RailPower PROGRAMA PARA ESTUDIOS DE POTENCIAS EN LÍNEAS DE FERROCARRIL ELECTRIFICADAS
Ardanuy
N Ó I en la construcción de nuevas líneas, una adecuada planificación de la posición de los distintos elementos que componen el CAsimismo sistema de electrificación puede suponer un significativo ahorro tanto económico como de impacto medio-ambiental, aspectos cada vez importantes a la hora de evaluar la viabilidad de un proyecto ferroviario. Cmás La ubicación idónea de las subestaciones eléctricas y la potencia necesaria en cada una de ellas condicionan los intervalos mínimos entre trenes, que dependen de gran cantidad de factores (características del trazado, material móvil empleado, malla de circulación de trenes U prevista, disponibilidad de líneas de alta tensión y de terrenos, impacto medioambiental, etc.) por lo que la toma de decisiones requiere la realización de numerosos cálculos para diferentes situaciones, imposibles de realizar manualmente de una forma rigurosa. D Para solucionar este problema Ardanuy Ingeniería S.A. ha desarrollado - dentro de su programa de inversiones en I+D+i - una comple ta O herramienta informática, el paquete de software RailPower, que permite la realización de estudios de dimensionamiento eléctrico en líneas ferroviarias tanto en corriente alterna (1x25 KV y 2x25 KV) como continua, basándose en la simulación de condiciones reales de R explotación. Los resultados obtenidos facilitan la toma de decisiones en lo relativo a la correcta electrificación de la línea: ubicación y de las SS/EE, características de la catenaria, etc., contribuyendo a la optimización de costes y a la determinación de los límites de Tpotencia explotación y adelantándose a la aparición de situaciones críticas. ha sido desarrollado en entorno Windows, lo que facilita su uso y la presentación y manejo de res ultados. Esta circunstancia N I RailPower y su composición modular hacen que el programa esté abierto a estudios o necesidades concretas de cualquier explotación. Para competir con otros medios de transporte las distintas administraciones ferroviarias se ven obligadas a disminuir el intervalo entre trenes y a incrementar la velocidad de servicio en la línea. Estos objetivos se suelen alcanzar bien con nuevo material rodante de más prestaciones o bien aumentando el número de trenes en circulación.Ambos factores conllevan una mayor exigencia de potencia que se consigue construyendo nuevas subestaciones eléctricas de tracción o aumentando la potencia o número de transformadores en las existentes.
Material móvil
Campos de Aplicación RailPower está diseñado para su aplicación tanto en ferrocarriles como en metros y tranvías, realizando simulaciones en sistemas de electrificación en corriente alterna (1x25 y 2x25 kV) y corriente continua (con diferentes tensiones nominales de alimentación). El programa se puede aplicar a diferentes sistemas ferroviarios: alta velocidad, líneas convencionales, cercanías, metros, metros ligeros y tranvías. El programa permite el tratamiento de tramos con varias vías y tramos de vía única.Asimismo está especialmente programado para el estudio de circulaciones mixtas de trenes con distintos tipos de composiciones, locomotoras, automotores y material remolcado.
Estudios derivados del empleo de RailPower Los resultados obtenidos mediante RailPower se utilizan principalmente para decidir la ubicación y potencia instalada de las subestaciones en un nuevo tramo o en un tramo en servicio cuyas condiciones de explotación cambien. También permite el correcto dimensionado de la catenaria, tercer carril y de los feeders de refuerzo. Además RailPower puede afrontar otros estudios referentes a la explotación de una línea:
El programa permite definir y utilizar cualquier tipo de tren. Para ello es preciso especificar las características de la locomotora, de los coches o vagones, de los automotores y del conjunto de la composición. Entre los datos a introducir figuran el peso, sistema de tracción (tipo de motores de CC, motores de CA asíncronos o síncronos). Las curvas características del material mo tor y del conjunto del tren se pueden introducir directamente o construirlas a partir de los principales parámetros. Las principales son: - Curva resistencia al avance / velocidad - Esfuerzo de tracción máximo / velocidad - Frenado máximo / velocidad - Rendimiento eléctrico – mecánico de los motores. A partir de estas curvas se calculan las aceleraciones y deceleraciones máximas para distintas condiciones y las intensidades de tracción y frenado.
