construye con su interior en forma de ranuras para permitir el alojamiento de lo devanados que lo constituyen. La parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur).

Figura 12-127. Estator en proceso de bobinado.

Figura 12-126. Estator bobinado.



NÚMERO DE RANURAS


12.3.4.4

Para entender como es la disposición de los devanados en un estator de corriente alterna, veremos sus principios constructivos y que elementos debemos tener en cuenta.

Sabiendo el número de ciclos p y las fases ph de la máquina, se determina el “número de ranuras por polo y fase”, o lo que es lo mismo, el “número de bobinas por ciclo magnético” mediante la fórmula:

RANURAS

A partir de ahí se distribuyen las ranuras para realizar el bobinado. Si kp,ph = 1 se dice que el bobinado está concentrado; si kp,ph > 1 se dice que está distribuido. En la máquina de la figura, k = 36, ph = 3 y p = 2, luego kp,ph = 3,

lo que conduce al reparto señalado en colores.

Figura 12-128. Ranuras.

GRUPOS

Se empieza el bobinado atendiendo a un solo ciclo. Una bobina se identifica uniendo dos ranuras de la misma fase distantes un paso polar y todas las de ese ciclo se construyen igual y se unen en serie como indica la figura de la izquierda.

FASES

Figura 12-129. Grupos.

Luego se repite el grupo idénticamente en cada ciclo y todos se conectan en serie para completar una fase. BOBINADO

Esc

Figura 12-130. Fases.

Por último se hacen otras 2 fases idénticas, que se colocan giradas 2πp/3 eléctricos (2πp/3p radianes en el espacio) como indica la figura.

Figura 12-131. Bobinado.

332



EJEMPLO PRÁCTICO


12.3.4.5

Figura 12-132. Ejemplo práctico.

Utilizamos como ejemplo un estator trifásico (ph = 3) de cuatro polos (p = 2, dos pares de polos) y 72 ranuras en la armadura (k = 72) y aplicando la formula arriba detallada, obtenemos una cantidad de 6 ranuras por fase y polo (kp,ph). 12.3.4.6

CONEXIÓN ESTRELLA-TRIANGULO

Esc

Como recordamos, la conexión de los motores de alterna puede realizarse en estrella o en triángulo. En motores de baja y media potencia realizaremos el conexionado exteriormente para aprovechar las ventajas de la estrella en el arranque y las del triángulo para alcanzar y mantener las prestaciones de servicio. En motores de gran potencia, como son los de tracción ferroviaria, solo utilizamos el de estrella y realizamos su conexión internamente y de manera permanente. El control en el arranque y hasta alcanzar velocidades más elevadas se consigue gracias a la electrónica de potencia.

Figura 12-133. Conexión estrella –triangulo.




En las siguientes figuras, aparece un ejemplo de motor trifásico asíncrono con conexión de estrella permanente, en este caso el de la locomotora serie 253.

Figura 12-135. Estator de 253.

Figura 12-134. Esquema de conexión de aros.

Esc

Para entender este tipo de conexionado, reproducimos su esquema en forma lineal y esquematizada. Se trata de un conexionado en estrella de cuatro ramas o sectores en paralelo por fase.

334

Figura 12-136. Esquema de conexión lineal y en paralelo.



ENSAYOS Y AVERÍAS COMUNES


12.3.5

Una vez realizado el bobinado de cualquier máquina eléctrica rotativa, es necesaria la realización de una serie de pruebas y ensayos que certifiquen la calidad del trabajo realizado y que aporten cierta seguridad en cuanto a la durabilidad del producto.

12.3.5.1

ENSAYOS EN BOBINADOS DE CORRIENTE CONTINUA

Los ensayos más usuales después del bobinado de una máquina de corriente continua suelen ser:  Rigidez dieléctrica con respecto a masa.

 Cortocircuitos entre espiras (ondas de choque).