- Tiempos de recorrido, perfiles de velocidad y aceleración, energía consumida, para cada tipo de tren o régimen de marcha a lo largo de una línea - Máxima frecuencia de paso de trenes - Optimización de horarios - Situación ideal de los puestos de banalización y adelantamiento - Porcentaje de recuperación de energía al emplear trenes con regeneración en el frenado - Pérdidas de energía en catenaria - Conexión idónea de las subestaciones a la catenaria: subestaciones en ménsula o en pi, alimentación de vías independiente o con puestas en paralelo Características del trazado
Factores que tiene en cuenta RailPower RailPower realiza una simulación precisa de las condiciones reales de explotación teniendo en cuenta las características del material rodante, los parámetros del trazado (pendientes, radios de las c urvas, peraltes, estaciones y apeaderos, túneles, etc.), mallas de circulación de trenes, las limitaciones introducidas por la señalización y la catenaria empleada.
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El trazado se define a partir de los siguientes parámetros: pendiente, radios de las curvas y peralte, posición de las estaciones, límite de velocidad, zonas de túnel, tramos de vía única o vía doble, etc. Estos datos se pueden introducir manualmente o pueden ser leídos automáticamente desde una hoja de cálculo. A partir de estos datos el RailPower dividirá el trazado en tramos homogéneos, que se caracterizan por tener el mismo valor de cada
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uno de los parámetros anteriores (pendiente, curva, existencia de estación, etc.). La longitud de cada tramo puede ser de algunas decenas de metros o de v arios kilómetros. Parámetros de explotación Los parámetros de explotación tenidos en cuenta son: aceleración y deceleración máximas, distancia mínima de seguridad entre trenes, el tiempo de parada en estaciones, máxima frecuencia entre trenes, etc.
Metodología y realización de cálculos
RailPower simula la circulación de trenes obligando a que en todo momento se cumplan estos requisitos. En particular el programa verifica que la distancia entre trenes sea mayor que la de seguridad, haciendo frenar al tren de detrás en caso contrario. Si la prioridad del tren de delante es inferior, el programa permite el adelantamiento en la primera estación posible. Parámetros del sistema de electrificación Se pueden realizar estudios tanto de corriente continua con diferentes niveles de tensión de alimentación (600 V, 750 V, 1500 V, 3000 V) como de corriente alterna (1x25 kV y 2x25 kV).
RailPower realiza los cálculos mediante una simulación real de las condiciones de explotación a partir de los parámetros descritos anteriormente. Para realizar los cálculos se hace una discretización del tiempo en inter valos definidos por el usuario. Para cada instante de tiempo se obtienen los valores de las diferentes variables a calcular, teniendo en cuenta los resultados del instante de tiempo anterior. Esto permite al usuario obtener los resultados con la precisión requerida para cada estudio. El programa se va ejecutando de forma secuencial, siguiendo los módulos en los que ha sido desarrollado. De esta manera las salidas de un módulo son utilizadas como entrada en los posteriores.
Se permiten definir distintos tipos de electrificación a lo largo de un mismo trazado (catenaria convencional, catenaria rígida, tercer carril, etc), introduciendo los parámetros de los conductores que componen el sistema de catenaria y la distribución geométrica de los mismos en la línea. A partir de estos datos el programa calcula la impedancia equivalente de todo el sistema.
Módulo de simulación Dinámica Una vez introducidas las características del material móvil y las del trazado en estudio, el programa calcula la velocidad máxima que puede tener cada tren en cada punto de la línea para cumplir los límites de velocidad establecidos en cada tr amo.
Mallas de circulación de trenes RailPower realiza los cálculos mediante una simulación real de las condiciones de explotación a partir de los parámetros descritos anteriormente. Para realizar los cálculos se hace una discretización del tiempo en inter valos definidos por el usuario. Para cada instante de tiempo se obtienen los valores de las diferentes variables a calcular, teniendo en cuenta los resultados del instante de tiempo anterior. Esto permite al usuario obtener los resultados con la precisión requerida para cada estudio.