 Resistencia de sectores del devanado después de soldar.

 Resistencia de aislamiento.

12.3.5.1.1

RIGIDEZ DIELÉCTRICA

En esta prueba sometemos el aislamiento de la pieza, a un esfuerzo (tensión) mucho mayor del aplicado en condiciones normales de trabajo. Este alto voltaje en c.a., administrado mediante un “chispómetro” o transformador de alta de tensión regulable, se aplica entre el bobinado y el chasis (masa) durante un tiempo y a una tensión especificadas por la documentación pertinente, por el fabricante o en su defecto, podemos obtener la tensión de ensayo aplicando la siguiente formula, de forma genérica, durante un minuto:

∙

.

Esc

Al bobinar motores de c.c., se suele ir efectuando este ensayo sucesivamente al colector, a las bobinas equipotenciales y a los devanados principales antes y después de impregnar, utilizando las tensiones y tiempos que indique la documentación pertinente (fichas de prueba).

Figura 12-138. Cuadro de mandos.

Figura 12-137. Transformador.



CORTOCIRCUITOS ENTRE ESPIRAS


12.3.5.1.2

Es muy importante que cada vez que efectuemos el bobinado de un devanado en una máquina, debemos comprobar la inexistencia de cortocircuitos entre la distintas espiras del mismo. De esta manera descartamos fallos en las bobinas debido a defectos de fabricación o de manipulación.

Antes de bobinar y como ensayo previo, comprobaremos que las delgas del colector están completamente aisladas entre sí utilizando para esta operación un chispómetro o transformador de baja tensión. Del mismo modo actuaremos después de montar el devanado equipotencial, si nos referimos a bobinados imbricados.

Figura 12-139. Prueba de cortocircuitos a colector de inducido.

Para la prueba final de los devanados bobinados y teniendo en cuenta que los circuitos están cerrados, utilizaremos un generador de ondas de choque. Esta prueba puede realizarse entre dos delgas del colector (una espira o sección inducida) o también entre un grupo determinado de ellas. Nos atendremos a una onda patrón, que será la referencia, y que compararemos con todas las delgas del inducido. El resultado de todas estas mediciones debe de ser, en mayor o menor medida, idéntico de pendiendo de las tolerancias admitidas.

Figura 12-140. Detalle de prueba de ondas de choque a un inducido.

12.3.5.1.3

Las tensiones de prueba, los tiempos y las tolerancias vendrán fijadas en la documentación de referencia.

RESISTENCIA ENTRE SECTORES DE DEVANADOS

Una vez bobinado el inducido y soldadas las salidas de las bobinas a sus correspondientes delgas del colector, debemos cerciorarnos de que estas soldaduras se efectuaron correctamente. También, que la sección de todas las espiras es la apropiada y no se han producido fisuras o roturas, al manipular las bobinas o en la operación de bobinado. Para ello, efectuaremos el ensayo que denominaremos de d.d.p. (diferencia de potencial)

Esc

Para realizar este ensayo, aplicaremos, con una fuente de alimentación, una intensidad de cierto valor y a tensión constante a lo largo de una sección del colector.

Figura 12-141. Prueba de d.d.p.

Comprobaremos, con la ayuda de un milivoltímetro, las caídas de tensión entre delgas consecutivas y veremos que los valores son ± iguales (variación máxima del 5%). Repetiremos la operación hasta completar todo el colector.

336



AISLAMIENTO


12.3.5.1.4

Una vez bobinado el inducido es necesario controlar el valor del aislamiento entre el bobinado y masa. Para ello utilizaremos un Megger o cualquier otro aparato de medida preparado para ello, como por ejemplo algunos modelos de generador de ondas de choque BAKER.

Figura 12-144. BM-25.

12.3.5.2

Figura 12-143. BAKER.

Figura 12-142. Prueba de aislamiento.

ENSAYOS EN BOBINADOS DE CORRIENTE ALTERNA

Los ensayos más usuales después del bobinado de una máquina de corriente alterna suelen ser:  Rigidez dieléctrica con respecto a masa (HIPOT).

 Cortocircuitos entre espiras (ondas de choque).

 Resistencia entre fases.

 Resistencia entre fases después de efectuar conexionado de bobinas y estrella.

 Resistencia de aislamiento.

12.3.5.2.1

RIGIDEZ DIELECTRICA (HIPOT)

Esc

Es la misma prueba que se efectúa a los bobinados de corriente continua. Generalmente lo haremos con corriente alterna, utilizando el “chispómetro” (transformador de alta tensión regulada), conectando la salida a las puntas de bobinas, previamente cortocircuitadas, y la masa a cualquier punto del chasis del estator. Aplicaremos la tensión durante el tiempo que nos indique la documentación pertinente (ficha de pruebas). En ocasiones, este tipo de ensayos se realiza con corriente continua, para ello utilizaremos equipos apropiados como por ejemplo el BAKER.

Figura 12-145. Prueba en A.T. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 337




12.3.5.2.2

Esta prueba se realizará después de bobinar y acuñar y antes de conectar la estrella. Para poder determinar si existen cortocircuitos entre las espiras de todo el bobinado, basta con efectuar una comparación entre las resistencias de las tres fases del estator. El resultado debe de ser idéntico. Utilizaremos el generador de ondas de choque para visualizar y comparar la onda resultante de las tres fases o de cualquier nº de grupos de bobinas, siempre que contengan en mismo número de bobinas. Al igual que en el resto de los ensayos, el tiempo, las tensiones a aplicar y las tolerancias, aparecen detalladas en la documentación de referencia (fichas de pruebas).

Figura 12-146. Prueba en BAKER.

12.3.5.2.3

RESISTENCIA ENTRE FASES

Esta prueba se realiza después de conectar los aros. Utilizando el generador de ondas de choque, compararemos las ondas resultantes después de conectarlo en las distintas salidas alternativamente y el resultado debe de ser el mismo. Esta medida suele realizarse a tensiones elevadas e intensidades de muy poco valor. De esta manera, cuando midamos entre U y V, estaremos visualizando la onda resultante de la suma de las dos fases. Del mismo modo ocurre con U y W y con V y W.

U

W

Figura 12-147. BAKER.

12.3.5.2.4

V

Figura 12-148. Conexión en estrella.

RESISTENCIA ENTRE FASES DESPUES DEL CONEXIONADO EN ESTRELLA

Esc

Una vez soldadas y aisladas las conexiones a los aros de estrella, necesitamos comprobar que el resultado de las soldaduras es satisfactorio. Para ello utilizaremos un milióhmetro provisto de fuente de alimentación que nos permita efectuar medidas de resistencia entre fases a intensidades de cierto valor, normalmente en motores de tracción de material RENFE, suelen efectuarse a 20 A.

Figura 12-149. Detalle de miliohmímetro.

338


Figura 12-150. Prueba de resistencia.


AISLAMIENTO


12.3.5.2.5

Una vez bobinado el estator es necesario controlar el valor del aislamiento entre el bobinado y masa. Para ello utilizaremos un Megger o cualquier otro aparato de medida preparado para ello, como por ejemplo el BAKER.

Figura 12-152. Detalle de ensayo.

12.3.5.3

Figura 12-151. Aparatos de medida.

PRINCIPALES AVERÍAS

Dentro del mantenimientos preventivo de las maquinas eléctricas rotativas, podemos detectar, mediante la exploración visual y los ensayos pertinentes, una serie de averías que pueden aparecer en sus estados iniciales y sobre las que aún se puede actuar, evitando así que la incipiente avería se transforme en irreversible. Dentro de estos casos, las averías más comunes con las que nos podemos encontrar son:  Escasez de aislamiento en los devanados.