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A continuación se calcula la circulación aislada por la línea de cada uno de los trenes: el tren aceler a, frena, marcha a la deriv a, para en las estaciones, etc. Los cálculos obtenidos mediante esta simulación permiten tener una primera aproximación de los tiempos de circulación y perfiles de velocidad de un tren, así como de la capacidad de la línea y de las potencias necesarias para esa composición. Simulación de Malla de Circulación Una vez elegida la malla de circulación, se simula la marcha conjunta de todos los trenes solventando (por frenado o adelantamiento) los
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acercamientos excesivos entre trenes. Como resultado se obtiene la potencia consumida por cada tren en cada instante y punto de la línea, así como la velocidad del tren. También se calculan los consumos máximos y medios en cada zona de la vía y en el tramo completo objeto del estudio. Módulo de Simulación Eléctrica A partir de los d atos de catenaria, de la ubicación de los elementos que componen el esquema eléctrico (subestaciones, autotransformadores, seccionamientos y zonas neutras, puestas en paralelo, etc.), de la posición de los trenes y de la potencia demandada por los mismos en cada instante, el programa resuelve mediante iteraciones el circuito eléctrico en cada sector. Como resultado se obtendrá la corriente de salida de c ada subestación, y la tensión y corr iente que circula por cada tren.
decisiones. De entre los resultados obtenidos cabe destacar: - Potencia instantánea y media de los transformadores de cada subestación eléctrica de tracción para las distintas distribuciones y mallas de circulación de trenes en estudio. - Tensión en pantógrafo de los trenes en circulación en cada instante y posición. - Potencia en SS/EE y tensión en pantógrafo de los trenes en caso de fallo de alguna subestación o transformador. - Recuperación de energía por regeneración en frenado. - Potencia eléctrica disipada en la catenaria y en los carriles - Tiempos totales y parciales de recorrido, velocidad y aceleración, fuerza de tracción y potencia consumida en cada punto de la línea de los distintos trenes en estudio. - Balance de energía (consumida por tracción, por servicios auxiliares, regenerada y neta) en el recorrido de la línea para cada tipo de tren simulado - Posición y consumo en cada instante de los trenes de la malla de circulación. - Intensidad de los feederes de las subestaciones..
Análisis de resultados
La potencia de cada subestación se obtiene a par tir de los resultados anteriores.A partir de los valores instantáneos se calcula la potencia media y máxima requerida en el intervalo de interés. Asimismo se podrán ver las tensiones en pantógrafo de cada tren en cada punto de la línea. De esta forma se ven las caídas de tensión máximas y mínimas a lo largo de la línea, lo que permite verificar si la ubicación elegida para las SS/ EE es la adecuada.
En la elección definitiva de la ubicación de las subestaciones concurren numerosos factores que es preciso considerar: disponibilidad de terrenos o espacio, proximidad de líneas de alta tensión y disponibilidad de potencia por parte de las compañías eléctricas, impacto medioambiental, etc. Por este motivo es conveniente ensayar distintas distribuciones de SS/EE a lo largo de la línea.
En resumen, se trata una valiosa herramienta para la toma de decisiones en proyectos de instalaciones de electrificación (subestaciones eléctricas y catenaria a implantar), que en ningún modo puede excluir la valoración y análisis por parte de personal cualificado.
El programa permite realizar los cálculos teniendo en cuenta o no la recuperación de energía en frenado. Con estos resultados se conocen las potencias mínimas necesarias para esa malla de circulación. Estos mismos cálculos realizados para otras condiciones de explotación permiten obtener los puntos idóneos de ubicación y las potencias requeridas por las subestaciones.
Resultados proporcionados por el programa Los resultados de todos los cálculos pueden observarse por pantalla (o imprimirse) en forma de tablas o gráficos a color para su interpretación y análisis. El programa proporciona los valores instantáneos y globales de los factores que inter vienen en la toma de
El software RailPower ha sido utilizado para la realización de más de 100 proyectos de electrif icación para diversos Administraciones Ferroviarias (Ministerio de Fomento, ADIF, FEVE, FFCC Junta Andalucía, EuskoTren, TMB, GISA, FGC, SFM, Metro Tenerife) y en diferentes países, (India, Vietnam, Marruecos, Argelia, Sudáfrica, Irlanda, Portugal, Bulgaria, Lituania, Chile, etc.) llevados a cabo tanto por Ardanuy Ingeniería S.A. como por otras empresas del sector. Los resultados obtenidos con el programa han sido contrastados con éxito en varias ocasiones, como es el caso de la Línea 1 de Delhi Metro Rail Corporation.
Ardanuy Ingeniería S.A.• Av. Europa nº 34. Edificio B.•28023 Madrid • Tel. 91.799.45.00 • FAX 91.799.45.01 • CIF A-80480759
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