 Derivaciones a masa

 Cortocircuitos entre espiras

 Cortocircuitos entre fases

 Defectos de soladura.

12.3.5.3.1

ESCASEZ DE AISLAMIENTO

Esc

La escasez de aislamiento puede aparecer de distintas formas: 1. Deterioro leve en el aislamiento exterior. 2. Desaparición o cuarteo del aislamiento exterior. 3. Aislamiento general demasiado reseco. 4. Rotura de los aislamientos exteriores.




En los tres primeros casos puede repararse con una reimpregnación de la pieza. En el cuarto caso, se puede valorar la aplicación en la zona dañada de algún tipo de resina o epoxi de alto aislamiento. En caso de no mejorar el aislamiento, sería necesario el rebobinado.

Figura 12-154. Falta de aislamiento en bobinas de

estator.

12.3.5.3.2

Figura 12-153. Inducido de c.c. con aislamiento

reseco.

DERIVACIONES A MASA

Este tipo de averías suele deberse al deterioro del aislamiento interior o superficial del elemento por fatiga de los materiales aislantes, o al daño producido por algún cuerpo extraño en el interior del motor. La única solución suele ser el rebobinado siempre y cuando el paquete de chapas no se encuentre dañado. En este caso, la pieza quedaría inútil.

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Figura 12-155. Estator derivado al paquete de chapas.

340

Figura 12-156.Inducido con devanado derivado a masa.





12.3.5.3.3

Debido al envejecimiento del aislamiento o a un posible defecto de fabricación, hay ocasiones en las que el aislamiento entre espiras, en los bobinados, desaparece o se deteriora de tal manera que no aguanta las tensiones de trabajo. En estos casos se produce el cortocircuito entre espiras adyacentes derivando en un mal funcionamiento del conjunto de la máquina, haciéndose necesario sustituir el bobinado completo.

Figura 12-158. Cortocircuito entre espiras de bobina inductora.

12.3.5.3.4

Figura 12-157. Cortocircuito entre espiras de bobina de inducido.

CORTOCIRCUITOS ENTRE FASES

Este tipo de averías, suele producirse por deterioro del aislamiento existente entre distintas fases o por el daño producido por un cuerpo extraño. En algunas ocasiones, estas averías pueden ser solucionadas con el saneado, reaislado de la zona dañada y la reimpregnación completa del estator.

Figura 12-159. Cortocircuito entre fases.

12.3.5.3.5

DEFECTOS DE SOLDADURA

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En algunas ocasiones, las soldaduras existentes tanto entre las patillas de las bobinas y el colector (inducidos de c.c.) como en las conexiones entre bobinas y aros o cables de conexión de estrella (estator de c.a.), se deterioran. Esto produce una disminución de la sección de estas zonas que se traduce en puntos de mayor resistencia, ocasionando el consiguiente aumento de temperatura al circular la corriente. Esto suele traducirse en deterioro de los aislamientos cercanos a estas zonas y deformidades, por dilatación, de las delgas del colector.

Mediante los ensayos podemos determinar esta avería en estado incipiente y, en algunos casos podemos realizar el saneado y Figura 12-160. Colector resoldado con soldadura resoldado de los puntos afectados. TIG.



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Bibliografía

13. BIBLIOGRAFÍA

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Material Motor Ferroviario - Ed. 2012_ETP – Renfe Operadora Material Remolcado Ferroviario – Ed. 2012 – ETP – Renfe Operadora Frenado_Ferroviario_1 2012_ETP_Renfe. NTM 33.00.00…….33.10.00 de la locomotora 333.3 Electrotecnia RENFE - Escuela Técnica Profesional - Edición 2011 Anatomía del tren de rodadura NTM Panel de mando PBL 3 de Faiveley. 33.02.00. NTM.33.03.01 Distribuidor SW4-3 (descripción y manual de mantenimiento)


Curso FTV N1 Libro Completo Ed 9 7

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